Estimation of Wind Pressure Coefficients on Even-Span Greenhouse Built in Reclaimed Land according to Roof Slop using Wind Tunnel

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풍동을 이용한 간척지 내 양지붕형 온실의 지붕 경사에 따른 풍압계수 평가

김락우¹·김동우²·류기철²·권경석¹·이인복¹*

1서울대학교 지역시스템공학과

2주식회사 티이솔루션

Estimation of Wind Pressure Coefficients on Even-Span Greenhouse Built in Reclaimed Land according to Roof Slop using Wind Tunnel

Rack-woo Kim¹, Dong-woo Kim², Ki-cheol Ryu², Kyeong-seok Kwon¹, and In-bok Lee¹*

1Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University, Seoul 151-921, Korea

2TESolution Co., Ansung, Gyeonggi-do Province, 456-820, Korea

Abstract. To cope with increasing of vegetables and flowers consumptions, horticulture facilities have been modern- ized. Korea government recently announced construction plan of new greenhouse complex at reclaimed land. However wind characteristics of reclaimed land is totally different from those of inland, wind pressure on greenhouse built in reclaimed land should be carefully evaluated to secure structural safety on the greenhouse. In this study, as a first step, wind pressure coefficient and local wind pressure coefficient on even-span greenhouse were measured using wind tunnel test. ESDU was adopted to realize wind characteristics of reclaimed land such as wind and turbulence profiles. From the wind tunnel test, when wind direction was 0 degree, it was concluded that KBC2009 standard underestimated scale of wind pressure coefficients at roof area of greenhouse whereas NEN-EN2002 standard underestimated those at every surface of greenhouse. When wind direction was 90 degree, both standards did not well reflect the characteristics of wind pressure distribution. From the analysis of local wind pressure coefficients according to wind direction conditions, design of covering, glazing bar of greenhouse where large effects of the local wind pressure were estimated should be well established. Wind pressure coefficients and local wind pressure coefficients according to parts of the greenhouse were finally suggested and these results could be practically used for suggesting new design standards of greenhouse.

Additional key words : Even-span greenhouse, Local wind pressure, Wind pressure, Wind pressure coefficient, Wind tunnel test

서 론

1990년대 초부터 대규모 상업적 시설 원예의 현대화 및 기업화 진행에 따라 현재 국내 시설 원예 재배 면적 규 모는 중국에 이어 일본, 스페인과 함께 2위를 차지하고 있다. 원예 시설에 대한 안정적이고 합리적인 설계가 주요 관심사로 대두된 가운데, 특히 온실의 경우 일반적인 건축 물보다 낮은 안전율로 설계가 이루어지므로 풍하중에 대 하여 취약한 경량 구조물로 간주되고 있다. 최근 최대순간 풍속이 40~60m/s에 다다르는 대형 태풍 및 강풍이 빈번하 게 발생하고 있으며 이로 인한 농촌 시설물의 피해 규모 또한 증가하고 있다. 한편 온실에 대한 구조 설계 시 활용 되고 있는 국내 설계 기준의 경우 ‘원예시설의 구조안전

기준 작성 (Architectural Institute of Korea, 1995), 온실 구조 설계 기준 및 해설 (Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 1995), 원예특작시설 내재해형 기준 지 정 고시 (Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2007) 및 건축구조기준 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2009)’ 등으로 설계 기준이 혼재되어 있어 많은 혼란이 야기되고 있다. 또한 이와 같이 국내 원예 시 설에 적용되고 있는 기준은 대부분 해외 자료를 근거로 작성된 것으로 국내 실정을 고려한 원예 시설물에 대한 합리적인 평가가 이루어지지 않아 국내에 적합한 원예 시 설물에 대한 설계 기준이 제시되고 있지 않다.

최근 정부에서는 화옹, 시화, 새만금 등 국내 간척지 총 12지구에 첨단 수출 원예단지 3,000ha, 일반 원예단 지 2,185ha 등 대규모 시설 농업 단지 조성 계획을 고 시한 바 있다 (Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2010). 그러나 간척지의 경우 풍환경이 해륙풍

*Corresponding author: [email protected]

*Received October 10, 2014; Revised October 21, 2014;

*Accepted November 10, 2014

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의 영향으로 내륙과는 다르며 지표면의 거칠기가 완만하 여 풍향이 일정하고 풍속 규모가 크며 해안에서 발생하 는 대류 순환으로 인한 난류의 영향을 강하게 받는 경 우가 많다 (Korean Meteorological Administration, 2014). 이에 간척지에 입지하는 원예 시설물의 구조적 안정성 확보를 위하여 기존의 내륙에 설치되는 온실과는 상이한 온실 설계 기준 마련이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 간척지 입지 온실의 풍환경에 따른 안정 성 평가에 앞서 기초 자료 확보를 위하여 풍동 실험을 통하여 간척지 풍환경을 설계하고 국내 대표적인 양지붕 형 온실에 대상으로 지붕 경사에 따른 풍압계수 및 국 부풍압계수를 측정하고 평가하고자 하였다.

