[논문]비닐하우스의 적설하중 구조안전성 검토에 관한 연구

백신원

doi:10.14346/jkosos.2019.34.2.34

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Vinyl house consists of main rafter, lateral member, clamps and polyethylene film. Many vinyl houses are used in the countryside to grow vegetables. These vinyl houses have occasionally been collapsed due to heavy snowfall in winter. Many farmers get a lot of economical damages, if vinyl houses are ...

Vinyl house consists of main rafter, lateral member, clamps and polyethylene film. Many vinyl houses are used in the countryside to grow vegetables. These vinyl houses have occasionally been collapsed due to heavy snowfall in winter. Many farmers get a lot of economical damages, if vinyl houses are collapsed. So it is most important to built a safe vinyl house that can withstand heavy snowfall. In this study, a structural analysis was performed on three types of vinyl houses(07-single-01, 10-single-04, 12-single-01). In addition, the structural analysis of the three types of vinyl houses provided axial forces, flexural moment, and combined stress. For these three types of vinyl houses, structural safety was reviewed by obtaining the combined stress ratio by the strength design method. This structural review showed that the specifications for the vinyl house proposed in the design are not safe. Especially, the result of increasing the design snow load by 15 percent and 30 percent showed that the vinyl house structure constructed as a standard for vinyl house was a more dangerous structure. Therefore, it is necessary to revise regulations such as increasing the thickness of rafters or widening the gap in order to make vinyl houses structurally safe for heavy snowfall in the future, and to devise diverse methods to make vinyl houses that are structurally safe.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Basic greenhouse frame.
그림 Fig. 2. Unit snow load according to the snow depth.
표 Table 1. Standard greenhouse
표 Table 2. Ground snow load(( S_g, N/m² )
그림 Fig. 3. Balanced snow load distribution of vinyl house (07-Single-1, Design snow load=100%).
그림 Fig. 4. Unbalanced snow load distribution of vinyl house (07-Single-1, Design snow load=100%).
표 Table 3. Roof slope coefficient
표 Table 4. Uniform snow load(w_s, N/m)
그림 Fig. 5. Node numbers of vinyl house.
그림 Fig. 6. Axial force distribution according to the balanced design snow load(07-Single-1).
그림 Fig. 7. Moment distribution according to the balanced design snow load(07-Single-1).
그림 Fig. 8. Axial force distribution according to the unbalanced design snow load(07-Single-1).
그림 Fig. 9. Moment distribution according to the unbalanced design snow load(07-Single-1).
표 Table 5. Structural analysis results
표 Table 6. Combined strength ratio

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

주로 농촌에서 채소류 등을 겨울철에 재배하기 위해 사용되는 비닐하우스의 경우 이상기온으로 인한 잦은 폭설로 붕괴되는 경우가 빈번하게 발생하여 커다란 재산상 손실을 초래하고 있다. 따라서 본 연구에서는 비닐하우스의 대표적인 형식에 대한 원예특작시설 설계 적설심을 증가시키면서 구조해석을 통해 비닐하우스의 구조적 안전성을 검토하였는데, 이를 통해 얻어진 결론을 정리하면 다음과 같다.
따라서, 본 연구에서는 비닐하우스에 대한 몇몇 연구자들이 원예특작시설 내재해형 규격 설계도⋅시방서의 형식별 설계적설심은 30년 빈도이고, 건축구조기준⁶⁾의 지역별 설계적설하중은 100년 빈도의 값임을 혼동하는 경우도 종종 있고, 강도설계법에 의한 비닐하우스의 구조 안전성 평가 방법 등이 구체적으로 기술되어 있지 않아, 비닐하우스의 대표적인 형식에 대한 원예특작시설 설계적설심을 증가시키면서 구조해석을 통해 강도 설계법에 의한 구조적 안전성 평가를 하여 원예특작시설 설계적설심의 적절성을 평가하고 구조적 성능을 향상시킬 수 있는 방안 등을 제시하고자 한다.

