[논문]비닐하우스의 풍하중 구조안전성 검토에 관한 연구

백신원

doi:10.14346/jkosos.2019.34.5.72

Abstract ▼ AI-Helper

Vinyl house consists of main rafter, lateral member, clamps and polyethylene film. Many vinyl houses are used to grow fruits, flowers and vegetables in the countryside. Due to climate change, vinyl houses are often destroyed by strong winds or typhoons in summer. Many farmers suffer great economic d...

Vinyl house consists of main rafter, lateral member, clamps and polyethylene film. Many vinyl houses are used to grow fruits, flowers and vegetables in the countryside. Due to climate change, vinyl houses are often destroyed by strong winds or typhoons in summer. Many farmers suffer great economic damage from the collapse of vinyl houses. So it is very important to build a safe vinyl house and find a method to withstand this heavy wind load. In this study, a structural analysis was performed on four types of vinyl houses(10-single-4, 10-single-6, 10-single-7, 10-single-10). In addition, axial force and flexural moment are obtained from the structural analysis of four types of vinyl house. For these four types of vinyl house, 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 structural analysis for four types of vinyl house showed that the vinyl house structure constructed as a standard was a very dangerous structure. Therefore, it is necessary to devise diverse methods in order to make vinyl houses structurally safe for heavy wind load in the future. Also a variety of manual development is needed to prevent the collapse of vinyl houses at heavy wind load.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Vinyl house reinforced with wire rope.
그림 Fig. 2. Vinyl house reinforced with larger diameter.
표 Table 1. Standard vinyl house
표 Table 2. Wind coefficient( C^pe )
표 Fig. 3. Wind load distribution of vinyl house.
표 Table 3. Ultimate uniform wind load( N/m )
그림 Fig. 4. Node numbers of vinyl house.
그림 Fig. 5. Axial force distribution.
그림 Fig. 6. Moment distribution.
표 Table 4. Structural analysis results
표 Table 5. Nominal strength
표 Table 6. Combined strength ratio

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

한편, 농림축산식품부에서는 기상재해로 인한 원예특작시설의 경제적 손실 등을 최소화하기 위해 2007년 4월부터 원예특작시설 내재형 기준을 마련하고, 여러 차례 주요 개정을 통해 형식을 추가하거나 구조적 성능을 강화시켜 운영하고 있으나 원예특작시설 내재해형 규격 설계도⋅시방서에서는 강도설계법에 의한 비닐하우스의 풍하중에 대한 구조적 안전성 평가 방법등이 구체적으로 기술되어 있지 않기 때문에, 본 연구에서는 단동비닐하우스의 대표적인 형식에 대한 원예특작시설 설계풍속을 적용하여 구조해석을 통해 건설교통부 고시 건축구조기준⁵⁾의 강도설계법에 의한 구조적 안전성 평가함으로써 원예특작시설 설계풍속의 적절성을 평가하고 구조적 안전성을 확보할 수 있는 방안 등을 제시하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 비닐하우스의 주 부재인 서까래의 아치부분을 16개의 요소(Element)로 횡방향으로 등간격으로 나누어 Fig. 4와 같이 절점번호(Node number)를 부여하여 10-단동-4, 10-단동-6, 10-단동-7, 10-단동-10 네 가지 형태에 대해 구조해석을 수행하였는데, 이 때 사하중계수 0.9는 해석프로그램의 자중을 고려하는 데이터에 입력하여 수행하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 농림축산식품부 고시 원예특작시설내재해형 규격 설계도⋅시방서에서 제시하고 있는 단동비닐하우스 19종에 사용되고 있는 구조부재 서까래의 규격(Φ25.4×1.5 t, Φ31.8×1.5 t, Φ31.8×1.7 t, Φ42.2×2.1t) 중 비닐하우스의 동고가 가장 높으면서 폭이 가장 큰 대표 단동 비닐하우스(10-단동-4, 10-단동-6, 10-단동-7, 10-단동-10) 네 가지 형태의 단동 비닐하우스를 선정하였다. 이 네 가지 형태의 단동 비닐하우스의 규격 및 설계풍속(m/s)은 Table 1과 같다.

이론/모형

비닐하우스에 작용하는 풍하중의 크기는 건설교통부 고시 건축구조기준(2018)에 따라 계산할 수 있다.
한편 여름철에 태풍이 내륙에 상류하거나 돌풍이 부는 경우 풍하중에 의한 비닐하우스의 붕괴로 인해 농촌에 큰 농작물 피해를 주기 때문에 본 연구에서는 농림축산식품부 고시 원예특작시설 내재해형 규격 설계도⋅시방서에서 제시하고 있는 대표적인 단동비닐하우스 네 종류에 설계풍속이 작용하는 경우 구조적 안전성을 확보하고 있는지를 강도설계법으로 평가하였다.이때 Fig. 1과 Fig.

