[논문]유체-구조 연성해석을 통한 삼각단면 형상의 비닐하우스에 관한 연구

이규한; 김정재; 김정주; 이상준; 하호진; 강태원

doi:10.5407/jksv.2019.17.2.017

유체-구조 연성해석을 통한 삼각단면 형상의 비닐하우스에 관한 연구
A study of the triangular cross section type greenhouse using fluid-structure interaction 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.17 no.2, 2019년, pp.17 - 24

이규한 (Dept. of Mechanical and Biomedical Engineering, Kangwon National University) , 김정재 (Dept. of Mechanical Engineering, POSTECH) , 김정주 (Dept. of Mechanical Engineering, POSTECH) , 이상준 (Dept. of Mechanical Engineering, POSTECH) , 하호진 (Dept. of Mechanical and Biomedical Engineering, Kangwon National University) , 강태원 (Dept. of Mechanical and Biomedical Engineering, Kangwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to study the fluid-dynamic and structural characteristics of the conventional greenhouse and to find possible improvement on the current greenhouse. The greenhouse is required to have enough rigidity of the structure while the installation and reinforcement should be as easy as possible. In this study, the structural stability to the snow load was tested through the computational structure analysis based on the building structure standard, and the wind load was computed by computational fluid-structure interaction analysis. The current analysis can be used as a reference data for a new greenhouse and it will be economically viable by reducing installation and maintenance costs.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Mechanical properties of SPVHS
그림 Fig. 1. 3D modeling of greenhouses
그림 Fig. 2. Greenhouse models for PIV experiments
그림 Fig. 3. Basic principle of PIV
표 Table 2. Roof slant coefficient
그림 Fig. 4. Set up of PIV experiment
그림 Fig. 5. Von-Mises stress at snow load
그림 Fig. 6. Deformation at snow load
그림 Fig. 7. Pressure at wind load
그림 Fig. 8. Von-Mises stress at wind load
그림 Fig. 9. Deformation at wind load
그림 Fig. 10. Velocity contour of existing model
그림 Fig. 11. Velocity contour of proposed model

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는, 비닐하우스의 구조를 새롭게 제안하여 기존 비닐하우스와 구조적 안전성을 비교하는 것을 목표로 하고 있다. 비교를 위한 기존 비닐하우스 모델은 07-단동-2형을 채택하였으며, 구조적 안전성 비교방법으로 유동해석과 구조해석 모두를 사용하였다.
본 연구에서는 새로운 디자인의 비닐하우스를 제안하고 기존 모델과 비교하였을 때 구조적 안전성을 비교해석 하였다. 기존 모델과 제안 모델에 대하여 구조해석과 유체-구조 연성해석을 통하여 안전성 평가를 진행하였고, 유동해석과 풍동실험을 통하여 해석과 실험이 얼마나 유사성이 있는지 간략하게 비교해 보았다.

가설 설정

비닐하우스는 파이프 위의 비닐에 작용하는 하중에 주위 골조로 분산되므로 본 연구에서는 비닐에 작용하는 하중이 파이프로 고루 분산된다는 가정 하에 비닐을 제외하고 파이프만 모델링을 하였다. Abaqus를 이용하여 Fig.
그리고 영역별 압력에 해당 면적을 곱하고 총 파이프의 길이로 나누어 단위길이 당 작용하는 힘을 구하였다. 지면과 닿는 부분들은 회전 방향을 제외한 모든 자유도를 구속하였고, 맞닿는 파이프들은 용접상태로 가정하였다. 그리고 중력 방향으로 선 하중을 적용하였다.
5kN/m² 를 적용하였으며, 지붕 경사도 계수 C_s는 내리는 눈이 모든 부분 에서 똑같은 적설하중으로 작용하지 않는다고 제시하였고, 지면과 이루는 경사도에 따라 계수를 분류하였다. 지면과 이루는 각도가 70도 이상인 곳에서는 적설하중이 작용하지 않는다고 가정하였다.

