1. 개요
□ 연구목적
○ 연구의 필요성
지구온난화로 인해 전 세계적으로 이상기후가 나타나는데, 우리나라 에도 예외는 아니다. 또한 이상기후에 의한 피해는 매년 증가하고 있다. 그 중 하나가 겨울철 발생하는 폭설이다. 겨울철 폭설이 심화됨 에 따라 리조트, 비닐하우스, 공장과 같이 많은 구조물을 붕괴되고, 비닐하우스 붕괴로 인해 농산품 물가가 올라 일반 국민들에게도 많은 부담을 주기도 한다. 이와 같은 이유를 토대로 폭설에 견딜 수 있는 비닐하우스 모델에 대한 연구가 시급하다는 것을 알 수 있다.
○ 연구의 목적
경제성과 안정성을 고려해서 비닐하우스에 적용할 수 있는 눈의 하중 을 잘 견디는 보조뼈대를 만든다. 처음에는 비닐하우스 구조를 개선하 는 쪽으로 방향을 잡으려 했으나, 현재가 우리가 가지고 있는 실력으로 는 무리가 있고, 또 가난한 농민들도 우리가 개발한 개선된 비닐하우스 모형을 쓸 수 있어야 한다는 생각에 보조뼈대를 건설하는 쪽으로 방향 을 잡기로 했다. 우리가 현재 비닐하우스 모형이 40cm 가량의 적설량 을 버틸 수 있지만, 폭설이 내리게 되면 최대 1m 까지 눈이 내리기 때문에, 연구할 개선된 비닐하우스의 구조가 버텨야하는 목표 적설량 을 1m로 설정하였다.
□ 연구범위
○ 연구 분야 및 범위
이 연구는 기존에 나와 있지 않는 비닐하우스 보조뼈대에 관한 연구이 다. 아치나 트러스 구조와 같은 여러 가지 구조를 이용해 비닐하우스 모형을 만든 이후, 이를 하중실험과 CAE 프로그램을 이용한 시뮬레이 션 실험을 하기로 설계, 계획하였다.
○ 진행 단계
비닐하우스 모형 제작 이후, 이를 하중실험과 시뮬레이션 프로그램을 이용해 어떤 모형이 제일 효율적인지 실험을 하는 단계까지 진행을 하였다.
2. 연구 수행 내용 □ 이론적 배경
○ 현재 비닐하우스의 문제점
비닐하우스 1동의 지붕에 쌓이는 눈의 무게는 10cm당 소형 트럭 (1.5톤) 2대분의 무게와 맞먹을 정도로 무겁다. 따라서 비닐하우스 가 견딜 수 없을 정도로 많은 눈이 쌓이면 비닐하우스 지붕 중심 부에 큰 힘이 작용해 양 측면이 크게 휘면서 내려앉게 된다. 이는 지붕 중심을 받쳐줄 수 있는 기둥이 없기 때문이다. 안전 행정부 국립재난안전연구원이 제시한 붕괴 사고 예방법에 따르면 2.5cm 이상의 철재파이프를 사용해 2~6m 간격으로 비닐하우스 안에 보 조 버팀기둥을 설치하면 효과적이라는 연구결과를 발표했다. 또 비닐하우스 위의 보온 덮개나 차광망은 미리 걷어두어 눈이 지붕 에 쌓이는 것을 최소화하고 비닐하우스가 처지지 않도록 하우스 밴드(끈)를 평소보다 팽팽하게 당겨두는 것도 효과적이다. 하지만 겨울에 농사를 짓는 농민이라면 기둥을 설치하는 것은 농산물 생 산에 방해를 주기 때문에 기둥 설치는 힘들 것이다.
○ 구조
- 트러스 구조
트러스 구조란 강재(鋼材)나 목재를 삼각형 그물 모양으로 짜서 하중을 지탱시키는 구조를 말한다. 트러스는 큰 외부하중을 지지 하는 긴 경간을 가진 구조물의 부재로서 적당하다 교량이나 지붕 처럼 넓은 공간에 걸치는 구조물로 많이 쓰인다. 트러스가 삼각형 단위공간으로 구성되는 이유는, 삼각형 구성은 연결점이 회전단이 라 하더라도 사각형 공간일 때 보다 쉽게 변형이 일어나지 않고 안정된 형태를 유지할 수 있기 때문이다.