재료 및 방법

1. 실험모형

본 연구에서는 국내 대표적인 양지붕형 온실을 대상으 로 지붕 각도에 따른 풍압계수를 측정하고 평가하고자 하였다. 양지붕형 온실의 설치 사례 분석을 통하여 지붕 각도는 실험 변수로써 22ô~32ô범주에서 2ô 간격으로 총 6개 case에 대하여 설계하였으며 풍동 실험에 사용된 축 소 모형의 축척은 1:20으로 적용하였다. 축소 온실의 길 이는 온실의 폭과 높이와 비교하여 충분히 길게 제작하

여 풍동 실험 시 2차원성을 확보할 수 있도록 하였다.

실험 대상 온실의 제원은 Table 1과 같다. 풍압 측정공 은 온실 지붕면에 총 360개소를 설치하였으며 국부 풍 압 계수 측정을 위하여 각 모델의 모서리 부분에 풍압 공을 집중적으로 설치하였다.

2. 실험 풍동

풍동은 인위적으로 바람의 특성을 구현하고 제어하여 경 계 조건을 구성한 후 연구 대상의 압력, 기류, 열, 소음 등 을 분석하기 위한 시설을 의미한다. 환경 조건의 제어가 어려운 실제 외부 환경과는 달리 풍동 실험의 경우 상사 법칙을 적용하여 계통적으로 변화시킨 축소 모형을 사용함 으로써 분석 대상에 대하여 해석을 수행할 수 있으며 환경 조건 또한 인위적으로 용이한 제어가 가능하여 비용적인

Table 1. Specific information of full-scale greenhouse model according to type.

Types Width, m Length, m Side height, m Height, m Roof slope, ^o

Type-EV-22 7.0 44.0 2.0 3.41 22

Type-EV-24 7.0 44.0 2.0 3.56 24

Type-EV-26 7.0 44.0 2.0 3.71 26

Type-EV-28 7.0 44.0 2.0 3.86 28

Type-EV-30 7.0 44.0 2.0 4.02 30

Type-EV-32 7.0 44.0 2.0 4.19 32

Fig. 1. Scaled greenhouse model for wind tunnel test.

Fig. 2. Schematic view of experimental wind tunnel (Unit: mm).

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면에서도 경제성을 띄며 단시간에 방대한 양의 데이터를 확보할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 경기도 안성시에 위치한 티이솔루션에 설치된 대형 경계층 풍동 실험동을 이용하였다 (Fig. 2). 풍동의 전장은 36.825m, 측정부의 크기는 폭 8.0m, 높이 2.5m, 길이 23.0m 이며 Effel type의 풍동으로 분류된다. 실험 수행을 위한 Turntable의 직경은 3.0m 크기이며 ±250^o회전이 가능하 도록 설치되어 있다. 흡입식 송풍기 3대가 설치되어 있 으며 1기의 크기는 직경 1.5m, 최대 1,200rpm 규모로 실험장 내 0.3~11.5m/s 범위의 풍속 제어가 가능하다.

높이에 따른 물리적 특성치 측정을 위한 Traverse 시스 템의 경우 측정 범위가 x축 방향 3.0m, y축 방향 3.0m, z축 방향 1.35m로 전동식으로 이동이 가능하다. 측정부 에서의 난류 강도는 0.5% 미만이며 풍속 분포의 편차는

±1.0% 이하이다.

3. 간척지 풍환경의 풍동 내 재현

자연 상태의 기류 특성은 지표면의 거칠기에 따라 평

균 풍속 및 난류 강도 (turbulence intensity)의 고도 분 포가 다르게 되며 풍동 실험에 적용하기 위해서는 합리 적인 상사 과정이 필수적이다. 본 연구에서는 간척지 기 류 특성을 재현하기 위하여 국내 대표적인 간척지 8개 지역 (화옹, 시화, 석문, 이원, 고흥, 영산강, 새만금) 대 상으로 ESDU (Engineering Sciences Data Unit, 01008, HIS, UK) 프로그램을 이용하였다. 일반적으로 자연풍의 경우 지표면의 형상 및 표면 거칠기 등에 따른 점성의 영향으로 지표면 인근에서는 산란되고 고도에 따라 풍속 규모가 점차 증가하는 연직 분포를 띄게 된다. ESDU는 풍속 프로파일 및 난류 강도를 설계하기 위한 프로그램 으로 지표면 상태, 지형의 영향, 돌풍 출현 빈도 등을 고려하여 고도에 따른 시간 평균 풍속, 난류의 u, v, w 성분 및 스케일 설계에 사용된다. 본 연구에서는 간척지 특성을 고려하여 지표면 상태에 대한 평가를 실시한 후 연직 분포 지수 (power law exponent) 값으로 0.15를 적 용하였다. Fig. 3은 풍동 실험장 내에서 조도블럭, 스파이 어, 배리어 등을 이용하여 간척지 대기 경계층을 설계하

Fig. 3. Design of wind and turbulence profile using roughness block, spires and barriers in wind tunnel.

