적설하중 재하실험과 구조해석을 통한 단동 비닐하우스의 거동 연구

An Experimental and Numerical Study on the Behavior Characteristics of Single-span Plastic Greenhouse under Snow Load

Abstract

In this study, the loading test and structural analysis were performed on the snow load and the results were compared. The load plates were loaded on the roof surface of the model, and structural analysis was performed under the same conditions. The result of loading test, the maximum displacement was observed in the center of the top, and the maximum stress was observed near the bottom point. Displacement and stress were found to have a high linear relationship with the load. Comparing the structural analysis results with the loading test results, the maximum displacement difference is 4.5% and the maximum stress difference is 10.2%. It is expected that closer results can be derived if the boundary conditions for the longitudinal direction of the model are clarified during experiments and analysis.

Ⅰ. 서론

기상재해로 인한 농업시설 피해를 줄이기 위해 2007년 농림부는 비닐하우스 30종, 인삼재배시설 10종 등의 원예특작시설 내재해형 기준을 고시하였다 (MAF, 2007). 이후 기관이나 민간에서 지역이나 작물의 특성을 고려하여 기존의 내재해형 규격 모델을 변형시키거나 새로이 개발한 모델은 심의를 거쳐 내재해형 규격으로 등록되고 있으며, 2022년 기준으로 단동, 연동 및 광폭형 비닐하우스와 버섯재배사, 인삼재배시설 등 120종이 등록되어 있다 (RDA, 2022). 원예특작시설의 내재해형 규격으로 등록을 위한 심의 시에는 구조기술사의 구조안전성 평가를 해야 하는데, 일반적으로 유한요소법에 따른 구조해석을 시행하고 있다. 비닐하우스에 작용하는 적설하중은 온실구조설계기준과 건축구조기준 등에서 눈의 평균단위중량, 지상적설하중, 지붕적설하중계수 및 지붕경사도계수 등을 사용하여 정하고 있다. (MAF, 1999; NAS, 2015; MOLIT, 2019). 비닐하우스의 구조안전성을 검토하기 위한 해석 방법에 관한 연구가 다수의 연구자에 의해 진행되었으나, 이를 실제 적용하기 위한 실험이나 해석 방법은 구체적으로 정립되어 있지 않다.

Lee et al. (2008)는 단동 비닐하우스의 지점조건 분석을 위하여 분포하중으로 작용하는 적설 및 풍하중을 집중하중으로 환산하여 도리와 서까래의 아래쪽에 와이어를 이용한 하중 재하실험을 하였다. 시험체의 붕괴양상, 하중, 변위 및 변형도를 측정한 결과 지점조건을 매입 깊이에서 지하고정으로 하는 것이 바람직하다고 하였으며, 등분포하중을 1개의 집중하중으로 환산하여 작용시켰을 때, 온실 부재에 발생하는 최대 휨모멘트는 등분포하중 작용 시의 0.534배이고 집중하중의 개수가 증가할수록 등분포하중과 비슷한 효과를 나타낸다고 하였다.

Ogawa et al. (1989)는 단동 비닐하우스의 구조물 하부에 하중을 매다는 방식을 사용한 재하실험과 구조해석을 하였다. 매입깊이가 다른 서까래의 끝단을 고정, 힌지 등의 경계조건으로 하여 해석한 결과를 실험과 비교하여 단단한 지반에 서까래가 충분히 매입되었을 때 고정단으로 모델링 할 것을 제안하였다.

Yang and Nam (2009)은 폭설 피해를 경감시킬 수 있는 지붕형 조립식 파이프하우스를 개발하기 위하여, 휨가공 부위를 단면손실이 없는 연결구로 대체하는 것을 검토하였다. 실물 온실 모형 중앙부의 서까래와 도리가 교차되는 지점에 플라스틱 용기를 밧줄로 매달아, 그 안에 모래주머니를 올려놓아 3단계로 나누어 재하하여 적설하중 재하실험을 실시하였다.