그림 2 트러스 구조의 종류
- 아치형 구조
개구부(開口部) 상부의 하중을 지지하기 위해 돌이나 벽돌 등을 곡선 모양으로 쌓아올린 구조이다. 아치 모양의 막대를 위에서 힘을 가하면 막대의 양끝은 밖으로 벌어지려고 한다. 이것을 벌 어지지 않도록 양끝을 고정시키면 가느다란 막대로도 매우 큰 힘에 견뎌 낼 수 있다.
그림 3 아치의 종류
○ 설 하중
설 하중은 눈이 구조물에 쌓여서 발생하는 하중이다. 눈이 많이 내리는 지역에 가면 2~3m 눈이 쌓여 반년은 눈 속에 파묻혀 있기도 한다.
구조물에 미치는 영향은 눈이 많은 지역과 눈이 적은 일반 지역으로 나누어 설계에 고려하고 있다. 눈이 많이 내리는 지역에서는 위층에 있는 눈의 무게로 아래층에 있는 눈은 압축되어 얼음과 같이 되고 상당히 무거워진다. 이에 비하여 일반 지역에 포근히 내린 눈은 쌓인
양도 적고 압축되기 전에 녹아버리고 만다. 따라서 눈의 단위 체적 중량으로써 눈이 많은 지역은 300 , 일반 지역은 이보다 가벼운 200 값을 사용하도록 정하여져 있다. 각 지역별 적설 높이는 지방 별 설계 높이를 추천하고 있다.
○ CAE
CAE는 컴퓨터에 의한 공학으로 CAD프로그램으로 작성한 설계도를 토대로 제품을 만들 경우 강도나 소음, 진동 등의 성능과 같은 부분에 서도 어떤 특성을 갖고 있는가 하는 것까지는 알아내기 힘들다. 그래서 CAD로 작성한 제품모델을 컴퓨터 안에서 상세히 검토하고 그 데이터 를 토대로 모델을 수정, 설계를 변경하기 위한 시스템. 말하자면 시작 품을 컴퓨터 안에서 몇 번이고 만들어내는 것과 같은 일로써 시작품을 실제로 고쳐 만드는 수고를 덜 수 있어 신제품 개발기간의 단축이나 원가절감에 도움이 된다.
□ 연구 과정
○ 연구 방향 설정
이 연구를 본격적으로 진행하기에 앞서 주제에 대해 생각할 필요가 있었다. 주제가 ‘겨울철 눈의 하중을 안정적으로 견딜 수 있는 비닐하 우스 구조 연구’이지만 연구 목적이 기존의 농민들에게도 도움을 줄 수 있도록 하는 것이었으므로 비닐하우스 구조의 직적접인 개선으 로는 기존의 농민들에게 큰 도움을 줄 수 없다는 생각이 들어 비닐하우 스 구조에 직접적인 변화를 주는 것 보다는 기존의 비닐하우스에도 적용시킬 수 있는 보조뼈대에 대한 연구를 하는 것이 농민들을 진정으 로 도울 수 있는 길이라고 생각하여 비닐하우스에 손쉽게 설치할 수 있는 보조뼈대 개발에 연구의 초점을 맞추었다.
○ 보조뼈대 3조건 설정
보조뼈대에 대한 연구를 하기로 생각을 한 후로 이에 대한 기준을 설립하고 설립한 조건에서부터 벗어나지 않는 연구를 해야 연구의 효율성이 높아질 것이라는 생각이 들어 보조뼈대 연구에 있어 기준이 될 세 가지 조건들을 설정했다. 설정한 조건으로는 농민들에게 쉽게
적용시키기 위한 기준인 경제성과 적용용이성이 있고, 마지막으로는 연구의 목표에 부합하는 보조뼈대 개발을 위해 하중을 잘 견뎌야 한다는 조건을 세웠다.
