서 론
2013년 말 현재 시설채소 및 화훼류의 온실면적은 각 각 51,085ha 및 2,553ha으로서 전체 면적은 53,611ha에 이르고 있다. 이들 중 연동, 단동 및 기타 온실(소형터널 및 비가림)은 각각 8,029ha, 44,345ha 및 1,237ha이며, 피복재별로 보면, 플라스틱 필름, 경질판 및 유리온실은 각각 53,025ha, 214ha 및 372ha로 상대적으로 강풍이나 적설 등 기상재해에 영향이 큰 플라스틱 온실이 대부분 을 차지하고 있다(MAFRA, 2014a, b; RDA, 2010). 기상 재해로 인하여 플라스틱 온실의 경우 최근 12년 (2001~2012)간 태풍, 호우, 대설, 강풍 및 풍랑에 의해 발 생된 연평균 피해액은 1,060억 원인 것으로 보고되었다 (NDIC, 2015). 최근 이상기후로 인하여 기상재해는 지역 에 구분 없이 전국적으로 빈번하게 발생하고 있으며, 그 규모 또한 지속적으로 확대되고 있다. 기상재해에 의한 농업시설의 피해는 단순히 구조물의 파손에만 국한된 것 이 아니라 내부에서 생산되고 있는 농작물에 대하여 직 접적인 피해를 끼치게 된다.
2000년대 초반 폭설과 강풍 등의 기상재해로 인하여 국가, 지자체 및 농업인의 경제적 손실이 속출하면서 내 재해 설계기준 및 내재해형 규격시설을 개발하고 확대보 급하기 위하여 2006년 6월에「원예·특작시설 재해경감 대책」을 수립하여 추진하게 되었고, 그 결과 2007년 4 월 기존의 규격은 폐지되고, 새로운 내재해형 규격이 지 정고시 되었다. 새로 고시된 규격에는 자동화 비닐하우 스 1종, 단동 비닐하우스 17종, 과수 비닐하우스 3종(포 도 2종, 감귤 1종)이었으며, 이 때 인삼재배시설 7종(철제 1종, 목재 6종)도 고시하였다. 이후로 내재해 기준의 효율 성 및 실용성 제고를 위해 전문가, 지자체, 농업인 및 시 공업체 등의 의견 및 건의 사항을 검토·반영한 후, 2007 년 9월과 2008년 8월 두 차례에 걸쳐 각각 2차 및 3차 개정을 고시하였다. 그러나 MIFAFF & RDA(2010)에서 는 계속되는 기상재해로 원예·특작시설에서 최근 5년간 대규모(1조 5,122억원, 연간 3천억원)의 피해가 발생하자 2010년 12월 내재해형 규격을 다시 개정(4차) 고시하기 에 이르렀다. 2010년도 개정된 고시에는 자동화 비닐하 우스를 3종으로 확대하고, 단동 비닐하우스는 기존의 서 까래 규격을 일부 조절하여 18종으로 하였다. 그리고 광 폭형 비닐하우스 2종을 추가하였고, 과수 3종(포도 2종, 감귤 1종), 간이버섯재배사 2종, 인삼 재배시설 10종(철 제 4종, 목재 6종)이 포함되어 있다. 그리고 최근 기상 자료를 반영하여 적설심이나 풍속 자료 개선하고, 결속 조리개(파이프 줄기초) 강도 시험방법 추가 및 그동안 연구 개량 및 개발 된 온실을 추가하는 등 2013년 10월 5차 개정을 거쳐 2014년 7월에 고시하였다(MIFAFF & RDA, 2010, 2014).
그러나 기상재해 경감을 위해 앞에서 기술한 바와 같 이 다양한 온실모델들이 개발되었음에도 불구하고 온실 의 구조적 안정성에 크게 기여를 하는 기초와 관련해서 는 상대적으로 상부구조물에 비해 관심이 낮은 경향이 있다. 온실은 자연재해에 상대적으로 취약한 경량구조물 로 기상하중에 대하여 온실기초는 대단히 중요한 역할을 하며, 특히 온실은 강풍의 영향을 크게 받기 때문에 온 실을 설계할 때는 기초의 인발저항력에 대한 검토는 대 단히 중요한 요소이다.