Fig. 4. Designed wind profile (a) turbulence intensity profile (b) and measured power spectal density (c) according to ESDU and wind tunnel test.

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는 장면이다. Fig. 4은 풍동에서 구현한 간척지 특성을 고려한 풍속, 난류 강도 프로파일, 풍동 높이 40cm에서 측정한 실험 풍속의 파워스펙트럼밀도 (power spectral density)이다. 파워스펙트럼밀도는 카르만 (Karman) 형에 의거하여 근사를 실시하였다.

4. 풍동 실험 및 해석 조건

일반적으로 축소모형을 이용하는 풍동 실험에서는 실제 온실과 축소 모형에 대한 상사법칙이 만족되어야 한다.

Table 2에 풍동 실험을 위한 상사 법칙 및 계측 데이터의 수집조건을 나타내었다. 풍동 내 실험 풍속의 경우 온실모 형의 지붕면 평균 높이 기준 6.0m/s를 적용하였다.

풍동 실험을 통하여 측정한 모형 온실의 각 측정지점 별 풍압계수는 식 (1)에 의하여 평가하였다. 풍압계수를 산정할 때 기준이 되는 기준 속도압은 온실의 지붕면 평균 높이에서의 값을 적용하였다. 여기서, 지붕면 평균 높이는 온실의 측고와 동고의 중간지점으로 하였다.

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식 (1)에서 Cp는 평균 풍압 계수, Pi는 각 측정지점의 풍압 (mmH2O), q_H는 온실의 지붕면 평균 높이에서의 설계 속도압 (mmH2O)을 의미한다.

Fig. 5는 축소 모형을 이용한 풍압 실험 전경 및 각 측 정부에서의 풍압 계수 측정을 위한 다채널 풍압계 설치 장면이다. 본 연구에서 사용된 풍압계는 512개 채널을 동 시에 측정할 수 있는 다채널 풍압계로, 그 사양은 Table 3과 같다. 풍압측정 범위는 5-inH2O이며 샘플링 주파수는 625Hz이다. 또한 온실모형에 작용하는 풍압을 다채널 풍 압계로 전달하는 과정에서 풍압 튜브로 인하여 발생하는 압력전달특성은 압력 전달 보정시스템에 의거하여 보정 을 실시하였다.

풍동 실험을 통하여 측정한 각 부분별 풍압계수를 토 대로 국토교통부고시 건축구조기준 및 해설 (KBC, 2009), 일본건축학회 건축물하중지침 및 해설 (AIJ, 2004), 네덜란드 온실기준 (NEN-EN, 2002)의 제시된 값 과 비교 분석을 실시하였다. 양지붕형 온실의 형상과 유 사한 건물의 풍압 계수와 관련하여 KBC 2009의 경우, 지붕 경사에 따라 벽면 및 지붕면에 대해 하나의 풍압 계수를 제시하고 있으나, AIJ2004의 경우 지붕 경사 및 건물의 폭, 깊이 및 높이의 형태에 따라 벽면 및 지붕면 에 대한 풍압 계수와 국부적으로 작용하는 국부 풍압을 각각 제시하고 있다. 또한 NEN-EN 2002의 경우, 지붕 C_p P_i

q_H ---

=

Table 2. Design chracteristics and variables of wind tunnel test.

Contents

Length scale 1 : 20

Wind velocity scale 1 : 6

Time scale 1 : 3.33

Sampling frequency 800Hz

Number of moving average 240 Number of measurement trial 5

Number of data 720,000/ch

Fig. 5. Experimental view of wind tunnel test using scaled greenhouse (a) and installation of multi-channel pressure array module (b).

Table 3. Information of multi-channel pressure array module.

Model ZOC33/64Px×8

Manufacture Scanivalve, USA Range of measurement 0~5inH₂O

Measurement error ±0.15%

Maximum endurance pressure 50psig(350kPa) Range of resolution 0~625hz

Size of sensors 36.42cm×42.8cm×126.37cm

Number of channels 512-ch

Power 220V

Size of main-module 255(B)×205(D)×460(L) Software for analysis Scantel

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경사에 따라 벽면 및 지붕면에 대한 풍압 계수를 제시 하고 있으며, 피복제 및 창틀 등의 설계를 위한 국부 풍 압 계수를 별도로 제시하고 있다.