○ 설계 변수 설정
이 연구는 기존의 비닐하우스에도 적용할 수 있도록 보조뼈대를 설계
하는 것이므로, 설계에 있어서 변수를 소재, 파이프의 굵기 같은 부분 에서 설정하지 않고 그저 설계적인 측면에서의 변수만을 두고 연구를 진행하였다. 파이프의 종류를 변수를 둘 경우 금전적인 문제가 발생 할 수 있어 기존 농가의 비닐하우스에 적용이 힘들 수 있다고 생각되어 보조뼈대의 형상을 비닐하우스 보조뼈대 설계에 있어서의 변수로 두 고 연구를 진행하였다.□ 연구 방법
○ 비닐하우스 모형 제작
비닐하우스 보조뼈대를 실제로 제작해보기 위해, 우선 다양한 모형들 을 제작하였다.
○ 하중 실험
제작한 비닐하우스 모형의 타당성을 판단하기 위해 다이얼게이지를 이용한 하중실험을 진행하였다.
○ CAE 프로그램을 이용한 구조해석
몇 우수한 보조뼈대 모형의 정확한 검증을 위해 구조해석을 실시하였 다.
□ 연구 활동 및 과정 ○ 비닐하우스 모형 제작
- 소재 설정
처음에는 옷걸이를 이용해 비닐하우스를 제작하려고 했으나, 옷걸이 를 이용해 만든 비닐하우스에서 많은 문제점이 발견되었다. 그러므로 비닐하우스를 제작할 때 사용할 소재들을 대폭 변경하기로 했다. 비닐 하우스 뼈대에는 철사에 비해 다루기가 쉬운 구리선을, 접착제에는 단단하게 비닐하우스를 고정시킬 수 있는 마이티 퍼티를 사용하기로
했다.
그림 4 구리선 그림 5 마이티 퍼티
- 비닐하우스 축적
비닐하우스 모형을 만들기 이전에 비닐하우스 모형에 타당성을 부여 하기 위해서 실제 비닐하우스 설계도를 구하고자 했는데, 이는 농촌진 흥청 홈페이지에서 구할 수 있었다. 농촌진흥청에는 많은 비닐하우스 설계도가 존재하였고, 우리는 그 중에서 강원도에서 사용되는 비닐하 우스 설계도를 사용하기로 결정하였다. 아래 그림은 우리가 사용한 비닐하우스 설계도이다.
그림 6 비닐하우스 전후면도 그림 7 비닐하우스 기초 평면도
우리는 이렇게 구한 비닐하우스 설계도를 토대로 축적을 진행하 였는데, 실제 비닐하우스의 지름이 250mm이고 비닐하우스 모형 제작에 사용하는 구리선의 지름이 2mm인 점을 감안하여 125:1의
비율에 맞추어 축적하였다. 아래 표는 계산된 수치이다.
축적된 길이(mm)
가로 65
세로 768
세로간격 70
높이 23.2
표 1 축적된 길이
하지만 이렇게 축적한 길이를 통해 비닐하우스를 제작하고자 하 니 여러 가지 애로사항들이 많았다. 그러므로 축적한 길이를 바탕 으로 비닐하우스 모형을 만들되, 가로 길이를 70mm, 세로 길이를 770mm로 수정함으로써 비닐하우스를 제작하기 편하게 했다.
- 비닐하우스 모형 제작
비닐하우스 모형을 제작할 때, 우선 폼 보드를 직사각형으로 절단 하였다. 이때 절단하는 폼보드의 길이는 축적한 수치와 이를 수정 한 것에 의해 맞추었다. 또한 기둥이 4개였기 때문에 가로 7cm, 세로 7cm의 정사각형 모형이 3개가 붙어져 있는 모양으로 절단 했다. 그 후, 구리선을 축적된 길이에 맞게 절단했다. 이때 이 구 리선은 축적한 길이에 맞춰서 절단하였다. 잘라놓은 구리선에 맞 춰서 모든 구리선을 잘라서 구리선의 길이들이 다 같게 했다. 이 렇게 자른 구리선을 반원 형태로 구부렸는데, 이때 두꺼운 음료수 캔에 맞추어 구부려 보니 계산된 결과에 정확이 들어맞아 그 후 에는 음료수 캔에 맞추어 구부려 사용하였다. 그 다음, 구부린 구 리선을 글루건을 이용하여 폼보드에 접착시켰는데, 폼보드와 구리 선을 마이티 퍼티(Mighty Putty)로 접착시키기에는 무리가 있어 바닥부분은 글루건을 이용하여 접착하였다. 마지막으로, 지붕 뼈 대와 보조뼈대를 마이티 퍼티(Mighty Putty)를 이용하여 부착시 켰다.
