서 론
우리나라의 경우, 2012년 말 현재 시설채소 및 화훼류 의 온실면적은 각각 47,924ha 및 2,674ha으로서 전체 면적은 50,598ha이다. 이것은 2010년도의 51,829ha와 2011년도의 52,393ha에 비해 각각 약 2.4% 및 3.4% 정 도 감소한 것이다. 국내의 경우, 1990년대 후반까지 온 실면적은 급격히 증가하였으나, 농촌 노동인구의 노령화 및 에너지비용 상승 등으로 인하여 2000년 이후에는 거 의 정체 상태를 보이거나 약간 감소하는 경향을 보이고 있다. 2012년 말 현재 시설채소의 경우, 연동 및 단동 플라스틱 온실은 각각 5,227ha 및 40,788ha으로써, 아연 도금 강관을 주 서까래로 이용하는 단동 플라스틱 온실이 시설면적의 약 84%로 대부분을 차지하고 있다(MAFRA, 2013a, b; www.mafra.go.kr). Nam & Yang(2006)에 의하 면, 터널형 및 아치형 온실이 99% 이상을 차지하고 있다. 이상과 같이 국내 온실의 경우, 경향형 자재인 파이프를 구조재로 사용하는 플라스틱 단동 온실이 대부분을 차지 하고 있는 실정이다.
온실은 시설원예 산업의 중요한 생산기반이며 연간 약 5.1조원의 채소 및 화훼 작물이 온실재배를 통해 생산됨 으로서 시설원예 생산액이 우리나라 농업생산액의 약 12%정도를 점유하고 있는 실정이다. 그러나 온실의 대 부분은 경량구조물이기 때문에 태풍이나 대설 등 기상재 해에 노출되면 상대적으로 취약한 시설이다. 최근 12년 (2001~2012)간 태풍, 호우, 대설, 강풍 및 풍랑에 의해 발생된 연평균 피해면적과 피해액은 각각 20,910ha 및 1,060억 원인 것으로 보고되고 있고, 이 기간에 태풍(강 풍 포함) 및 대설에 의한 피해규모(면적)는 각각 약 96% 및 4%로서 태풍에 의한 피해가 가장 큰 것으로 나 타났다(www.safekorea.go.kr). 물론 재해원인별 비중이나 피해규모는 강풍의 강도나 적설량 등에 따라 다르므로 특정기간의 자료만으로 단정적으로 언급하기에는 다소 문제가 있을 것으로 판단된다.
국내의 경우, 2000년대 초반까지 농가에 보급되고 있 는 플라스틱필름 온실의 표준 형태는 농촌진흥청에서 설 정한 농가보급형 자동화 비닐하우스(연동형) 4종과 농가 지도형 비닐하우스(단동형) 10종으로 유지되었다. 그러나 2000년대 초반 폭설과 강풍 등의 기상재해로 인하여 국 가, 지자체 및 농업인의 경제적 손실이 속출하면서 내재 해 설계기준 및 내재해형 규격시설을 개발하고 확대보급 하기 위하여 2006년 6월에『원예·특작시설 재해경감 대 책』을 수립하여 추진하게 되었고, 그 결과 2007년 4월 기존의 규격은 폐지되고, 새로운 내재해형 규격이 지정 고시 되었다. 이후 내재해 기준의 효율성 및 실용성 제 고를 위해 전문가, 지자체, 농업인 및 시공업체 등의 의 견 및 건의 사항을 검토·반영한 후, 2차(2007년 9월, 2008년 8월)에 걸쳐 개정 고시하였다. 그러나 계속되는 기상재해로 원예·특작시설에서 막대한 피해가 발생하자 2010년 12월 내재해형 규격을 다시 개정 고시하였다. 이 때 개정된 고시에는 자동화 비닐하우스를 3종으로 확대 하고, 단동 비닐하우스는 기존의 서까래 규격을 일부 조 절하여 18종으로 하였다. 그리고 광폭형 비닐하우스 2종 을 추가하였고 과수 3종(포도 2종, 감귤 1종), 간이버섯 재배사 2종, 인삼 재배시설 10종(철제 4종, 목재 6종)도 개정 고시하였다(Lee 등, 2010; MIFAFF and RDA, 2010; Yoon 등, 2012; http://www.rad.go.kr).
