[논문]풍.설해경감을 위한 비규격 비닐하우스의 최적설계를 위한 기초분석

이종원; 이석건; 이현우; 박춘욱

문제 정의

이러한 최적화 모델의 개발에 앞서 선행되어야 할 것은 소형 비닐하우스의 구조해석을 위한 프로그램 개발과 구조특성을 분석하는 것이다. 따라서, 본 연구에서는 소형비닐하우스 구조해석 프로그램을 개발하여 검정하고, 소형 비닐하우스의 구조특성을 분석하였다.

제안 방법

일반적으로 구조물의 해석은 2차원과 3차원으로 수행할 수 있으며, 온실의 구조해석은 2차원 평면에서 대부분 이루어지므로 가로대의 구조해석은 수행되지 않는 실정이다. 가로대의 구조특성을 분석하고자 2차원 온실모델과 3차원 온실모델의 구조해석 결과를 비교.분석하였으며, 가로대의 적정 설치갯수를 파악하고자 국부적인 하중을 적용하여 최대휨모멘트를 산정 하였다.
가로대의 구조특성을 분석하고자 2차원 온실모델과 3차원 온실모델의 구조해석 결과를 비교.분석하였으며, 가로대의 적정 설치갯수를 파악하고자 국부적인 하중을 적용하여 최대휨모멘트를 산정 하였다.
2와 같은 요소의 강성 매트릭스를 유도하기 위해서는 요소의 경사각 Ø가 0인 보요소의 경우에 대해서 강성 매트릭스를 구하고 이 강성 매트릭스를 좌표변환 매트릭스를 이용하여 변환시킴으로써 요소의 강성 매트릭스를 형성할 수 있다. 뼈대 구조를 형성하고 있는 각 요소의 강성 매트릭스를 뼈대 구조의 기하학적 구성에 따라 조합함으로써 전체 뼈대 구조의 정적 해석을 수행하게 된다. 본 연구에서 사용한 응력해석 프로그램의 흐름도은 Fig.
소형 비닐하우스의 최적 설계를 위해서는 지역과 재배작물에 따른 하우스 형상과 서까래 간격 등을 결정할 수 있는 최적화 모델이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 최적화 모델의 개발를 위해서는 소형 비닐하우스의 구조해석을 위한 프로그램이 필요하므로 유한요소법을 이용한 소형 비닐하우스의 구조해석 프로그램을 개발하였다.

대상 데이터

그리고, 터널재배용 하우스구조의 경제적인 설계에 관한 구체적인 연구자료 또한 미비하여 하우스의 설치가 관행과 모방에 의존하고 있기 때문에 기상재해로 인한 소형 비닐하우스의 파손으로 막대한 피해가 발생하고 있다. 실례로, 태풍과 폭설에 의한 비닐하우스 피해면적은 1999년과 2001년도에 각각 2050.78ha, 4936.43ha에 이른다. 이러한 사실을 감안할 때, 소형 비닐하우스 구조에 대한 체계적이고 공학적인 연구가 절실히 요청되고 있으며 강풍이나 폭설로 인한 하우스의 파손을 최대한 방지할 수 있는 비규격 소형 비닐하우스의 최적설계와 안전구조모델의 개발이 시급한 실정이다.