제안 방법

곡면지붕에서의 불균형 적설하중은 곡면지붕의 접선경사가 수평면과 15°이하 및 70° 이상의 각도를 이루는 부분에 대해서는 적설하중이 작용하지 않는 것으로 간주하고 있다. 본 연구에서는 곡면지붕에서의 불균형 적설하중 규정인 접선경사가 수평면과 30°이내와 30°∼70°사이를 비닐하우스에 작용하는 불균형 적설하중으로 산정하였는데, Fig. 4는 07-단동-1의 설계적설심의 100%일 때의 불균형 적설하중을 나타낸 그림이다.
본 연구에서는 비닐하우스의 주 부재인 서까래의 아치부분을 16개의 요소(Element)로 횡방향으로 등간격으로 나누어 Fig. 5와 같이 절점번호(Node number)를 부여하여 07-단동-1, 10-단동-4, 12-단동-1 세 가지 형태에 대해 구조해석을 수행하였으며, Fig.
2와 같은 적설심별 눈의 단위중량을 적용하였다. 한편 Table 1의 설계적설심은 30년 빈도로써 기후변화로 인해 겨울철에 폭설이 내리는 경우가 빈번하기 때문에 본 연구에서는 Table 1의 설계적설심보다 15%, 30% 더 눈이 내리는 경우 구조적으로 적정한 지를 알아보기 위해 변수를 설계적설심의 100%, 115%, 130%로 변화시켜 세 가지 형태의 단동비닐하우스의 구조적 안전성을 평가하였다. Table 2는 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 농림축산식품부 고시 원예특작시설 내재해형 규격 설계도⋅시방서에서 제시하고 있는 단동비닐하우스 19종 중 비닐하우스의 주 구조부재인 서까래의 다양한 직경중에서 대표직경과 다양한 두께중 가장 두께가 큰 규격인 07-단동-1(Φ25.4×1.5t), 10-단동 -4(Φ31.8×1.7t), 12-단동-1(Φ42.2×2.1t) 세 가지 형태의 단 동 비닐하우스를 선정하였다. 이 세가지 형태의 단동 비닐하우스의 규격 및 설계적설심은 Table 1과 같다.

성능/효과

2. 균형설하중의 경우, 축력 및 모멘트는 비닐하우스 주부재인 서까래의 아치 시작점에서 가장 크게 발생하였고, 불균형설하중의 경우에는 축력은 불균형설하중이 있는 하단에서, 모멘트는 불균형설하중의 중심에서 가장 크게 발생하였다.
0보다 큰 값을 보여 현재 농림축산식품부 고시 원예특작시설 내재해형 규격은 강도설계법에 의한 안전성을 확보하지 못하고 있는 것으로 나타났다. 특히 기후변화와 이상기온으로 인한 폭설이 증가하고 있는 요즘 설계적설심의 15% 또는 30% 정도 더 눈이 내리는 경우 원예특작시설 내재해형 규격에 의해 시공된 비닐하우스라 하더라도 더욱더 위험 한 구조물이 됨을 알 수 있었다. 따라서 농림축산식품부 고시 원예특작시설 내재해형 규격대한 설계도 및 시방서를 구조적으로 더 안전한 방향으로의 개정과 대안 제시가 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