Ogawa et al. (1989), Lee et al. (2008), 및 Yang and Nam(2009)은 실물 크기 비닐하우스에 적설하중 재하실험 시 서까래나 도리에 적설하중에 상당하는 하중을 매다는 방식을 사용하였다. 이는 실제 적설하중이 비닐하우스 지붕면에 분포하중으로 작용하는 것을 집중하중으로 환산해야 하고, 하중작용 지점의 수가 적으면 특정지점에서 과소 또는 과대하게 하중이 작용할 수 있다.

이 외에도, You (2012)는 다양한 종류의 비닐하우스에 대한 적설깊이를 알아보기 위해 인공눈을 이용하여 단동형 및 연동형 비닐하우스 축소모형에 대한 풍동실험을 실시하였다. 단동형 비닐하우스에 대한 적설실험 결과와 하중기준의 적설하중을 비교한 결과 지붕 경사각의 위치에 따라 적설실험 결과값이 차이가 있음을 보고하였다.

Han and Sim (2016)은 비닐하우스 골조시스템 개발 모델에 대하여 허니컴 형태의 골조모형을 제작하여 흙 포대를 이용한 수직 재하실험과 구조해석을 실시하였다. 적설하중을 분포하중으로 모사하였지만, 축소모형에 부재 강성에 대한 상사 등이 제대로 이루어지지 않아 실물 크기에 적용하는 데에는 한계가 있는 것으로 판단된다.

이에 본 연구에서는 실물 크기 모델에 적설하중을 모사한 분포하중을 적용하기 위해 단동 비닐하우스 지붕면의 상부에 하중판을 직접 재하하는 방법을 개발하였다. 그리고 재하실험과 동일한 방법으로 하중을 적용한 구조해석을 실시하여 모델의 거동을 분석하고 실험 결과와 비교하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 적설하중 재하실험

가. 실험모델 및 적설하중

본 연구의 적설하중 재하실험을 위한 비닐하우스 모델은 원예특작시설 내재해형 규격의 단동 비닐하우스 (10-단동-5형) (Fig. 1)의 실제 단면과 동일하게 하였으며, 실험장 여건을 고려하여 도리 방향의 길이를 3 m로 제작하였다. 실험은 경상남도 함안군에 있는 국립원예특작과학원 시설원예연구소의 구조실험동에서 실시하였다.

Fig. 1 Dimension of test model (unit: ㎜)

적설하중은 온실 구조설계기준(안) (NAS, 2015)의 식 (1)을 근거로 산출하였다. 적설하중 산정에 필요한 눈의 평균단위 중량은 Table 1에서 그 값을 정의하고 있으며, 원예특작시설 내재해형 규격에서 정하고 있는 10-단동-5형의 설계 적설심 300 mm를 기준 적설심으로 하였다. 노출계수는 바람에 의한 적설하중의 감소를 기대하기 어려운 지형에 조건으로 1을 적용하였다. 비닐하우스 지붕의 형상에 따른 지붕경사도계수는 Fig. 2에 의해 결정할 수 있는데, 지붕 표면이 미끄러지기 쉬운 경우를 적용하였다.

S = ρ ⋅ Z_s ⋅ C_e ⋅ C_s       (1)

where, S : Design snow load on curved roof (N/㎡)

ρ : Average unit weight (N/㎡/㎜)

Z_s : Design snow depth (㎜)

C_e : Exposure coefficient

C_s : Roof slope coefficient

Fig. 2 Roof slope coefficient (NAS, 2015)​​​​​​​

Table 1 Average unit weight of snow (NAS, 2015)​​​​​​​

나. 하중판 제작

비닐하우스의 경우 지붕면이 곡면으로 이루어져 있어 모든점에서 지붕경사도가 다르다. 지붕경사도계수를 결정할 때 Fig. 1과 같이 측고와 동고를 연결하여 하나의 지붕경사도를 적용하게 되면, 지붕의 중심부로 갈수록 작아지는 경사도를 반영하지 못하여 적설하중이 과소평가 될 우려가 있다. Paik(2019)은 구조해석을 통해 비닐하우스의 대표적인 형식에 설계적설심을 증가시키면서 구조안전성 평가를 하여 설계적설심의 적절성을 평가하였다. 적설하중 산정 시 지붕면을 경사각에 따라 나누어 지붕경사도계수를 다르게 적용하였다.