성능/효과

1. 온실의 가로대는 구조재보다는 서까래를 지지하여주는 부부재의 역할하는 것으로 나타났으나 국부 또는 집중 하중이 작용할 경우에는 가로대의 설치위치 및 개수에 따라 최대단면력이 상이하게 나타났다. 그리고, 양측벽상단에 가로대를 설치하는 것보다는 천정부위에 1개를 설치하는 것이 유리한 것으로 나타났으며 추가적인 가로대의 설치는 재배환경 등을 고려하여 결정하여야 될 것으로 판단된다.
2. 소형 비닐하우스의 구조해석을 위해 개발된 프로그램은 상용 구조해석 프로그램의 결과와 비교하였을 경우에 유사한 경향으로 나타나 소형 비닐하우스의 최적모델 개발에 유용하게 사용될 것으로 판단된다.
2차원 및 3차원 온실모델에 대하여 구조해석을 실시한 결과, 동일한 풍하중과 설하중에 있어 구조해석 결과는 동일하게 나타났다. 온실은 Shell 구조로 볼 수 있으나 구조 해석시 적용하중(자중 제외)을 모두 서까래가 분담하는 것으로 가정하므로 가로대는 구조재역할보다는 서까래의 지지대 역할을 하는 부부재로 설계되기 때문인 것으로 판단된다.
개발된 구조해석용 프로그램 (FM)과 상용 프로그램 (SAP)의 구조해석 결과는 Table 3과 같으며, Table에서 보는 바와 같이 설하중의 경우에는 최대휨모멘트가 유사하게 나타났으나 풍하중의 경우에는 다소 높게 나타났으나 온실의 구조해석시에는 크게 영향을 주지 않는 범위이므로 개발된 프로그램은 소형 비닐하우스의 최적설계시 유용하게 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
온실의 가로대는 구조재보다는 서까래를 지지하여주는 부부재의 역할하는 것으로 나타났으나 국부 또는 집중 하중이 작용할 경우에는 가로대의 설치위치 및 개수에 따라 최대단면력이 상이하게 나타났다. 그리고, 양측벽상단에 가로대를 설치하는 것보다는 천정부위에 1개를 설치하는 것이 유리한 것으로 나타났으며 추가적인 가로대의 설치는 재배환경 등을 고려하여 결정하여야 될 것으로 판단된다.
Table 2에서 알 수 있듯이 국부하중 작용시 가로대를 설치함으로써 최대휨모멘트가 감소하는 경향으로 나타났으며, 온실의 측벽상단에 가로대를 2개를 설치하는 것보다는 온실 천정부위에 1개를 설치하는 것이 유리함을 알 수 있다. 그리고, 천정부위와 측벽 상단에 가로대를 3개 설치하였을 경우의 최대휨모멘트는 1개를 설치한 경우에 비 최대휨모멘트의 감소가 미소한 것으로 나타났으며, 가로대를 지붕, 측벽상단 및 지점에 5개 및 7개를 각각 설치할 경우의 최대휨모멘트는 동일하게 나타났다.

후속연구

이러한 사실을 감안할 때, 소형 비닐하우스 구조에 대한 체계적이고 공학적인 연구가 절실히 요청되고 있으며 강풍이나 폭설로 인한 하우스의 파손을 최대한 방지할 수 있는 비규격 소형 비닐하우스의 최적설계와 안전구조모델의 개발이 시급한 실정이다. 그러나, 비규격화된 소형 비닐하우스는 지역과 재배작물에 따라 다양한 형태로 설치되고 있어 일반화 과정이 복잡하며 규격화하기가 힘든 실정이므로 소형 비닐하우스의 최적 설계를 위해서는 지역과 재배작물에 따른 하우스 형상과 서까래 간격 등을 결정할 수 있는 최적화 모델이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 최적화 모델의 개발에 앞서 선행되어야 할 것은 소형 비닐하우스의 구조해석을 위한 프로그램 개발과 구조특성을 분석하는 것이다.
이러한 사실을 감안할 때, 소형 비닐하우스 구조에 대한 체계적이고 공학적인 연구가 절실히 요청되고 있으며 강풍이나 폭설로 인한 하우스의 파손을 최대한 방지할 수 있는 비규격 소형 비닐하우스의 최적설계와 안전구조모델의 개발이 시급한 실정이다. 그러나, 비규격화된 소형 비닐하우스는 지역과 재배작물에 따라 다양한 형태로 설치되고 있어 일반화 과정이 복잡하며 규격화하기가 힘든 실정이므로 소형 비닐하우스의 최적 설계를 위해서는 지역과 재배작물에 따른 하우스 형상과 서까래 간격 등을 결정할 수 있는 최적화 모델이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 최적화 모델의 개발에 앞서 선행되어야 할 것은 소형 비닐하우스의 구조해석을 위한 프로그램 개발과 구조특성을 분석하는 것이다.

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