이상과 같이 자연재해를 예방하기 위한 내재해형 온실 을 설계하여 보급하고 있을 뿐만 아니라 이와 관련한 연 구도 현재까지 지속되고 있고(Nam 등, 2006; Nam 등, 2009; NShu 등, 2008; Ryu 등 2009, Yu 등, 2012), 또 한 다양한 기술을 개발하여 보급하고 있는 실정이다 (RDA, 2005, 2007, 2009).
한편 플라스틱 필름온실에 설치되는 나선철항은 바람 에 의한 기상하중으로부터 플라스틱 필름을 고정시킬 목 적으로 사용하는 부속자재로서 국내의 경우, 주로 단동 온실에 많이 설치되지만 외국의 경우에는 연동온실에도 사용되기도 한다. 그러나 나선철항은 시공자 및 농민의 경험적인 방법에 의해 대부분 설치되고 있으며, 현재 자 연재해에 대한 온실의 피해방지에 관심이 높아지고 있는 상황에도 불구하고 나선철항과 관련된 연구는 아주 미미 한 실정이다. 나선철항은 설치가 용이하고 설치비용이 아주 저렴하기 때문에 인발재하시험을 통한 인발저항력 의 측정과 이를 통하여 각 온실형태별로 적절한 설치방 안이 제시된다면 기상재해에 대한 온실의 피해방지에 크 게 기여를 할 것으로 예상된다.
따라서 본 연구에서는 온실의 효과적인 나선철항 설치 를 위한 기초자료를 제공하기 위해 모형실험을 통하여 다짐도 및 매입깊이에 따른 나선철항의 인발저항력을 실 험적으로 검토하였다.
재료 및 방법
1 모형실험장비
Fig. 1은 본 연구에서 사용한 인발저항력 측정장치의 개요도를 나타낸 것이다. 실험 장치는 크게 하중 재하 장 치, 실험 토조, 하중계 및 변위계 등으로 구성되어 있다.
하중재하 장치에는 Fig. 1과 같이 Power jack과 AC motor을 이용하여 하중을 가하였고, 상세제원은 Table. 1과 같다. 인발저항력 및 변위량은 하중재하 장치에 연결된 Universal test machine(Korea, 미래산업, DUS204LCD)을 통 해 계측하였다. 이 계측기는 실험대상의 제원과 실험속도, 실험횟수 등 실험에 필요한 조건과 방식을 모두 설정할 수 있으며, 데이터는 하중 0.01kgf, 변위 0.01mm 까지 기록 및 분석이 가능하게 설계되어 있다. 그리고 본체의 전면부 에 위치한 버튼을 통하여 기계의 설정 및 제어가 가능하며 연결된 리모트 컨트롤을 통해 Power jack에 연결된 Load cell에 나선철항과 연결된 축을 상하로 이동시킬 수 있다.
Table 1.
Specification of a loading device.
인발저항력과 변위량은 본 장치에 연결된 컴퓨터에서 실 시간으로 저장하여 분석할 수 있으며, 하중계(TCLP- 500KA, Tokyo Sokki Kenkyuoio Co., Ltd., Japan)는 최대용 량 500kgf, 최소단위 0.01kgf, 변위계(MICRO SWITCH, KUN HUNG ELECTRONIC, CO., Korea)는 최대변위량 600mm, 최소단위 0.01mm인 것을 사용하였다.