본 연구에서는 측고부터 동고까지의 밑변을 임의로 6 등분하여 각각의 경사도에 따라 지붕경사도계수를 다르게 적용하였으며 (Fig. 3a), 이를 토대로 중력 방향의 투영 면적은 동일하나 무게가 다른 하중판을 제작하였다 (Fig. 3c). 하중판의 재질은 무게에 따라 함석판 또는 철판을 사용하였으며, 타공의 크기와 개수를 조정하여 무게를 맞추었다. 실험 시 작업성을 고려하여 6개 구간 각각의 총 하중을 3겹으로 나누어 구성하였으며, 재하 시 하중판의 탈락을 방지하고 지붕 위에서 자연스럽게 꺾일 수 있도록 경첩을 사용하여 상호 체결하였다. Table 2에 임의로 등분한 각각의 지붕 투영면에 대한 경사도, 경사도계수 및 모델 길이 3 m에 해당하는 하중을 정리하였다.

Table 2 Total weight of load plate by roof slope​​​​​​​

* Load plate corresponding to model length of 3 m

** Refer to Fig. 3a

*** Refer to Fig. 2, Slippery surface​​​​​​​

Fig. 3 Design and assembly of load plates​​​​​​​

다. 모델 및 센서 설치

실제 비닐하우스는 지면에 서까래의 양쪽 끝단을 매입하고, 추가로 줄기초라 부르는 지면에 매입된 도리와 체결하여 지점을 형성한다. Ogawa et al. (1989)와 Lee et al. (2008)는 이러한 지점을 고정된 경계조건으로 제안하였고, 본 실험에서는 지반을 형성하는 대신 지그를 제작하여 서까래의 양쪽 끝단을 바닥에 설치된 구조물에 고정하였다. Fig. 4는 실험에 사용한 고정 지그이며, 서까래를 각각의 지그에 꽂은 후 충분히 조여 고정하였다.

Fig. 4 Fixed support using jig​​​​​​​

하중 재하로 인하여 발생한 모델의 변위를 측정하기 위해 모델의 중앙단면과 한쪽 끝단면에 수평방향으로 4개, 수직방향으로 10개의 변위계를 설치하였고, 가장 큰 응력이 발생할 것으로 예상되는 서까래 끝단 지점 부근에 6개의 변형률계를 설치하였다. 각 변위계와 변형률계의 설치 위치는 Fig. 5a에 나타나 있다. 측정에 사용된 변위계는 와이어 형식으로 세부 모델에 따라 최대 500 mm 또는 1000 mm까지 측정이 가능한 DP-E (TML, Japan)이다. 변형률계는 게이지 길이가 5 mm인 단축 변형률계인 FLAB-5 (TML, Japan)을 사용하였다. 변위와 변형률 측정데이터 획득은 다채널 동적 데이터 처리장치(TMR-720, TML, Japan)를 이용하였으며, 데이터 획득 속도는 10 Hz로 하였다.

Fig. 5 Experiment setup for loading test​​​​​​​

라. 재하실험

하중의 재하는 3겹으로 이루어진 하중판을 호이스트로 모델의 지붕 위에 내려놓는 방식을 사용하였으며, Fig. 6은 모델의 지붕면에 하중판을 내려놓은 모습이다. 하중을 재하하고 고정시키면서 발생하는 충격과 진동을 고려하여, 각 하중판재하 후 응답이 수렴할 때까지 일정 시간 동안 관찰한 후 다음 하중판을 재하하였다 (Fig. 7).