이와 같이 각 관련기준에서 풍압 계수의 제시방법이 상이하기 때문에 본 연구에서는 풍동 실험으로부터 평가 한 풍압 계수를 관련 기준과의 비교를 위해 Fig. 6과 같 이 벽면 및 지붕면에 대해 각 부위에 대한 명칭을 부여 하였다. 용마루 직각 방향 (이하, 풍향 0^o라 지칭)의 경 우, 풍상측 (windward) 벽면을 WW, 풍상측 지붕면의 정 압 (positive pressure) 및 부압 (negative pressure)을 각 각 RW(+), R_W(−), 풍하측 (leeward) 지붕면의 단부 및 중앙부를 각각 RL1, R_L2, 풍하측 벽면의 단부 및 중앙부 를 각각 WL1, W_L2로 명칭하였다. 용마루방향 (이하, 풍 향 90^o라 함)의 경우, 풍측면 벽면의 풍상측 1단부, 2단 부 및 풍하측 부를 각각 WS1, W_S2, W_S3, 풍측면 지붕 면의 풍상측 1단부, 2단부 및 풍하측 부을 각각 RS1, R_S2, R_S3로 명칭하였다.

온실의 국부적으로 작용하는 국부풍압의 특성을 분석 하기 위해 온실의 풍압 측점 지점에 대한 풍향별 풍압 계수를 평가하였다. 풍향은 용마루 직각방향을 0ô로 정 의하였으며 22.5ô간격으로 용마루 방향인 90ô까지 총 5 개 풍향을 실험 변수로 하여 풍압 계수를 측정하고자 하였다.

결과 및 고찰

1. 풍향이 0^o일 때 측정 지점별 풍압계수 특성 및 관 련 기준과 비교 분석

풍향 0^o인 조건일 경우 측정 지점별 풍압계수를 국외 관련 기준 값과 비교하여 Fig. 7에 도시하였다. 풍상측 벽면 (WW)의 경우, 벽면의 중앙부 (C08열)에서 가장 큰 정압을 나타내고 있으며 온실의 출입구 쪽의 단부로 갈 수록 정압의 값이 감소하는 경향을 나타내고 있다. 최단 부 지표면부근의 측정부에서는 비교적 작은 부압의 값을 나타내고 있다. Fig. 8(a)를 보면 지붕 각도가 커질수록 풍상측 벽면의 정압은 다소 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 단부 (C01열, C02열, C03열, C13열, C14열, C15열)를 제외한 정압계수는 0.4~0.75의 값을 나타내고 있다. 한편, 관련 기준에서 풍상측 벽면의 풍압계수는 KBC2009의 경우 0.8, AIJ2004의 경우 0.6, NEN- EN2002의 경우 0.6을 제시하고 있다. 이러한 결과로부 터 풍상측 벽면의 풍압계수의 경우 KBC2009는 약간 안 전측으로 평가하고 있으며, AIJ2004 및 NEN-EN2002의 경우 과소평가하고 있는 것으로 나타났다.

풍상측 지붕면 (RW)의 경우, 정압 계수는 C08열을 포 함한 중앙부에서 큰 값을 나타내고 있으며, 부압 계수는 C01, C15열을 포함한 단부에서 큰 값을 나타내고 있다.

Fig. 6. Definition of each surface of scaled greenhouse according to wind direction.

Fig. 7. Wind pressure coefficient of each measure point; Type EV-26 (Wind direction : 0^o).

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특히 단부의 용마루 (Ridge) 및 처마 (Eave)부분에서 국 부적으로 큰 부압을 나타내고 있다. Fig. 8(b)를 보면 알 수 있듯이 지붕 경사가 커질수록 부압이 점차 감소하는 것으로 나타났다. 관련 기준의 풍상측 지붕면의 풍압계 수는, KBC2009의 경우 정압에 대해서는 언급하고 있지 않으며 부압은 지붕경사에 따라 −0.64~ −0.1의 값을 제 시하고 있다. AIJ2004의 경우 정압은 0.24~0.10, 부압은

−0.36~ −0.14의 값을 제시하고 있으며, NEN-EN2002의 경우 정압은 지붕 경사에 상관없이 0.2, 부압은 지붕 경 사에 따라 −0.4~0의 값을 제시하고 있다. 단, NEN- EN2002의 경우 지붕 경사는 22^o~26^o만 제시하고 있다.