그림 8 구리선을 구부릴 때 사용한 캔 그림 9 폼보드를 절단하는 모습 그림 10 구리선을 구부리는 모습
- 비닐하우스 모형
이렇게 만들어낸 비닐하우스 모형을 다음과 같다.
그림 11 대조 모형 그림 12 트러스 모형 1 그림 13 트러스 모형 2
그림 14 트러스 모형 3 그림 15 트러스 모형 4 그림 16 트러스 모형5
그림 17 아치형 구조 1 그림 18 아치형 구조 2 그림 19 받치는 모형 1
○ 하중 실험
- 하중실험 1
다이얼게이지를 이용해 실험을 하였고, 비닐하우스의 가장 중심부에 비닐하우스 아래까지 이어지는 고리를 낚싯줄로 만들어 그 고리에 추를 매달아 하중을 주기로 하였다. 또한 하중은 500g추를 이용하여 주는 것이 가장 적합하다고 생각하여 500g추를 이용하였다.
그림 20 하중 실험 장치 그림 21 하중 실험 모습
- 하중실험 2
하중실험1에서 우리는 여러 문제점이 발견되어 실험 도구를 바꾸기로 했다. 다이얼 게이지를 단단하게 고정할 다이얼 게이지 전용 스탠드를 이용하였고, 다이얼 게이지와 비닐하우스 모델을 보다 직접적으로 연결할 수 있게 실을 사용하지 않기로 했다.
그림 22 실험 장치 모습 그림 23 다이얼 게이지 스탠드
- 하중실험 3
하중 실험3 에서는 다이얼게이지 3개와 다이얼 게이지 전용 스탠드 3개를 동시에 사용하여 비닐하우스의 정면, 측면, 상단에 주는 영향을 동시에 측정에 시뮬레이션에 도입할 비닐하우스를 정하기로 하였다.
그림 24 세부분을 동시에 측정하는 실 험
○ CAE 프로그램 - CAD 설계
하중실험을 통해 선정한 비닐하우스 보조뼈대 모형을 정확히 검토하 기 위해 CAD 작업이 필요했지만 우리의 수준에서는 어려워 CAD설계 와 시뮬레이션은 건국대학교에 위탁하여 진행하기로 하였다. 대신, 우리는 도면을 작성하여 보내주었고, 다음은 시뮬레이션을 진행한 모형 두 가지와 대조 모형에 대한 도면과 이를 통해 작업한 CAD 사진 이다.
그림 25 대조모형 측면 그림 26 대조모형 정면
그림 27 트러스 구조 4 정면 그림 28 트러스 구조 5 정면
그림 29 트러스 구조 5 측면 그림 30 트러스 구조 5 상단
그림 31 선정된 비닐하우스 모형 CAD설계
- NX Nastran을 이용한 시뮬레이션 실험
비닐하우스 모형들의 해석 결과는 다음 그림들과 같다.
그림 32 50cm 적설량에서의 비닐하우스 모형의 처짐 그림 33 100cm 적설량에서의 비닐하우스 모형의 처짐
이 해석 결과들로부터 CASE-2는 비닐하우스에 주어지는 하중을 잘 분산시키고 잘 견딘다는 것을 알 수 있었고, 이에 반해 CASE-1과 CASE-3은 비닐하우스에 주어진 하중을 제대로 견디지 못했다는 것을 알 수 있었다.
