지반조건을 반영한 파이프 구조물의 구조해석 모델 개발

Abstract

최근 지속되고 있는 기후변화와 예측할 수 없는 급작스러운 기상재해의 증가로 비닐온실의 피해가 계속되고 있다. 기상재해에 의한 비닐온실 피해를 경감시키기 위해 표준 설계도와 구조 안전설계 기준 등이 운영되고 있으나 온실이 실제 설치되는 환경을 충분히 반영하지 못하고 있다. 온실의 경우 지반에 관입되는 형태로 설치되기 때문에 지반조건이 변화함에 따라 그 거동 특성이 다르게 나타날 수 있어 이를 고려한 구조해석이 필요하다. 본 연구에서는 비닐온실과 같이 지반에 관입되는 형태로 설치되는 파이프 구조물의 지반조건을 반영한 구조해석 모델을 개발하고 이를 이용한 구조해석과 안전성 검토를 수행한다. 이를 위해 구조 실험 장치 설계에서 외부 하중이 작용할 때 경계지점에서 발생하는 등가의 힘을 분석하여 하중조건을 설계하고, 실험 현장 건조밀도와 동일하거나 10% 증가 혹은 감소하도록 설정하여 3가지의 지반조건을 설계하였다. 구조해석 모델 개발을 위해서는 지정 변위 및 회전 (Prescribed displacement and rotation) 경계조건을 적용하고, 구조 실험에서 도출된 변위와 회전을 이용하였다. 개발된 구조해석 모델과 기존의 방법인 고정 및 힌지 경계조건을 적용한 구조해석을 수행하고, 도출된 단면력에 관한 비교‧분석을 수행하였다. 그 결과, 적설심 15 cm 이하의 하중조건에서는 지반조건을 반영한 휨모멘트 해석 결과가 고정의 결과와 유사하게 나타났으나, 적설심 30 cm 이상의 하중조건에서는 고정의 결과보다 지반조건에 따라 최대 48.3%까지 크게 나타났으며 이는 하중이 증가하면서 지반이 파괴되어 경계지점이 고정점으로 역할을 하지 못하기 때문인 것으로 분석되었다. 또한, 경계지점을 제외한 지점들에서 지반조건을 반영한 결과는 고정과 힌지 사이에 존재했으며, 하중이 클수록, 지반이 느슨할수록 고정에서 힌지로 가까워졌다. 따라서 지반에 관입되는 파이프 구조물의 경우 그 경계조건이 고정과 힌지 사이에 있는 것으로 볼 수 있지만, 외부 하중이 증가함에 따라 힌지보다도 더 열악한 경계조건으로 변화하는 것으로 분석되었다. 안전성 검토 결과에서는 지반조건을 반영할 경우 한계적설심이 최대 21%까지 감소함에 따라 기존의 구조해석 방법이 과소 설계로 이어질 수 있는 것으로 판단되었다. 이에 따라 강도가 충분히 확보되지 못한 지반에 구조물이 설치될 때에는 지반의 상태를 반영한 안전설계 기준 분석이 수행되어야 할 것으로 사료된다.

Recent climate change and unpredictable surges in meteorological disasters continue to damage greenhouses. Although standard design and structural safety standards have been operated, they do not fully reflect the environment where greenhouse is actually installed. In winter especially, when heavy snow occurs, the ground condition can be drastically changed due to repeated freezing and thawing of the soil because of the difference in temperature between night and day. In this study, the structural analysis model which can reflect the ground conditions for pipe structure installed on the ground such as greenhouse was developed, and structural analysis with safety review was conducted. The structural experiment was performed considering load and ground conditions, i.e., the load conditions were designed by analyzing the equivalent load generated at the boundary, and the ground conditions of three different strengths were designed by setting the same or 10% increase or decrease in dry density of the experiment site. To develop the structural analysis model, the prescribed displacement and rotation boundary were applied, and the displacement and rotation derived from the structural experiment were used. Structural analysis using the developed model and the existing methods, i.e., fixed and hinged boundary, was conducted to analyse the cross-sectional forces and safety review. The results of bending moment reflecting the ground conditions were similar to those from the fixed boundary under small load conditions. However, under high load conditions, they were greater than the results from the fixed by 24.5% to 44.9%, because the ground was destructed with increasing load. At the points except the boundary, the results reflecting the ground conditions existed between the results from the fixed and the hinged. Also, the greater the load and the looser the ground, the closer they were to the hinged. Consequently, in the case of pipe structure installed on the ground, the boundary condition could be considered as being between fixed and hinged, however, as load increased, it was analyzed to change into boundary condition worse than hinge. According to the results of the safety review, the limit snow depth has decreased by up to 25% when the ground conditions were reflected. These results suggested that the traditional structural analysis methods could lead to underestimation of the design. Therefore, when the structure is installed on the ground where strength is not sufficiently secured, it is recommended that the analysis of safety design criteria reflecting the ground conditions should be performed.