풍상측 지붕면 내 정압의 경우 AIJ2004와 NEN- EN2002 모두 약간의 안전측으로 평가하고 있으며, 부압 의 경우 단부에서 모든 관련 기준은 전반적으로 과소평 가하고 있는 것으로 나타났다.

풍하측 지붕면 (RL)의 경우, C08열을 포함한 중앙부에 서 −0.6~ −0.8의 값을 나타내고 있으며, C01, C15열을 포함한 단부에서 −0.8~ −1.1의 값을 나타내고 있다. 또 한 Fig. 8(c)를 보면 지붕 각도에 따라 풍압 계수의 차 이는 없으며, 중앙부와 용마루 및 처마 부분에서의 풍압 계수도 비슷한 값을 나타내고 있다. 풍하측 지붕면에 대 해서 KBC2009의 경우 지붕 각도에 상관없이 −0.7의 값 을 제시하고 있으며, AIJ2004의 경우 지붕 각도에 상관 없이 단부 (RL1)에서 −1.4, 중앙부 (RL2)에서 −0.6의 값 을 제시하고 있다. NEN-EN2002의 경우 지붕 경사에

상관없이 −0.55의 값을 제시하고 있다. 풍동 실험 결과 와 비교해서 AIJ2004의 경우만 중앙부 및 단부에서의 풍압계수를 비교적 안전측으로 평가하고 있으며, KBC2009와 NEN-EN2002의 경우는 단부에서 풍압 계 수를 과소평가하고 있은 것으로 나타났다. 이상의 결과 와 같이, 온실의 단부와 중앙부에 작용하는 풍압의 크기 가 매우 다른 값을 나타내기 때문에 온실구조물과 같이 길이 방향으로 길고 단부와 중앙부의 골조 (파이프)가 일체 거동을 전재할 수 없는 구조물의 경우 단부와 중 앙부에 대한 풍압계수를 구분하여 제시하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.

풍하측 벽면 (RL)의 경우, C08열을 포함한 중앙부에서

−0.5~ −0.8의 값을 나타내며, C01, C15열을 포함한 단부 에서 −0.8~ −1.0의 값을 나타내고 있다. 또한 Fig. 8(d) 에 나타낸 것처럼 지붕 각도에 따라 풍압 계수는 비교 적 비슷한 값을 가진다. 풍하측 벽면에 대해서 KBC2009의 경우 지붕 각도에 상관없이 −0.5의 값을 제 시하고 있으며, AIJ2004의 경우 지붕 각도에 상관없이 단부(RL1)에서 −0.8, 중앙부 (RL2)에서 −0.5의 값을 제 시하고 있다. NEN-EN2002의 경우 지붕 경사에 상관없 이 −0.3의 값을 제시하고 있다. 풍동 실험 결과로부터 AIJ2004의 경우만 중앙부 및 단부에서의 풍압 계수를 비교적 적절하게 평가하고 있으며, KBC2009와 NEN- EN2002의 경우 단부에서 풍압 계수를 과소평가하고 있 는 것으로 나타났다. 풍하측 지붕면과 마찬가지로 온실

Fig. 8. Wind pressure coefficient according to section of greenhouse (Wind direction : 0^o).

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의 경우 단부와 중앙부의 풍압 계수를 구분하여 제시하 는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

이상의 결과와 같이, 풍동실험 결과로부터 온실의 각 부위에 대한 풍압계수를 관련 기준에서 제시하고 있는 값과 비교한 결과, KBC2009의 경우 온실의 중앙부에 대한 풍압 계수에 있어서는 어느 정도 안전측으로 평가 하고 있으나 온실의 단부에 대해서는 과소평가하고 있는 것으로 판단된다. NEN-EN2002의 경우 온실의 각 부분 에 대해서 전반적으로 풍압 계수를 과소평가하고 있는 것으로 나타났다. AIJ2004의 경우 온실의 중앙부와 단부 에 대해서 비교적 적절한 풍압 계수를 제시하고 있는 것으로 나타났다. 그러나, 모든 관련기준에서 단부의 용 마루 및 처마부분의 국부풍압에 대해서는 비교적 풍압계 수를 과소평가하고 있는 것으로 나타났으며, 이러한 국 부풍압에 의한 피복재 (covering) 및 창틀 (glazing bar) 등의 안정성에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

2. 풍향이 90^o일 때 측정 지점별 풍압계수 특성 및 관련 기준과 비교 분석

풍향 90^o일 경우의 측정 지점별 풍압 계수를 관련 기 준과 비교하여 Fig. 9에 표시하였다. Fig. 10(b)를 보면 풍측면 지붕면 (RS)의 경우 풍압 계수의 크기는 온실의