3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과
○ 비닐하우스 모형 경제성 판단
이 그래프는 보조뼈대설계 3조건 중 하나인 경제적인 부분에서의
적합성을 판단하기 위해 제작하는데 사용된 구리선의 길이를 측 정하였다. 다음은 측정값을 간단한 그래프로 나타낸 것이다. 이 측정값들을 통해 트러스구조2, 트러스구조4, 트러스구조5, 아치형 구조2, 받히는 모형1이 경제적인 타당성이 있다고 판단하였다.
그림 34 모형에 사용된 구리선의 길이 차트
○ 하중실험 1
이 실험은 다이얼 게이지 전용 스탠드가 아닌 일반 스탠드를 사
용한 실험이다, 결과는 다음과 같다.
그림 35 하중실험1. 500g 추를 하중으로 준 실험 결과
비닐하우스 모형 처진 길이(mm)
기본모형 0.07
트러스 구조 1 0
트러스 구조 2 0.02
트러스 구조 3 0
트러스 구조 4 0.05
트러스 구조 5 0
아치형 구조 1 0.1
아치형 구조 2 0
받치는 모형 1 0.07
표 2 실험결과
물론 정확한 실험은 아니었지만 앞으로의 실험에서 트러스구조1,
트러스구조3, 트러스구조5, 아치형구조2가 좋은 결과를 보일 것이 라는 예상을 할 수 있었다.
○ 하중실험 2
이 실험은 앞의 하중실험1의 실험 방식을 보완하여 설계한 실험이다.
이 실험은 다이얼 게이지를 안정적으로 사용하기 위해 다이얼게이지 전용 스탠드를 사용하였고, 다이얼 게이지의 측정자부분을 비닐하우 스에 닿게 하였다. 500g의 추와 1000g의 추를 달아서 실험을 진행하였 다.
그림 36 하중실험2. 500g추를 하중으로 준 실험 1차 그림 37 하중실험2. 500g추를 하중으로 준 실험 2차
비닐하우스 모형 1차(0.01mm) 2차(0.01mm)
기본 모형 45 44
트러스 구조 1 20 18
트러스 구조 2 24 28
트러스 구조 3 24 22
트러스 구조 4 19 18
트러스 구조 5 22 21
아치형 구조 1 30 28
아치형 구조 2 30 29
받치는 모형 1 39 41
표 3 500g 무게를 주었을 때 실험 1차 결과
그림 38 하중실험2. 1000g추를 하중으로 준 실험 1차 그림 39 하중실험2. 1000g추를 하중으로 준 실험 2차
비닐하우스 모형 1차(0.01mm) 2차(0.01)
기본 모형 105 108
트러스 구조 1 38 37
트러스 구조 2 65 63
트러스 구조 3 43 40
트러스 구조 4 38 39.5
트러스 구조 5 47 45
아치형 구조 1 54 51
아치형 구조 2 56 53
받치는 구조 1 81 78
표 4 1000g 무게를 주었을 때 실험 결과
실험결과, 대체적으로 트러스 구조 모형들이 좋은 결과를 나타냈다.
○ 하중실험 3
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
기본모형트러스 1
트러스 2
트러스 3
트러스 4
트러스 5
아치 1
측면 후면 상단
그림 40 그래프로 표현한 실험 결과
비닐하우스 모형 측면
(단위 0.01mm)
후면
(단위 0.01mm)
상단
(단위 0.01mm)
기본 모형 35 0 41
트러스 구조 1 12 0 25
트러스 구조 2 7.5 0 36
트러스 구조 3 3.5 0 29
트러스 구조 4 6 0 30
트러스 구조 5 5 0 29
아치형 구조 1 12 0 35
표 5 3측면 측정 실험 결과
실험결과, 비닐하우스에 집중 하중을 주는 것으로는 하중을 주는 부분과 떨어져 있는 후면에 영향을 미치지 않는 다는 것을 알 수 있었다. 또한, 트러스 구조 3의 모형이 총괄 적으로 가장 많은 하중을 버틴다는 것을 알 수 있었다. 하지만, 트러스 구조 3에는 많은 양의 구리선이 사용되기 때문에 경제적으로 좋지 않기 때문에 사실상 트러스 구조 5가 제일 효율적인 모형이라는 것을 알아낼 수 있었다.