Fig. 6 Loading test

Fig. 7 Representatives of time history response during loading test

2. 구조해석

가. 해석 모델

구조해석은 구조물의 특성을 해석하는 방법으로, 설계 단계에서 구조물에 외력이 가해질 때 구조물에 발생하는 변형이나 손상을 예측하는 작업이며, 일반적으로 유한요소법이 가장 많이 사용된다. 본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하였으며, 모델의 구조재료는 KS D 3760의 비닐하우스용 아연도금강관을 사용하였으며, 적용 물성은 탄성계수 200 GPa, 항복강도 295 MPa, 인장강도 400 MPa, 푸아송비 0.29 및 비중 7.85이다. 재하실험에 사용된 모델과 동일하게 마구리 면을 형상화하지 않고 서까래와 도리로만 이루어지게 모델링 하였으며, 길이 역시 3 m로 하였다. 조리개를 사용하여 결합하는 서까래와 도리의 교차부는 강체 요소를 사용하였는데, 재하실험에서 부재의 탈락이나 붕괴가 발생하지 않았기 때문에 적절하다고 판단된다. Fig. 8에서 해석에 사용된 모델의 형상을 나타내었다.

Fig. 8 Model geometry for finite element analysis​​​​​​​

나. 해석 방법

경계조건은 Ogawa et al. (1989)와 Lee et al. (2008)를 참고하여 바닥에 고정된 서까래 끝단의 6 자유도 전체를 구속하였으며 (Fig. 9a), 실험과 동일하게 지붕면을 등분하여 하중을 재하하는 방식을 사용하였다 (Fig. 9b). 그러나 실험과는 다르게 전체 하중을 3겹으로 나누지 않고 한 번에 모든 하중을 작용시키는 정적 해석을 하였다. 하중을 순차적으로 재하한 실험에서 하중-변위 곡선이 높은 선형관계를 보였기 때문에 충격이나 진동에 의한 동적 하중 효과를 고려하지 않았다.

Fig. 9 Boundary and load conditions for finite element analysis​​​​​​​

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 재하실험

3겹의 하중판을 재하하는 동안 변위와 변형률의 시간이력 응답을 분석하여, 변위가 일정하게 수렴하는 구간의 평균값을 각 하중판 재하 시의 변위와 응력 값으로 결정하였다 (Fig. 10). 최대 변위와 최대 응력은 모두 모델의 중심 단면이 아닌 가장자리 단면에서 발생하였는데, 최대 변위는 최상단 중앙에서 아래 방향으로 121 mm, 최대 응력은 지점부에서 307 MPa로 나타났다. Fig. 10d의 응력값 결과에서 S1-S2가 가장 작고 S5-S6가 가장 크게 나타난 것으로 보아, 하중 재하 시 중심이 정확히 맞지 않아 발생한 편심으로 인해 중앙 단면이 아닌 끝 단면에서 최댓값이 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 10 Averaged displacement and stress by load step​​​​​​​

하중 재하에 따른 측정점에서의 수평과 수직 변위 및 응력은 하중과 높은 선형관계를 보이는 것으로 나타났다. 다만 Fig. 10c에서 첫 번째 하중 단계에서 S3가 다른 특성을 보이고 있는데, 하중판 재하 후 응답이 수렴하는 다른 변형률계와 다르게 값이 계속 증가하였다 (Fig. 7c). 이는 전기적인 노이즈가 유입되었을 것으로 추측되며, 두 번째 하중 단계 이후에는 응답이 수렴하였다. 측정점 대부분에서 하중-변위와 하중-응력에 대한 선형회귀식의 결정계수 (R²)가 0.98 이상으로 나타났으며, 가장 낮은 S3도 0.94로 높은 수준이다. 측정점의 변위를 이용하여 모델의 변형을 형상화하기 위해 단면의 초기상태와 하중판 재하 단계별 변위를 Table 3에 좌표 형식으로 정리하고, Fig. 11에서 측정점의 변위와 변형 형상을 나타냈다.

Table 3 Displacement of the cross-section nodes by load step

* Refer to Fig. 11a​​​​​​​

Fig. 11 Displacement of cross-section​​​​​​​

2. 구조해석

단동 비닐하우스 적설하중 구조해석 결과, 최대 변위는 지붕면의 중앙 부분에서 중력 방향으로 126.75 mm (Fig. 12a), 최대 응력은 중앙 단면 바로 옆 서까래 하단에서 342.04 MPa(Fig. 12b)로 나타났다. 실험 결과와는 다르게 모델의 중앙 단면 쪽에서 최대 변위와 최대 응력이 발생하였는데, 양쪽 끝단면을 따로 고정하지 않았어도, 하중이 중력 방향으로 제대로 재하 되었다고 판단된다. 서까래와 도리에 대한 응력 분포를 살펴보면 도리에서 발생하는 응력은 최대 7.7 MPa (Fig. 12d)로 서까래에 비해 현저하게 작게 나타났다. 이는 도리가 서까래들을 연결해주면서 전체적인 외형을 유지하는 정도의 역할을 하고, 서까래가 하중을 직접적으로 받으면서 대부분의 외력을 부담하여 지점으로 전달하는 것으로 볼 수 있다.