지붕 경사에 따라 비슷한 수준으로 나타났다. C15열, C14열, C13열 부근에 대한 풍상측 출입구 1단부 (RS1) 의 풍압 계수는 −1.0~ −1.2의 값을 나타냈고, C12열 부 근에 대한 풍상 측 2단부 (RS2)의 풍압 계수는 −0.4~ −0.6 의 값을 나타냈으며, C11열~C01열의 풍하측 (RS3)의 풍 압 계수는 0~ −0.2의 값을 나타냈다. 풍측면 지붕면에 대해서 관련 기준에서 제시하고 있는 값을 살펴보면, KBC2009의 경우 지붕 각도 및 부위에 상관없이 −0.7의 값을 제시하고 있으며, NEN-EN2002의 경우 지붕 경사 및 부위에 상관없이 −0.2의 값을 제시하고 있다.

AIJ2004의 경우 지붕 각도에 상관없이 부위에 따라 풍 상측 1단부에서 −0.8, 풍상측 2단부에서 −0.4, 풍하측에 서 −0.2의 값을 제시하고 있다.

풍측면 벽면 (WS)의 경우, Fig. 10(a)에서 표시된 것처 럼 측정 지점별 풍압 계수의 크기는 온실의 지붕 경사 에 따라 비슷한 수준으로 나타났다. C15열, C14열, C13 열 부근에 대한 풍상측 출입구 1단부 (WS1)의 풍압계수 는 −0.7전후의 값을 나타냈고, C12열 부근에 대한 풍상측 2단부 (WS2)의 풍압 계수는 −0.4~ −0.6의 값을 나타냈으며, C11열~C01열의 풍하측 (WS3)의 풍압 계수는 0~ −0.2의 값 을 나타냈다. 풍측면 지붕면에 대해서 관련 기준에서 제시 하고 있는 값을 살펴보면, 풍측면 벽면에 대해서

Fig. 9. Wind pressure coefficient of each measure point; Type EV-26 (Wind direction : 90^o).

Fig. 10. Wind pressure coefficient according to section of greenhouse (Wind direction : 90^o).

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KBC2009의 경우 지붕 각도 및 부위에 상관없이 –0.7의 값을 제시하고 있으며, NEN-EN2002의 경우 지붕 경사 및 부위에 상관없이 −0.2의 값을 제시하고 있다.

AIJ2004의 경우 지붕 각도에 상관없이 부위에 따라 풍 상측 1단부에서 −0.7, 풍상측 2단부에서 −0.4, 풍하측에 서 –0.2의 값을 제시하고 있다.

이상의 결과와 같이 풍향 90^o에 대한 풍측면의 벽면 및 지붕면에 대한 풍압 계수를 관련 기준에서 제시한 값과 비교해본 결과, KBC2009의 경우 풍상측 1단부의 벽면 및 지붕면을 제외한 모든 부위에서의 풍압 계수를 안전측 또는 과대평가하고 있으며, 풍상측 1단부의 벽면 및 지붕면에 대한 풍압계수는 과소평가하고 있는 것으로 나타났다. NEN-EN2002의 경우 풍하측 벽면 및 지붕면 에 대한 풍압 계수는 안전측으로 평가하고 있지만, 풍상 측 1, 2단부의 벽면과 지붕면에 대한 풍압 계수는 과소 평가하고 있는 것으로 나타났다. AIJ2004의 경우 풍상측 1, 2단부 및 풍하측으로 구분하여 각각 풍압계수를 제시 하고 있으며, 풍상측 1단부의 벽면 및 지붕면에 대한 풍

압 계수는 약간 과소평가하고 있는 것으로 나타났다.

3. 풍향에 따른 측정지점별 풍압계수 특성

온실에 국부적으로 작용하는 국부 풍압의 특성을 분석 하기 위하여 온실의 풍압 측점 지점에 대한 풍향별 풍 압 계수를 평가하였다. 지붕 각도에 따른 각 온실에 대 해 풍향별 국부 풍압을 평가한 결과 지붕 각도에 따라 서는 풍압 계수의 차이는 있지만 풍압 계수의 분포특성 은 비슷한 경향을 나타내는 것으로 판단되었다. 따라서, 본 연구에서 풍향별 풍압분포특성의 경우 지붕경사 22^o 의 온실 (Type EV-22)에 대해서만 분석을 실시하였다.

각 풍향에 대한 풍압 지점별 풍압 계수를 관련 기준의 값과 비교하여 Fig. 11에 도시하였다. 각 풍향에 대한 풍압 지점별 풍압 계수의 분포 특성으로부터 풍향 0ô~45ô에서는 관련 기준의 풍향 0ô(용마루 직각 방향)의 값과 비교하였으며, 풍향 67.5ô~90ô에서는 풍향 90ô (용 마루 방향)의 값과 비교하였다.