제안 방법

비닐하우스는 파이프 위의 비닐에 작용하는 하중에 주위 골조로 분산되므로 본 연구에서는 비닐에 작용하는 하중이 파이프로 고루 분산된다는 가정 하에 비닐을 제외하고 파이프만 모델링을 하였다. Abaqus를 이용하여 Fig. 1과 같이 1D 요소들로 3D 모델링을 진행하였고 그 후에 beam section과 pipe profile을 적용하였다.
Fluent에서 도출한 결과를 Abaqus에 연동하지 위하여, 풍동해석을 통한 각 면에 걸리는 압력분포를 통하여 X, Y, Z방향의 분력을 구한 뒤, 해당 길이로 나누어 단위길이당 작용하는 힘을 구하여 적설해석과 동일하게 진행하였다.
경사도에 따라 영역을 나누어서 적설하중을 구하였다. 그리고 영역별 압력에 해당 면적을 곱하고 총 파이프의 길이로 나누어 단위길이 당 작용하는 힘을 구하였다.
그리고 비닐하우스 모형을 제작한 뒤 풍동 실험을 진행하고, 실험과 같은 조건의 해석을 진행하여 각 비닐하우스의 주변 속도를 구하였다. 속 도 분포를 통하여 실제와 해석이 얼마나 유사성이 있는지 비교하였다.
경사도에 따라 영역을 나누어서 적설하중을 구하였다. 그리고 영역별 압력에 해당 면적을 곱하고 총 파이프의 길이로 나누어 단위길이 당 작용하는 힘을 구하였다. 지면과 닿는 부분들은 회전 방향을 제외한 모든 자유도를 구속하였고, 맞닿는 파이프들은 용접상태로 가정하였다.
본 연구에서는 새로운 디자인의 비닐하우스를 제안하고 기존 모델과 비교하였을 때 구조적 안전성을 비교해석 하였다. 기존 모델과 제안 모델에 대하여 구조해석과 유체-구조 연성해석을 통하여 안전성 평가를 진행하였고, 유동해석과 풍동실험을 통하여 해석과 실험이 얼마나 유사성이 있는지 간략하게 비교해 보았다.
본 실험에서는 PIV를 진행하기 위하여 POSTECH 중형 풍동을 이용하였으며, Δt를 30 us, 유속은 14m/s로 설정하여 촬영하였다.
본 연구에서 풍하중 값의 산정과 실험과 비교하기 위해서 Fluent를 이용하여 유동장을 모델링 한 후 입구에 지면 방향과 평행하게 속도를 적용하여 유동해석을 하였고, 실험과 비교하기 위한 것과 실제와 유사한 환경에 적용하기 위한 것 2가지를 진행하였다. 실험과 비교하기 위한 유동장의 크기는 실제 시험장치 크기와 같은 너비 0.
그리고 비닐하우스 모형을 제작한 뒤 풍동 실험을 진행하고, 실험과 같은 조건의 해석을 진행하여 각 비닐하우스의 주변 속도를 구하였다. 속 도 분포를 통하여 실제와 해석이 얼마나 유사성이 있는지 비교하였다.
실제와 유사한 환경에 적용하기 위한 유동장의 크기는 너비 40m, 높이 15m, 길이 78m이다. 입구 조건은 건축구조기준에 명시된 지역 중 80%가 30m/s 이하인 지역이므로 30m/s로 해석을 진행하였고, 출구 조건은 대기압으로 설정하였다. 이전 유동장과 다르게 실제 조건을 고려하여 지면과 비닐에 해당하는 면만 미끄러짐이 일어나지 않는 벽으로 설정하였다.
유동해석은 Ansys의 Fluent를 사용하였으며, 구조해석은 Dassault Systems의 Abaqus를 사용하였다. 적설하중은 건축구조기준을 참고하여 기준에 맞게 각 계수를 정하고 값을 산정한 뒤 해당 영역별로 적용하여 구조해석을 진행하였다. 풍하중은 바람에 의한 난류 유동해석을 통해 해당 영역별 작용하는 압력 값을 구하고 구조해석에 적용하는 1-way 유체-구조 연성해석을 진행하였다.
2와 같이 실험 장치에 맞게 너비와 높이를 1/10로 축소하였고 길이는 540mm 로 통일하였다. 지름이 3.2mm인 스테인리스 용접봉을 이용하여 절단 및 굽힘, 용접을 통해서 비닐하우스 골조를 만들고 실제 비닐하우스에 사용되는 0.1mm 두께의 비닐로 바깥 부분을 감싸고 테이프 및 에폭시로 고정하여 비닐하우스 모형을 제작하였다.
4와 같이 비닐하우스 모형을 바닥 면에 고정한 후 비닐하우스 입구 기준 측면방향으로 바람을 불었다. 촬영은 비닐하우스 모형의 중앙면을 기준으로 하였고, 한 번에 모든 영역을 촬영할 수 없어서 세 영역으로 나누어 촬영하였다. 영역별로 1800장을 촬영하였고, PIVlab을 이용하여 촬영된 사진의 입자들의 속도 정보를 얻었다.
적설하중은 건축구조기준을 참고하여 기준에 맞게 각 계수를 정하고 값을 산정한 뒤 해당 영역별로 적용하여 구조해석을 진행하였다. 풍하중은 바람에 의한 난류 유동해석을 통해 해당 영역별 작용하는 압력 값을 구하고 구조해석에 적용하는 1-way 유체-구조 연성해석을 진행하였다.