온실기초 설계와 관련해서 인발력에 대한 콘크리트 독 립기초의 안정성 검토는 Kim 등(2000)이 제시한 이론식 을 일반적으로 사용하는데 Yu 등(2012)은 설계한 연동 형 온실의 기초에 대하여 기존의 이론식을 이용하여 인 발력에 대한 기초의 안정성을 검토하였다. 그러나 현재 까지 온실기초의 인발저항력에 대한 연구는 상대적으로 규모가 매우 작은 단동형 파이프 온실의 매립형 파이프 기초나 실내시험을 통한 민말뚝기초에 관한 것이 대부분 이며(Kim 등, 1994, 1995; Yoon 등, 2001), 규모가 큰 연동형 온실의 기초에 대한 인발저항력에 대해서는 현장 시험 등을 통하여 기존의 이론식에 대한 검증이 이루어 진 사례는 없다. 콘크리트 독립기초가 적용되는 자동화( 연동형) 온실은 시설 내 제어장치, 커튼 및 관비장치 등 단동 온실에 비해 상대적으로 고가인 내부시설을 갖추고 있기 때문에 그 구조 안정성이 특히 중요하다.
본 연구에서는 온실기초의 설계를 위한 기초자료를 제 공할 목적으로 내재해형 규격의 자동화온실인 연동형 플 라스틱 온실의 07-자동화-1, 08-자동화-1, 10-자동화-1형 과 한국형 유리온실의 농진·97-가-1, 농진·97-가-2, 농진 ·97-나-1, 농진·97-나-2 등 7개 형태의 온실에 대하여 총 15개의 온실기초를 실규모로 제작하여 현장시험을 통해 인발저항력을 측정하였고, 이를 이용하여 인발저항력 산 정 이론식의 적용성을 검토하였다.
재료 및 방법
1 대상지역 및 지반조건
본 연구에서 대상지역은 경남 진주시 미천면의 온실 주변(논지역)을 선정하여 현장시험을 실시하였다. 본 연 구는 얕은기초의 인발저항력을 검토하기 위한 것으로 대 상지역의 지반조사를 위해 시추조사 및 표준관입시험은 수행하지 않았고, 대신 백호를 이용하여 대상지반을 온 실기초의 최대 매입깊이인 1.5m까지 굴착하여 해당 깊 이에서의 흙을 채취하여 한국공업규격(KS F)에 따라 함 수비(KS F 2306), 비중(KS F 2308), 입도(KS F 2309) 및 다짐특성(KS F 2312) 등 기본 물리적 특성을 분석하 였다. Table 1은 그 결과를 나타낸 것이다. 대상지역의 토성은 모래 48.4%, 실트 32.3%, 점토 18%로 미국농무 성(USDA, 1996)의 삼각 토양분류법에 의해 분류한 결 과, 사질롬(Sandy loam)으로 나타났다. 사질롬은 국내 논지역에 상대적으로 다른 토성보다 가장 높게 분포하고 있다 (Ahn et al., 2012). 그리고 현장재하시험이 이루어 지는 현장에서 흙의 단위중량을 측정하기 위하여 현장 내 7개 지점을 선정하여 모래치환법(KS F 2311)에 의한 흙의 단위중량시험을 실시하였고, 현장에서 측정한 건조 단위중량(γd)과 실내에서 실시한 다짐시험에서 얻은 Table 1의 최대건조밀도(γdmax)를 비교한 결과, 현장다짐 율(γd/γdmax)은 80~85% 범위로 나타났으며, 이는 본 대 상지역이 포함된 진주시 전역에 위치한 온실단지 주변 지반의 현장 다짐율과 유사하였다(Kang, 1999).