풍향 0^o의 경우, 풍하측 지붕면의 단부에서 용마루 양

Fig. 11. Wind pressure coefficient according to wind direction; Type EV-22.

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쪽 단부에서 나타나는 와류 (conical vortex)의 영향으로 큰 부압이 발생하고 있는 것으로 나타났으며 부압 계수 의 최대값은 −1.06으로 산출되었다. 풍향 0ô의 경우 부 압 계수의 최대값은 AIJ2004의 값 (RL1=−1.4)보다 다 소 작은 값으로 나타났다. 풍향이 22.5ô, 45ô로 증가함 에 따라 한 쪽 단부의 풍하측 지붕면에서 국부적으로

부압은 급격히 증가하게 되며 부압 계수의 최대값은 풍 향 22.5^o에서 −3.65로 나타났다. AIJ2004의 경우 이와 같은 국부 풍압의 영향을 고려하여 풍하측 지붕면의 단 부에 대한 풍압 계수를 중앙부에 비해 큰 값 (RL1=−1.4) 으로 제시하고 있지만, 국부적으로 보다 큰 부압이 작 용하는 부분에 대해서는 추가적인 검토가 필요할 것으 Fig. 11. Wind pressure coefficient according to wind direction; Type EV-22.

(10)

로 판단된다. 특히 온실과 같은 구조물에 있어서 국부 적인 풍압의 영향을 받는 피복재, 창틀 등의 설계에 이 와 같은 국부 풍압의 영향을 고려해야 할 것으로 판단 된다.

4. 온실의 부위별 풍압계수 제안

양지붕형 온실의 지붕경사에 따른 풍압 측정 지점별 풍압 계수 분포 특성으로부터 온실의 설계를 위한 풍압 계수를 제안하였다. 풍압 계수는 온실의 전체에 작용하 는 풍압을 대상으로 하는 구조 검토를 위한 풍압 계수 와 국부적인 풍압을 대상으로 하는 피복재, 창틀의 설계 를 위한 국부 풍압 계수로 구분하여 제안하였다. 온실의 각 부위별 풍압계수는 각 풍압 측정 지점별 풍압 계수 와 그 풍압 측정 지점의 분담 면적의 곱을 온실의 각 부위의 면적으로 나눔 (이하, 풍압계수의 면적평균이라 함)으로써 평가하였다. 또한, 국부 풍압 계수를 위한 온 실의 부위 구분은 관련 기준 마다 각기 다른 형태로 제 안하고 있으며, 특히 KBC2009, AIJ2004에서는 온실과

같이 폭과 높이에 비해 길이가 매우 긴 구조물과는 다 소 상이한 구조물에 대해서 다루고 있기 때문에, 본 연구 에서는 측정지점별 풍압 계수 분포도를 참고하여 온실의 측고를 기준으로 Fig. 12, Fig. 13과 같이 구분하였다. 풍 압계수를 제안함에 있어서, 풍압계수가 온실의 지붕경사 에 따라 특정한 경향을 나타내는 경우에는 지붕 경사를 변수로 하는 제안식의 형태로 제시하였으며, 풍압 계수 가 지붕 경사에 따라 특정한 경향이 없이 일정한 범위 에 흩어져 있는 경우에는 모든 값을 포함하여 대표할 수 있는 하나의 값으로 제안하였다.

Fig. 12. Section of greenhouse for analyzing wind pressure coefficient.

Fig. 13. Section of greenhouse for analyzing local wind pressure coefficient.

Table 4. Wind pressure coefficient of each section (Wind direction 0^o).

Wind direction

Section of greenhouse

Wind pressure coefficient Roof angle

α=22ô α=24ô α=26ô α=28ô α=30ô α=32ô

0°

W_W Experimental value 0.64 0.61 0.57 0.56 0.53 0.50

Proposal value -0.014α+0.95

R_W Experimental value -0.33 -0.25 -0.23 -0.18 -0.13 -0.07

Proposal value -0.024α+0.86

R_L Experimental value -0.85 -0.84 -0.89 -0.91 -0.88 -0.85

Proposal value All, -0.90

W_L Experimental value -0.67 -0.68 -0.71 -0.72 -0.71 -0.73

E_S Experimental value -0.92 -0.90 -0.99 -0.96 -0.95 -0.96

(11)

Table 5. Wind pressure coefficient of each section (Wind direction 90^o).

Wind direction

α=22ô α=24ô α=26ô α=28ô α=30ô α=32ô

90°

W_W Experimental value -0.22 -0.21 -0.22 -0.23 -0.23 -0.22

R_W Experimental value -0.37 -0.38 -0.41 -0.42 -0.43 -0.43

R_L Experimental value 0.66 0.62 0.57 0.56 0.57 0.58

W_L Experimental value -0.34 -0.29 -0.31 -0.29 -0.27 -0.26

E_S Experimental value -0.92 -0.90 -0.99 -0.96 -0.95 -0.96

Table 6. Local wind pressure coefficient of each section (Wind direction 0^o).