대상 데이터

비닐하우스는 폭과 높이는 실제 비닐하우스와 일치하게, 길이는 100m 기준으로 1/4 축소한 약 46평형으로 모델링하였다. 기존 비닐하우스의 너비는 6m, 높이는 3.
그리고 입구와 출구로 제외한 면들은 모두 미끄러짐이 일어나지 않는 벽으로 설정하였다. 실제와 유사한 환경에 적용하기 위한 유동장의 크기는 너비 40m, 높이 15m, 길이 78m이다. 입구 조건은 건축구조기준에 명시된 지역 중 80%가 30m/s 이하인 지역이므로 30m/s로 해석을 진행하였고, 출구 조건은 대기압으로 설정하였다.
본 연구에서 풍하중 값의 산정과 실험과 비교하기 위해서 Fluent를 이용하여 유동장을 모델링 한 후 입구에 지면 방향과 평행하게 속도를 적용하여 유동해석을 하였고, 실험과 비교하기 위한 것과 실제와 유사한 환경에 적용하기 위한 것 2가지를 진행하였다. 실험과 비교하기 위한 유동장의 크기는 실제 시험장치 크기와 같은 너비 0.72m, 높이 0.6m이며, 유동의 안정을 위하여 입구 방향은 비닐하우스 길이의 3배 길이, 출구 방향은 10배의 길이로 설정하였고 길이는 7.8m이다. 입구 조건은 실험 속도와 똑같이 14m/s로 하였고, 출구 조건은 대기압으로 설정하였다.
촬영은 비닐하우스 모형의 중앙면을 기준으로 하였고, 한 번에 모든 영역을 촬영할 수 없어서 세 영역으로 나누어 촬영하였다. 영역별로 1800장을 촬영하였고, PIVlab을 이용하여 촬영된 사진의 입자들의 속도 정보를 얻었다. 그리고 Matlab으로 평균 속도를 구한 뒤 영역별 사진을 합쳐 속도분포를 나타내었다.
그리고 기존 비닐하우스는 10m 이상의 파이프를 굽혀서 제작하지만, 제안 비닐하우스는 자가 조립이 가능할 수 있게 짧은 파이프들을 연결하여 삼각단면 형상으로 설계하였으며, 들어가는 파이프의 양 또한 기존 비닐하우스에 비해 적게 든다. 파이프의 물성은 KS D 3760⁵⁾에 있는 SPVHS 물성을 사용하였다.