3. 07-단동-1, 10-단동-4, 12-단동-1 세 가지 형태의 단동 비닐하우스에 대해 구조해석을 하고 강도설계법의 조합강도비에 의한 안전성 검토를 한 결과, 구조적으로 안전성을 확보하고 있지 않은 것으로 나타남에 따라 농림축산식품부 고시 원예특작시설 내재해형 규격을 구조적 성능을 향상시키는 방향으로 개정이 빠르게 이루어져야 할 것이다.
특히 기후변화와 이상기온으로 인한 폭설이 증가하고 있는 요즘 설계적설심의 15% 또는 30% 정도 더 눈이 내리는 경우 원예특작시설 내재해형 규격에 의해 시공된 비닐하우스라 하더라도 더욱더 위험 한 구조물이 됨을 알 수 있었다. 따라서 농림축산식품부 고시 원예특작시설 내재해형 규격대한 설계도 및 시방서를 구조적으로 더 안전한 방향으로의 개정과 대안 제시가 필요할 것으로 사료된다.
따라서 본 연구결과를 종합해보면 겨울철 잦은 폭설로 인한 비닐하우스의 붕괴사고를 미연에 방지하기 위해서는 비닐하우스의 주 부재인 서까래의 규격을 키워주거나 간격을 줄여주는 것이 필요하고, 또한 비닐하우스의 구조성능을 향상시키기 위해 로프나 강선으로 수평가새를 두거나 서까래를 모르타르로 충진하는 방안 등을 적극 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.
건축구조기준은 2016년 개정되면서 지역별 설계적설심과 설계적설심별 눈의 단위하중을 사용하지 않고 지역별 설계적설하중(\(kN/m^2\))을 사용하는 것으로 바뀌었다. 따라서 현재 비닐하우스의 적설하중에 대한 구조해석을 위해서는 농림축산식품부 고시 원예특작시설 내재해형 규격 설계도⋅시방서의 개정이 하루 빨리 이루어져야 할 것이다. 본 연구에서는 현재 2016년 개정된 건축 구조기준을 적용할 수 없기 때문에 개정되기 전 2005년 건축구조설계기준의 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비닐하우스를 구분하는 기준은 무엇인가?	비닐하우스는 지붕 모양에 따라 외쪽지붕식, 3/4식, 양면식, 아치식 등으로 구분할 수 있고, 축조 형태에 따라 단동형(單動型)과 연동형(連動型)으로 구분할 수 있는데, 연동형의 경우 1연동형, 2연동형, 3연동형 등으로 구분할 수 있다.
	비닐하우스는 무엇인가?	특히 비닐하우스는 온실에 비해 매우 적은 비용으로 간단하게 조립하여 설치할 수 있어 농가에서 전국적으로 많이 사용하고 있는 농가건축물 중에 하나이다. 그러나 최근 기후변화 및 이상기온으로 인한 예상하지 못한 폭설로 인해 비닐하우스가 붕괴하는 경우가 잦아 농가에 커다란 피해를 발생시키고 있다.
	폭설로 인해 비닐하우스가 붕괴되는 것을 방지하기 위하여 정부에서 시행한 것은?	그러나 최근 기후변화 및 이상기온으로 인한 예상하지 못한 폭설로 인해 비닐하우스가 붕괴하는 경우가 잦아 농가에 커다란 피해를 발생시키고 있다. 따라서 정부에서도 2007년 원예특작시설 재해경감대책을 수립하면서 비닐하우스의 주부재인 서까래를 강성이 좋은 SPVH대신에 SPVHS를 사용하게 함으로써 구조적인 성능을 강화시킨 바 있다2).

참고문헌 (6)

H. J. Jung, S. H. Yang and T. H. Lee, "A Study on the Improvement of Greenhouse Frame to Bear the Heavy Snow", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 16, No. 3, pp. 2242-2248, 2015.

원문보기 상세보기
K. C. Ro, "An Evaluation of the Structural Stability of a Clip Type Prefabricated Greenhouse under Strong Wind and Heavy Snow Conditions", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 15, No. 6, pp. 3423-3428, 2014.

원문보기 상세보기
D. J. Jung and C. Teng, "Effect of Wire Bracing to Snow Load Acting on Vinyl House Frame", Journal of the Korea Rural Building Institute, Vol. 12, No. 3, pp. 27-34, 2010.
M. H. Oh, G. J. Shin and G. S. Joo, "Research Trend of Vinyl House in Snowfall", Journal of Disaster Prevention, Vol. 49, pp. 114-122, 2012.
S. W. Paik and H. J. Kim, "A Study on the Strength Characteristics of Vinyl House Pipe Filled with Mortar", Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, Vol. 57, pp. 13-17, 2015.

원문보기 상세보기
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, "Architectural Design Specification", 2016.

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