2 대상 온실기초의 제작 및 제원
본 연구에서 사용한 온실의 기초는 내재해형 규격의 연동형 플라스틱 온실인 07-자동화-1, 08-자동화-1, 10- 자동화-1형과 한국형 유리온실의 농진·97-가-1, 농진·97- 가-2, 농진·97-나-1, 농진·97-나-2 등으로 7개 형태의 온 실에 대하여 총 15개의 온실기초가 사용되었다. Fig. 1 은 각 관련 시방서에 명시된 온실의 기초 설계단면을 나타낸 것이며, 이때 유리온실의 경우는 농진·97-가-1를 대표단면으로 나타내었다. Table 2는 각 온실 기초의 제 원을 정리하여 나타낸 것이다. 내재해형 규격의 플라스 틱 온실의 기초는 원형단면의 콘크리트 독립기초이며 (Fig. 2(a)), 유리온실의 기초는 Fig. 2(b)와 같이 모두 장 방형의 콘크리트 독립기초로 온실 규격에 따라 제원이 다소 차이가 있는데 Fig. 1(b)는 그 예로서 농진·97-가-1 형의 기초 단면을 나타낸 것이다. 각 대상온실기초는 Fig. 1에 보인 해당 설계도면에 준하여 제작하였으며 Fig. 3은 온실기초의 제작전경을 나타낸 것이다.
Table 2.
Geometric characteristics of test foundations
3 현장시험
현장시험의 방법은 각 대상 온실기초를 각 시방서에 따라 근입깊이별로 백호를 이용하여 설치하였다. 이때 지 반조건은 본 대상지역을 포함하는 진주시 온실단지 주변 의 현장다짐률과 유사한 80~85%를 유지하도록 다짐을 실시하였다.
인발하중의 재하는 백호(DX55WA, DOOSAN, Korea)를 이용하였고, 100kN 용량의 인장형 로드셀(TLH, BONGSHIN, Korea), 최대 10cm까지 측정할 수 있는 변 위계 (115L, VISHAY, USA) 그리고 데이터로거(GTDL- 350, Green TECH, Korea)를 이용하여 인발하중을 측정하 였다. 인발하중의 재하는 백호가 제어 가능한 범위 내에서 최대한 저속으로 재하하였으며, 인발저항력이 최대값을 나 타내었을 때, 시험을 종료하였다. 현장시험은 위와 같은 방법으로 각 대상기초에 대하여 2회의 반복시험을 실시하 였으며, Fig. 5는 현장시험의 전경을 나타낸 것이다. 다만 본 연구에서는 하중에 대한 변위를 측정하기 위해 Fig, 4 와 같이 해당 변위계의 고정장치를 고안하여 현장에 설치 하였다. 그러나 시험과정 중에 대상기초의 인발거동의 영 향이 변위계 고정장치에도 미쳐 신뢰할 수 있는 변위값이 측정되지 못 하였다. 따라서 본 연구에서는 대상 온실기초 에 대한 극한인발저항력만을 집중적으로 다루고자 한다.
4 온실기초의 인발저항력 산정 이론식
본 연구에서는 온실기초(얕은기초)의 인발저항력을 산 정하기 위해 일반적으로 사용되고 있는 Kim 등(2000)이 제시한 이론식의 최대인발저항력을 본 현장시험에서 얻 어진 대상 온실기초의 최대인발저항력과 비교하여 그 적 용성을 검토하였다. 이때 이론식에 적용한 강도정수는 본 대상지역의 토성이 사질토인 것으로 고려하여 내부마 찰각 30°, 점착력 0으로 가정하였으며, 흙의 자중은 현 장에서 모래치환법으로 측정한 흙의 습윤단위중량(17kN/ m3), 각 기초의 자중은 일반적인 콘크리트 단위중량 (23kN/m3)을 고려하여 산정하였다.
온실기초의 인발저항력(T)은 기초의 자중 Wc, 기초 상부 흙의 자중 Ws 기초와 접하는 흙의 전단저항력 R의 합으로 계산하며. 점성토 지반인 경우에는 식(1)과 같다(Fig. 6).