데이터처리

영역별로 1800장을 촬영하였고, PIVlab을 이용하여 촬영된 사진의 입자들의 속도 정보를 얻었다. 그리고 Matlab으로 평균 속도를 구한 뒤 영역별 사진을 합쳐 속도분포를 나타내었다.

이론/모형

본 연구에서 적설하중을 구하기 위해 선택한 방법은 국토교통부의 건축구조기준⁶⁾에서 제공하는 환경과 수식을 기준으로 Abaqus를 이용하여 비닐하우스의 안전성을 확인하였다.
본 연구에서는 k-ω SST(ShearStress Transport)를 난류모델로 사용하였다.
본 연구는, 비닐하우스의 구조를 새롭게 제안하여 기존 비닐하우스와 구조적 안전성을 비교하는 것을 목표로 하고 있다. 비교를 위한 기존 비닐하우스 모델은 07-단동-2형을 채택하였으며, 구조적 안전성 비교방법으로 유동해석과 구조해석 모두를 사용하였다.
유동해석은 Ansys의 Fluent를 사용하였으며, 구조해석은 Dassault Systems의 Abaqus를 사용하였다. 적설하중은 건축구조기준을 참고하여 기준에 맞게 각 계수를 정하고 값을 산정한 뒤 해당 영역별로 적용하여 구조해석을 진행하였다.

성능/효과

1) 적설하중의 경우 두 모델 모두 최대 본-미세스 응력 값이 항복강도보다 작게 발생하였으나 기존 모델이 제안 모델보다 최대 본-미세스 응력 값이 약 35Mpa 더 크게 발생하였고, 변형 또한 기존 모델이 제안 모델 보다 약 17mm 정도 더 크므로 제안 모델의 안전성이 더 좋다고 평가한다.
2) 풍하중의 경우 두 모델 모두 본-미세스 응력이 항복강도보다 크게 발생하였다. 제안 모델 이 기존 모델에 비하여 약 35Mpa 큰 값을 보였지만 국부적으로 발생하였고, 그 곳을 제외하면 기존 모델과 비슷한 응력 값을 보였다.
3) 해석과 실험에서 구한 속도 분포 모두 제안 모델의 최대 속도 부분의 컨투어가 기존 모델에 비해 넓은 분포를 보였고, 실험과 해석의 속도분포를 비교했을 때 약간의 차이는 있지만 전체적으로 비슷한 속도분포를 보이므로 실험과 해석의 결과가 유사성이 있다고 판단된다.
4) 종합적으로 제안 모델이 기존 모델보다 안전하다고 판단된다. 제안 모델의 경우 적설하중의 경우 더 작은 응력 값이 발생하고, 풍하중의 경우 더 큰 응력 값이 발생하지만 국부적이며 응력 집중이 발생하는 곳만 따로 보강이 가능하다.
6에서는 적설하중에 대한 변형을 가시적으로 보여주기 위하여 실제 결과보다 20배 확대 하였다. 기존 모델과 제안 모델 둘 다 중앙 상단 부분에서 가장 많은 변형을 보였다. 기존 모델은 최대 약 78.
11은 유동해석과 PIV의 결과를 각 모델에 따라 나눈 그림이며 속도분포를 비교하기 위하여 최대 속도를 24m/s로 통일하였다. 실험과 해석 모두 기존 모델이 제안 모델보다 최대 속도도 빨랐으며 전체적으로 속도가 빠른 경향을 보였다. 두 모델 다 중앙 왼쪽 상단부에 서부터 속도가 빨라지는 경향을 보였다.
2) 풍하중의 경우 두 모델 모두 본-미세스 응력이 항복강도보다 크게 발생하였다. 제안 모델 이 기존 모델에 비하여 약 35Mpa 큰 값을 보였지만 국부적으로 발생하였고, 그 곳을 제외하면 기존 모델과 비슷한 응력 값을 보였다. 오히려 변형에서는 기존 모델이 제안 모델보다 최대 약 10mm 정도 더 크므로 풍하중에 대한 안전성은 비슷하다고 평가한다.
3Mpa이 발생한다. 제안 모델은 왼쪽 중앙부에서만 응력 집중이 발생하며 최대 본-미세스 응력이 약 337Mpa이 발생한다.
6Mpa이 발생한다. 제안 모델의 경우 기존 모델과 비슷하게 중앙 상단 부분과 양쪽 옆 부분에서 응력 집중이 발생하며 중앙 상단 부분에서 최대 본-미세스 응력이 약 120.7MPa이 발생 한다.
4) 종합적으로 제안 모델이 기존 모델보다 안전하다고 판단된다. 제안 모델의 경우 적설하중의 경우 더 작은 응력 값이 발생하고, 풍하중의 경우 더 큰 응력 값이 발생하지만 국부적이며 응력 집중이 발생하는 곳만 따로 보강이 가능하다.

