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재해 시나리오 기반 비닐하우스 구조물의 강풍 취약도 평가

Evaluation of Wind Fragility of Vinyl Greenhouse based on Natural Disaster Scenarios

  • 김성도 (Kim, Seong Do, 강릉원주대학교 일반대학원)

초록/요약 도움말

강풍, 폭설 등 재해에 의한 비닐하우스의 피해 특성을 고려하여 농촌진흥청에서는 재해하중에 대한 설계 기준을 지속적으로 개정하여 제안하고 있지만 최근 이상기후 현상 및 지구 온난화로 인한 자연재해의 빈도 증가로 비닐하우스의 피해사례는 꾸준히 보고되고 있다. 행정안전부에서 발간한 재해연보 조사 결과 비닐하우스의 바람재해로 인한 피해액은 2조 4600억으로 보고되었으며, 피해 원인 중 비중이 가장 높은 것으로 조사됨에 따라 바람재해 강풍 취약도 평가를 통한 구조물의 안전성 검토는 피해 저감을 위해 중요도가 높다고 할 수 있다. 현재 국내에서는 비닐하우스의 부재 실험 및 유한 요소 해석을 통한 구조물의 안전성 검토에 초점을 맞춘 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 취약도 개발 및 평가에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구는 재해 시나리오 기반 비닐하우스 구조물의 강풍 취약도 개발 및 평가를 목표로 수행되었다. 강풍 취약도 연구 수행을 위해 농촌진흥청에서 발간한 설계도·시방서를 참고하여 유한요소 모델을 개발하였으며 재해 시나리오에 따른 내풍 해석을 수행하였다. 해석 시 국내 기준의 경우 바람재해 하중의 불확실성을 고려하는데 한계가 있어 국외 ASCE 7-16 기준에 따라 설계 하중을 산정하였다. 수치해석 결과와 구조물의 한계상태를 비교하여 풍속별 파괴 확률을 정의하였으며 MCS(Monte Carlo Simulation)를 이용한 1000번의 시뮬레이션을 수행하여 확률 기반의 강풍 취약도 함수를 도출하였다. 이때 구조물의 한계상태는 농촌진흥청의 온실 구조설계 기준안에 제시되어 있는 변형 제한과 주요 부재의 허용 안전 응력을 고려하였다. 최종적으로 바람재해 시나리오 및 복합재해 시나리오에 따른 각 강풍 취약도 함수를 도출하였으며 영향인자별로 분류하여 정량적으로 평가하였다. 본 연구의 취약도 함수는 수치해석만을 고려하여 도출된 결과로 추후 전체 구조물 거동 실험 등의 관련 연구와의 비교를 통한 신뢰도 검증이 수행되어야 할 것이다.

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초록/요약 도움말

Structural damages caused by natural disaster phenomena are reported to be steadily increasing due to recent abnormal climate phenomena and the increasing frequency of natural disasters caused by global warming. According to statistical yearbook of natural disaster survey published by the MOIS (Ministry of Interior and Safety), it was reported that damage caused by wind related disaster was 2.46 trillion won. It is essential to reduce this damage. Thus, considering the damage characteristics of vinyl greenhouses due to strong winds and heavy snow, the RDA (Rural Development Administration) constantly revises and proposes design standards for disaster loads. Currently, research focused on the safety evaluation through experiment and finite element of the vinyl greenhouse are actively conducted in Korea; however, the research on the development and evaluation of fragility for vinyl greenhouse is insufficient. Therefore, this study was carried out with the aim of developing and evaluating fragility of vinyl greenhouse structures based on different disaster scenarios. To achieve this, finite element model of vinyl greenhouse was developed based on the design and specification published by the RDA. Design load was determined according to ASCE 7-16 standard due to the limit of domestic design standard, which does not include the uncertainty of wind load parameters. By comparing numerical analysis result with limit state of the structure, failure state of the structure could be determined. Moreover, by employing Monte Carlo Simulation, 1000 simulations were performed to derive the probability of failure in function of wind speed. In this study, the limit state of vinyl greenhouse considered deformation limit state and allowable stress limit state of the main load bearing member in the greenhouse structural design standard of the RDA. Then, fragilities were developed for wind disaster and multi-disaster scenario. Though, this result could be used to quantitatively evaluate the performance of vinyl greenhouse structure, the results of this study should be verified by comparing with related studies such as full-scale structure experiment because the performance of vinyl greenhouse in this study was derived based on numerical analysis only.

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목차 도움말

국문요약 ⅰ
영문요약 ⅲ
차 례 ⅴ
표 차 례 ⅶ
그림차례 ⅸ

제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 국내외 연구동향 5
1.3 연구내용 및 방법 9

제 2 장 설계기준 및 유한요소 모델링 10
2.1 국내 온실 구조 유형 및 특징 10
2.2 대상 구조물 선정 및 설계기준 11
2.3 온실 구조의 설계하중 기준 16
2.4 비닐하우스의 유한요소 모델링 21

제 3 장 취약도 평가의 개요 28
3.1 취약도 이론 및 평가방법 28
3.2 재해 시나리오 기반 강풍 취약도 평가 방법 30
제 4 장 재해 시나리오 기반 강풍 취약도 평가 37
4.1 비닐하우스의 한계상태 정의 37
4.2 재해 시나리오 기반 비닐하우스 수치해석 42
4.3 재해 시나리오 기반 강풍 취약도 함수 도출 58
4.4 영향인자별 강풍 취약도 분석 및 평가 76

제 5 장 결 론 94

참고문헌 96

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