성능/효과

1. 10-단동-4, 10-단동-6, 10-단동-7, 10-단동-10 네 가지 형태의 단동 비닐하우스에 대해 구조해석 결과, 인장력은 중앙점에서 약간 적게 나타났고 나머지 모든부분에서 거의 일정한 값을 보였으며, 모멘트는 비닐하우스의 풍상향 수직부에서 아치가 시작되는 점에서 가장 크게 발생함을 알 수 있었다. 따라서 비닐하우스가 풍하중에 견고한 구조가 되기 위해서는 서까래 양끝단의 매설깊이를 깊게 하고 내재해형 조리개 설치를 견고하게 해야 하고 모멘트가 크게 발생하는 수직부에서 아치부가 시작되는 점을 보강할 필요가 있을것이다.
2. 10-단동-4, 10-단동-6, 10-단동-7, 10-단동-10 네 가지 형태의 단동 비닐하우스에 대해 구조해석을 하고 강도설계법의 조합강도비에 의한 안전성 검토를 한 결과, 구조적으로 안전성을 크게 확보하고 있지 않은 것으로 나타났는데, 이는 강풍이나 태풍이 오는 경우 비닐하우스의 경제적인 이유로 인해 강한 풍하중을 비닐하우스를 덮고 있는 비닐이 먼저 파괴되도록 허용하여 매우 큰 풍하중이 비닐하우스 서까래에 직접적으로 전달되지 않도록 고려한 것으로 생각된다.

후속연구

따라서 본 연구결과를 종합해 보면 여름철 돌풍이 불거나 태풍이 불어오는 경우 풍하중에 의한 비닐하우스의 붕괴사고를 미연에 방지하기 위해서는 다양한 방안들을 고안할 필요가 있는데, 비용을 증가시키지 않는 방안 중에 일기예보를 참고하여 태풍이나 돌풍이 불어 올 경우에는 풍하중의 반사면적을 줄이기 위해 비닐을 철거했다가 태풍이나 돌풍이 지나간 후 다시 설치하는 매뉴얼을 제작하여 홍보하는 것도 하나의 대안이 될 것으로 사료된다.
10-단동-4, 10-단동-6, 10-단동-7, 10-단동-10 네 가지 형태의 단동 비닐하우스에 대해 구조해석 결과, 인장력은 중앙점에서 약간 적게 나타났고 나머지 모든부분에서 거의 일정한 값을 보였으며, 모멘트는 비닐하우스의 풍상향 수직부에서 아치가 시작되는 점에서 가장 크게 발생함을 알 수 있었다. 따라서 비닐하우스가 풍하중에 견고한 구조가 되기 위해서는 서까래 양끝단의 매설깊이를 깊게 하고 내재해형 조리개 설치를 견고하게 해야 하고 모멘트가 크게 발생하는 수직부에서 아치부가 시작되는 점을 보강할 필요가 있을것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비닐하우스란 무엇인가?	비닐하우스는 외부 피복재가 PE, EVA, PVC 등의 플라스틱소재로 되어 있는 온실을 말하며, 온실의 골조는 아연도용융 원형강관, 사각관 등의 철재류, 스프링강인 조리개와 볼트 또는 피스나사못 등 조립재 등으로 구성되어 있다. 비닐하우스는 설치비용이 매우싸고 쉽게 시공할 수 있어 농가에서 많이 이용하는 농가 시설물로서 유리온실에 비해 광투과성, 보온성, 환경제어, 안전성 등이 다소 떨어지나 겨울철에 난방과보온을 하여 작물을 재배할 수 있기 때문에 토마토, 오이 등의 과채류(果菜類), 상추, 시금치, 겨울배추 등의 엽채류(葉菜類), 장미, 백합, 국화, 글라디올러스 등의 화훼류(花卉類) 등을 재배하는데 주로 이용되고 있다.
	SPVH 대신에 SPVHS를 사용한 이유는 무엇인가?	비닐하우스의 기상재해로 인한 정확한 피해액 통계를 파악하는 것은 어려움이 있으나, 1998년부터 2015년까지 연 평균 767억원의 피해액과 20,279 ha(원예시설면적의 40% 수준)의 누적 피해면적을 보였으며, 이중특히 태풍에 의한 피해는 46.7%를 차지하고 있는 것으로 나타났다.
	비닐하우스의 특징은 무엇인가?	비닐하우스는 외부 피복재가 PE, EVA, PVC 등의 플라스틱소재로 되어 있는 온실을 말하며, 온실의 골조는 아연도용융 원형강관, 사각관 등의 철재류, 스프링강인 조리개와 볼트 또는 피스나사못 등 조립재 등으로 구성되어 있다. 비닐하우스는 설치비용이 매우싸고 쉽게 시공할 수 있어 농가에서 많이 이용하는 농가 시설물로서 유리온실에 비해 광투과성, 보온성, 환경제어, 안전성 등이 다소 떨어지나 겨울철에 난방과보온을 하여 작물을 재배할 수 있기 때문에 토마토, 오이 등의 과채류(果菜類), 상추, 시금치, 겨울배추 등의 엽채류(葉菜類), 장미, 백합, 국화, 글라디올러스 등의 화훼류(花卉類) 등을 재배하는데 주로 이용되고 있다. 비닐하우스의 종류는 지붕의 형태와 형상에 따라 터널형, 아치형, 지붕형 등으로 분류할 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 있다1).

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.
S. W. Paik, "A Study on the Structural Safety Analysis for Vinyl House at Snow Load", J. Korean Soc. Saf., Vol. 34, No. 3, pp. 34-39, 2019.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, "Architectural Design Specification", 2018.
S. H. Cho, "Estimation of Modal Parameter for Plastic Film-Covered Greenhouse Arches", Journal of Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 14, No. 2, pp. 67-74, 2010.

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