Fig. 12 Results of finite element analysis​​​​​​​

3. 실험과 해석 결과 비교

변위와 응력 모두 최댓값과 그 발생지점이 실험과 해석에서 다르게 나타났는데, 이는 앞에서 설명한 바와 같이 실험에서 모델의 길이가 단면에 비해 짧아 평면 거동을 유지하지 못한 영향으로 판단된다. 실험과 해석 결과를 비교해보면 최대 변위 차이는 5.75 mm, 최대 응력 차이는 35.04 MPa로 각각 4.5%와 10.2%의 차이를 보였다. Lee et al. (2008)의 고정지점 조건에서 서까래에 하중을 작용 시킨 경우에 대한 실험과 해석의 수직방향 최대변위 차이가 10.21%, 최대 응력 차이는 3.74%로 본 연구의 결과와 비슷한 수준의 오차를 보였다. 이는 본 연구에서의 재하실험 시, 정확히 중심에 하중을 가하지 못해 발생한 편심에 의한 영향으로 판단된다. 편심에 의한 영향이 없도록 정확히 중심에 하중을 가하거나 실험 시 모델을 충분히 길게 하였다면 보다 정확한 결과를 얻었을 것으로 판단된다. Fig. 13는 실험과 해석 결과에 대한 모델의 변형 형상이다.

Fig. 13 Deformation shape of cross-section (Scale factor: 3.8)​​​​​​​

Ⅳ. 결론

본 연구에서는 단동 비닐하우스에 작용하는 적설하중을 산정하고, 지붕면의 상부에 분포하중으로 작용할 수 있도록 하중판을 제작하여 재하실험을 실시하였다. 그리고 실험과 같은 형태로 적설하중을 모사하여 구조해석을 실시하였으며, 실험과 해석의 결과를 분석하고 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 단동 비닐하우스 적설하중 재하실험에서 최대 변위와 최대 응력은 모델 끝 단면의 중앙에서 121 mm, 지점부에서 307 MPa로 나타났으며, 모델의 변위 및 변형률은 하중과 높은 선형관계를 보이는 것으로 나타났다.

2) 유한요소방법에 의한 구조해석 결과를 재하실험과 비교해보면 최대 변위 차이는 5.75 mm, 최대 응력 차이는 35.04 MPa로 각각 4.5%와 10.2%의 차이를 보였다. 실험시 모델의 길이를 충분히 길게 하여 하중 재하 방향으로의 2차원 거동을 확보하면 결과 차이를 좁힐 수 있을 것으로 판단된다.

3) 적설하중 재하실험과 구조해석 결과의 유사성을 확인하였으며, 원예특작시설의 구조안정성 평가를 위한 구조해석 표준화의 기초자료로 활용하고자 한다.

4) 다만 내재해형 모델의 설계강도 이내에서 재하실험이 이루어져, 부재의 탈락 등의 손상이 발생하지 않아 모델의 선형탄성거동을 가정하여 서까래와 도리의 연결부를 강체요소로 모델링하여 구조해석을 하였다. 그러나 실제 온실에서는 서까래와 도리의 연결부에 결속조리개를 사용하고 있어, 부재 간의 마찰력을 상회하는 하중이 작용하는 경우 변위가 발생할 수 있다. 모델에 과도한 변위가 발생하는 경우의 구조해석 시에는 비선형소성거동에 대한 고려가 필요하며, 서까래와 도리의 연결부에 대한 적절한 구속조건의 설정이 필요하다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(과제번호: PJ01588902)의 지원에 의해 이루어진것임.