후속연구

적설하중의 경우 수직 하중만 작용하기 때문에 건축구조기준을 참고한 값으로 정하중 해석 진행 시 오차가 크게 발생하지 않겠으나 풍하중의 경우는 건축구조기준에서 제시한 값으로 풍하중을 산정할 때 지면과의 각도로 값을 선정하는 계수가 있는데 곡면의 경우 한 면에서 각도가 점점 변화하므로 애매하고, 그 면에 전체에 동일한 압력이 작용한다는 가정이 현실과 맞지 않으므로 한계가 있다. 그리고 풍동 실험을 통해 실제와 유사한 환경을 만들어 실험하고 실험 결과와 비교하여 해석의 신뢰성을 확인할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비닐하우스의 안전성이 확보되지 못하는 이유는 무엇인가?	비닐하우스는 농촌 진흥청에서 제시한 기준을 만족해야 하며, 이를 개선하기 위한 연구 및 구조 안전성 평가는 꾸준하게 진행되어왔다. 하지만 제시한 규격들은 비닐하우스의 다양한 형태와 무분별한 시공, 해석의 오차 등의 여러 가지 요인으로 인하여 안전성이 확보되지 못하고 있다. 그리고 우리 나라 대부분의 비닐하우스 형태는 아치 형상인데, 10m 이상의 파이프를 구부려서 수직으로 설치를 해야하므로 작업 및 보강이 힘들다.
	풍동 실험을 통해 실제와 유사한 환경을 만들어 실험할 필요성이 있는 이유는 무엇인가?	적설하중의 경우 수직 하중만 작용하기 때문에 건축구조기준을 참고한 값으로 정하중 해석 진행 시 오차가 크게 발생하지 않겠으나 풍하중의 경우는 건축구조기준에서 제시한 값으로 풍하중을 산정할 때 지면과의 각도로 값을 선정하는 계수가 있는데 곡면의 경우 한 면에서 각도가 점점 변화하므로 애매하고, 그 면에 전체에 동일한 압력이 작용한다는 가정이 현실과 맞지 않으므로 한계가 있다. 그리고 풍동 실험을 통해 실제와 유사한 환경을 만들어 실험하고 실험 결과와 비교하여 해석의 신뢰성을 확인할 필요가 있다.
	우리 나라 대부분의 비닐하우스의 작업 및 보강이 힘든 이유는 무엇인가?	하지만 제시한 규격들은 비닐하우스의 다양한 형태와 무분별한 시공, 해석의 오차 등의 여러 가지 요인으로 인하여 안전성이 확보되지 못하고 있다. 그리고 우리 나라 대부분의 비닐하우스 형태는 아치 형상인데, 10m 이상의 파이프를 구부려서 수직으로 설치를 해야하므로 작업 및 보강이 힘들다. 그리고 피해 발생 후 복원 작업을 할 때 기존 자원을 활용하지 못하기 때문에 폐자재가 증가하여 농가에 큰 부담이 되고 있다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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