여기서, R = 전단저항력(R = S·ψ·h), S =흙의 전단강도 (kNf/ m2) (S = c+σtanφ), ψ =기초의 둘레(m), h = 기 초의 근입깊이(m), c = 흙의 점착력(kN/m2), σ = 유효압 축응력(kN/m2), φ = 흙의 내부마찰각을 의미한다.
그리고 사질토 지반일 경우에는 저면으로 부터 θ = 15°의 각도를 갖는 사다리꼴로 가정하여 흙의 중량 을 고려하여 식(2)와 같이 산정한다(Fig. 7).
결과 및 고찰
1 대상온실 기초의 인발저항력
Table 3은 각 온실기초별로 현장시험의 결과를 나타낸 것이다. 이때 각 온실기초의 자중은 인장형 로드셀 (TLH, BONGSHIN, Korea)을 이용하여 직접 측정한 실 제 온실기초의 자중이다. 기초의 인발저항력에 있어서 기초의 자중은 큰 영향을 주는 인자이다. 각 기초의 자 중은 1.3 kN~20.8 kN으로 10-자동화-1형 온실의 기초가 가장 높은 것으로 나타났으며, 각 기초의 최대인발저항 력은 11.6 kN~82.4 kN으로 자중이 가장 큰 10-자동화-1 형 온실이 가장 높은 것으로 나타났다. 그러나 농진·가-2 형 온실기초의 최대인발저항력은 77.5kN으로 10-자동화- 1형 온실기초의 82.4kN과 큰 차이를 보이지 않았는데 그 자중은 12.8kN로 10-자동화-1형 온실기초의 20.8kN 보다 훨씬 작은 것으로 나타났다. 또한 최대인발저항력 이 70kN 이상인 온실기초는 농진·97-가-2형의 F3, 농진 ·97-나-2형의 F2, 및 F3으로 그 자중은 각각 12.8kN, 7.4kN 및 8.5kN으로 10-자동화-1형 온실보다 훨씬 작은 것으로 나타났으며, 기초의 매입깊이도 모두 0.85m로 10-자동화-1형 온실의 1.40m보다 작은 것으로 나타났다. 일반적으로 구조물의 기초는 기초의 형상, 제원 및 매입 깊이에 따라 지지력이 크게 달라지는데 본 연구에서 15 개의 온실기초를 대상으로 수행한 현장재하시험결과, f 기초의 규모와 매입깊이가 가장 큰 10-자동화-1형의 원 형기초는 상대적으로 그 규모와 매입깊이가 작은 유리온 실의 장방형기초 특히, 농진·가-2형과 인발저항력에 있어 서 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타났다.
Table 3.
Ultimate uplift capacity and weight according to foundation type.
2 대상온실 기초의 시공비용 비교
본 연구에서는 위와 같은 각 온실기초의 인발저항력에 대한 결과와 함께 각 온실기초의 경제성도 함께 검토해 볼 필요가 있을 것으로 판단이 되어 현장시험에서 고려 된 각 온실기초의 시공비용을 산정하여 비교하였다. Table 4는 관련 토목시공업체에서 일반적으로 사용되고 있는 기초의 시공비용 단가를 정리하여 나타낸 것이며, Table 5는 Table 4를 기준으로 본 연구에서 사용한 각 온실용 기초에 대하여 시공비용을 산정한 것이다.
Table 4.
Unit price of construction for concrete foundation.
단, 본 연구에서 대상 콘크리트 기초는 현장의 농경지 에 대한 대여조건과 관련하여 원위치에서 콘크리트를 타 설할 수가 없어 현장과 떨어진 별도의 공간에서 대상 콘크리트를 제작하고 현장으로 옮겨 시험을 진행하였다. 이 과정에서 지면 위에 콘크리트 기초를 제작하여 콘크 리트 하중에 대한 거푸집의 안정성이 더 요구되었기 때 문에 대상기초 모두 목제 거푸집을 사용하였다. 따라서 실제 해당 기초에 대하여 현장타설 실시하여 시공한 경 우와는 비용적인 면에서 다소 차이가 있을 수 있다.