Wind direction

α=22ô α=24ô α=26ô α=28ô α=30ô α=32ô

0°

R_W1 Experimental value -0.54 -0.48 -0.34 -0.27 -0.17 -0.09

Proposal value 0.046α−1.55

R_W2 Experimental value -0.45 -0.28 -0.19 -0.11 -0.03 0.05

Proposal value 0.0485α−1.5

R_L1 Experimental value -1.53 -1.71 -1.78 -1.78 -1.73 -1.71

Proposal value 0.0066α²−0.37α+3.4

R_L2 Experimental value -1.44 -1.46 -1.59 -1.66 -1.57 -1.51

Proposal value 0.006α²−0.384α+3.0

E_S1 Experimental value -1.23 -1.27 -1.36 -1.30 -1.27 -1.27

Proposal value -1.3

E_S2 Experimental value -0.95 -0.89 -1.03 -0.99 -0.99 -0.99

Proposal value -1.0

Table 7. Local wind pressure coefficient of each section (Wind direction 90^o).

Wind direction

α=22ô α=24ô α=26ô α=28ô α=30ô α=32ô

90°

W_S1 Experimental value -0.72 -0.70 -0.68 -0.66 -0.67 -0.64

W_S2 Experimental value -0.65 -0.63 -0.66 -0.65 -0.65 -0.65

R_S1 Experimental value -1.08 -1.04 -1.14 -1.05 -1.05 -0.99

R_S2 Experimental value -0.88 -0.88 -0.87 -0.89 -0.93 -0.91

(12)

Table 4, Table 5에 풍압계수의 면적 평균으로부터 평 가한 온실의 지붕 각도에 따른 부위별 풍압 계수를 나 타내었으며, Table 6, Table 7에 지붕 각도에 따른 부위 별 국부 풍압 계수를 나타내었다.

결 론

본 연구는 국내 실정에 맞는 양지붕형 온실을 대상으 로 풍동 실험을 통해 간척지 풍환경 조건에 대하여 온실 의 풍압 측정 지점별 풍압 계수를 평가하고 관련 기준과 비교하여 그 특성을 분석하였으며, 풍압의 면적 평균으로 부터 온실 설계용 풍압 계수 및 국부 풍압 계수를 제시 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 풍향 0도 (용마루 직각 방향)에 대한 풍압계수를 검토한 결과, KBC2009의 경우 온실의 단부에 대한 풍 압 계수를 과소평가하고 있는 것으로 나타났으며, NEN- EN2002의 경우 온실의 단부를 포함한 모든 부위에서 풍압계 수를 과소평가하고 있는 것으로 나타났다.

(2) 풍향 90도 (용마루 방향)에 대한 풍압 계수를 검토 한 결과, KBC2009, NEN-EN2002의 경우 온실에 작용 하는 풍압 분포 특성을 적절히 반영하고 있지 못한 것 으로 나타났다. AIJ2004와 같이 풍압 분포 특성에 따라 풍상측 온실 끝단 1, 2단부 및 풍하측 등 온실의 각 부 위에 따라 풍압 계수를 구분하여 제시하는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다.

(3) 온실에 작용하는 풍향별 풍압 계수를 분석한 결과, 온실과 같은 구조물에 있어서 국부적인 풍압의 영향을 받는 피복재 (covering), 창틀 (glazing bar)등의 설계에 이와 같은 국부 풍압의 영향을 고려해야 할 필요가 있 는 것으로 나타났다.

(4) 온실에 작용하는 풍압 계수의 면적 평균으로부터 온실 부위별 설계용 풍압계수 및 국부 풍압계수를 제시 하였다.

이상의 결과와 같이 비교적 높이가 낮고 길이가 긴 온

실의 경우, 관련기준 KBC2009 및 AIJ2004는 온실의 각 부분에 대한 풍압 계수를 적절히 반영하고 있지 못한 것으로 나타났으며, 다양한 온실에 대한 풍동 실험 결과 를 토대로 간척지 설치 온실에 대한 설계 기준을 마련 할 필요가 있을 것으로 판단된다. 향후 연구 과제로는 다양한 온실 형태에 따른 풍압 계수 분포 특성을 분석 하고 온실 설계를 위한 풍압 계수를 제시함으로써, 온실 설계 기준의 정립을 위한 기초 자료를 축적하고자 한다.

사 사

본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호 : PJ009492) 의 지원에 의해 이루어진 것 임.

Literature Cited

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