이러한 결론들을 바탕으로 대조모형을 CASE-1로, 트러스 구조 4를 CASE-2로, 트러스 구조 5를 CASE-3로 정하여 시뮬레이션 실험을 진행하기로 했다.
○ NX Nastran 결과
시뮬레이션은 적설량을 50cm와 100cm로 나누어 진행했는데, 두
때문에 가장 나쁜 결과가 나올 것은 예상된 것이었지만, 예상을 깨고 CASE-3에서 CASE-1과 크게 다르지 않은 모습을 보여주었 다. CASE-2의 경우에는 CASE-1의 처짐보다 1/3정도의 처짐만 보 여 CASE-1보다 상당히 발전된 모습을 확인할 수 있었다. 다음은 시뮬레이션 결과에 대한 그림들이다.
CASE-1 CASE-2 CASE-3
Y방향 최대 변위
(mm) -1,141 -352 -1,082
표 6 50cm적설량에서의 비닐하우스 모형의 처짐 표
그림 41 50cm적설량에서의 비닐하우스 모형의 처 짐 그래프
CASE-1 CASE-2 CASE-3
Y방향 최대 변위
(mm) -2,281 -704 -2,165
표 7 100cm적설량에서의 비닐하우스 모형의 처짐 표
그림 42 100cm적설량에서의 비닐하우스 모형의 처짐 그래프
그림 43 시뮬레이션결과-처짐
위 표는 앞의 두 해석결과를 모아놓은 것이다. 이 해석결과들을 통해 CASE-2가 CASE-1, CASE-3 보다 대략 3배정도 강한 구조라 는 것을 알 수 있었다.
그림 44 시뮬레이션결과-응력
이 표는 응력에 대한 것인데 수치상으로는 CASE-1이 가장 좋게 나왔고 나머지 두 CASE는 비슷하였다. 하지만 해석에 사용한 소 재가 철인 점을 감안하면, 세 구조의 응력이 모두 철의 최대 허용 응력인 400MPa를 넘지 않아 응력에 있어서는 모두 적합하다는 판 단을 하였다.
응력과 처짐 결과를 고려해보니, 최종적으로는 트러스구조4가 가장 효율적이라는 결론이 나왔다.
□ 시사점 ○ 개선점
기존의 연구가 비닐하우스에 설치하는 제설장치에 집중하는 것과 상반되게 이 연구에서는 보조뼈대에 집중하였다. 농민들에게 기존모델 보다 강한 구조를 적은 비용으로 제공함으로써 매년 계속되는 폭설피해 를 줄이는 것이 가장 큰 개선점이다.
○ 학습효과
응력, 처짐과 같은 용어에 대해 자세히 알 수 있었고, 구조설계에는 많은 과정이 필요하다는 것을 알게 되었다. 이상기후에 관한 학교 수업 시간에 문득 들었던 폭설문제의 해결을 위한 방안을 체계적으로 실험해 볼 수 있어 과학시간의 의문을 심화해 해결할 수 있었던 것 같다.
4. 홍보 및 사후 활용 □ 실용화 방법
○ 트러스구조 4
시뮬레이션을 통해 트러스구조4가 가장 효율적인 모델이라는 것을 알 수 있었는데, 이 모델은 비닐하우스의 가로대, 가로대와 비닐하우스 중심을 잇는 보조뼈대를 설치하는 것인데 대부분의 비닐하우스가 현재 가로대를 사용하고 있으므로 다수의 하우스에서는 뼈대 하나만 추가하 면 구조 강화가 가능해 쉽게 보급할 수 있을 것이다.
○ 세계에 보급
현재 사용되고 있는 다수의 하우스에 가로대가 설치되어있어 트러스 4와 같이 구조를 강화하기 용이하고 폭설은 수년간 지속될 것으로 예상 되므로 러시아 등 폭설이 많이 오는 나라에 보급하여 도움을 줄 수 있다.
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바. Vince Adams, Abraham Askenazi(2009). 알기 쉬운 유한요소해석.
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