본 연구에서 사용한 총 15개의 콘크리트 기초에 대한 총 시공비용은 2,856,905원으로 나타났는데 이는 실제 본 현장인발시험을 위해 제작한 콘크리트 기초의 제작 및 설치비용과 거의 일치하였다(Table 5). 기초의 시공비 용은 각 온실용 기초에 따라 50,267원~352,182원으로 자중이 가장 큰 내재해형 10-자동화-1형 온실기초가 가 장 높게 나타났다. 본 현장시험에서 내재해형 10-자동화 -1형 온실기초는 다른 유리온실 기초와 비교해 볼 때, 그 기초의 규모에 비해 인발저항력의 효율이 상대적으로 떨어지는 것으로 판단되었다. 특히, 10-자동화-1형은 일 반적으로 더 큰 안정성이 요구되는 유리온실의 기초보다 더 높은 시공비용이 드는 것으로 나타났다.
Table 5.
Cacualtion of construction costs on concrete foundations used in this study.
기초의 안정성을 검토함에 있어서 인발저항력 뿐만 아 니라 기초의 지내력을 분리하여 검토할 수는 없다. 본 연구는 온실용 얕은기초의 인발저항력에 관한 것이기 때 문에 대상 온실기초에 대한 지내력을 검토할 수 없고, 따라서 10-자동화-1형 온실 기초에 대한 설계상태를 정 확하게 판정할 수 없다. 다만, 본 연구의 결과로 10-자 동화-1형 온실의 기초는 일반적으로 더 큰 지지력이 요 구되는 유리온실의 기초보다 인발저항력이 크게 나타났 으며, 해당 온실 기초는 과도하게 설계된 가능성이 높을 것으로 예상되며, 이와 관련된 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단이 되었다.
3 기존의 최대인발저항력 산정 이론식의 적용성 검토
위에서 기술한 일반적으로 온실기초의 설계시 사용되 는 최대인발저항력 산정 이론식에 대한 적용성을 검토하 기 위해 본 현장시험을 통해 얻어진 최대인발저항력과 이론식으로부터 산정된 최대인발저항력을 비교하였다. Table 6은 제안식의 인발저항력과 현장시험의 결과값을 비교하여 나타낸 것이다. 총 15개 온실기초의 현장시험 결과값에 대한 제안식의 인발저항력의 비는 0.64~1.22 정도로 온실기초별로 상이한 형상과 그 제원에 따라 비 교적 다양하게 나타났는데 이 결과를 보면 기존의 인발 저항력 산정식에 안전율 1.2(Kim 등, 2000)를 적용하여 허용인발저항력을 산정한 것은 비교적 적절한 것으로 판 단되었다. 그러나 본 연구에서 대상기초 15개 중 현장시 험 결과값에 대한 제안식의 인발저항력의 비가 1.2를 초 과하는 기초가 있었기 때문에 온실 기초의 설계시 허용 인발력에 대한 안전율은 1.3을 적용하는 것이 더 적절할 것으로 판단되었다.
Table 6.
Ultimate uplift capacity of greengouse foundation by field test and suggested fornula.
국내의 경우 온실기초(얕은기초)의 인발저항력 산정 이론식은 그 간편성 때문에 온실 기초 설계시 일반적으 로 이용되고 있음에도 불구하고 현재까지 그 적용성에 대하여 검증이 이루어진 사례는 미미하였다. 본 연구에 서는 현장시험을 통해 기존의 인발저항력 산정 이론식에 대하여 적용성을 검토하였고 그 결과, 기존의 산정 이론 식은 본 연구에서 수행한 사질토 지반에서 현장시험의 인발저항력에 비교적 높게 근접하는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구에서 현장시험결과, 온실기초의 허용인발 저항력 산정을 위한 안전율은 기존의 안전율 1.2보다는 그 이상의 안전율이 더 적절한 것으로 판단이 되었으며, 본 연구에서는 현장시험의 결과를 기준으로 안전율 1.3 을 제안하고자 한다.