Fig. 2는 본 실험에 사용된 모형토조를 나타낸 것으로 80cm × 100cm× 60cm 크기의 강재로 제작되었다. 토조 내 지반을 조성할 때, 흙의 높이 및 목표 다짐도로 원활하게 조성하기 위해 토조 한쪽 면에는 투명 아크릴판을 설치 하여 토조 저면부터 동일한 간격으로 선을 그어 이용하 였다. 이때 아크릴 판이 위치한 면에는 배부름이 발생하 지 않고 아크릴에 휨이 발생하지 않도록 강재로 지지하 였다. 그리고 토조 내에 조성된 모형지반은 강제로 된 토 조 외벽에 의한 경계조건의 영향을 크게 받을 수 있다. 본 실험에서는 예비 실험을 통해 설계된 토조의 제원이 지반의 파괴거동에 대한 영향이 없음을 확인하였다.
2 나선철항
실험에 이용한 나선철항은 Fig. 3과 같고, 일반농가에 주로 사용되고 있는 것을 관련업체에서 구입하여 사용하 였다. 나선철항의 직경과 길이는 각각 약 1.0cm 및 53.0cm이며, 중량이 약 0.5kgf 정도로서 재질은 강재이 다. 그리고 나선철항 상단의 고리부분을 기준으로 나선 형태의 시작점부터 나선철항의 끝부분까지의 길이는 약 35.0cm이다.
3 토양시료
본 실내모형실험에서 토양시료는 진주시 인근 온실 주 변에 위치한 농경지토양을 채취하여 사용하였다. 채취한 토양에 대해서는 관련 공정시험방법에 따라 물리·역학적 특성을 분석하였고, Table 2는 그 결과를 나타낸 것이다. 본 토양시료는 자연함수비 약 29.9%, 비중(Gs) 2.65이며 토성은 Sand 58.9%, Silt 39.1%, Clay 2.0%로서 사질토 로 분류되었으며, Fig. 4와 같이 빈입도 특성을 나타내었 다. 그리고 최적함수비(OMC)는 16.2%, 최대건조밀도 (γdmax)는 1.77g·cm−3으로 나타났다. 이때 최적함수비 및 최대건조밀도는 A다짐법을 통해 얻은 것이다.
4 모형지반 조성
실험 토조 내 토양의 다짐조건은 약 6.5kgf의 다짐봉 을 이용하여 다짐률을 각각 65%, 75% 및 85%로 적용하 였으며, 각 다짐조건별로 나선철항의 매입깊이를 25cm, 30cm, 35cm, 및 40cm로 나누어 최대한 최적함수비의 조 건을 유지하며 인발저항력 실험을 실시하였다. 대상 모형 지반 전 높이에 걸쳐 균등한 다짐도를 확보하기 위해 50cm 높이의 지반을 6층으로 나누어 매층 동일한 다짐에 너지를 주었다. 다짐율 85%, 75% 및 65%의 층별 다짐 회수는 각각 200회, 100회 및 0회 정도였다. 각 다짐 조 건별 상대밀도는 다짐율 85%, 75% 및 65%d에 대해 각 각 67%, 38% 및 0%로 나타났다. 이때 다짐율 85%는 Kang (1998)과 Cho (1999)가 보고한 온실단지 주변 지반 의 현장 다짐율 범위인 83%~85%에 포함된다.
5 실험방법
인발저항력 실험에서 토조에 매립된 실험대상물에 대 하여 상방향으로 인발하중을 가하는 재하방식에는 크게 하중 제어방식과 변위 제어방식의 두 가지 방법으로 분 류할 수 있다. 하중 제어방식은 계획최대하중을 몇 단계 로 분류한 뒤, 각 단계별로 일정한 시간의 간격을 두고 하중을 가하는 방식으로서 다단계 하중법 또는 정하중법 이라고도 한다. 이 방법은 주로 현장에서 실험을 시행할 경우와 Jack 등을 이용하여 하중을 가할 때 사용된다. 그 리고 변위제어 방식은 실험대상의 인발변위량을 제어하는 방법으로 일정 시간동안 일정한 변위가 발생하게 하는 방 법이며, 일반적으로 실내실험에서 주로 사용되고 있다.
강풍 하에서 온실에 가해지는 하중의 양상은 인발변위 가 극히 작은 시점에서 인발저항력이 최대값을 나타내고 인발하중은 순간 또는 반복적으로 작용하기 때문에 하중 제어 방식이 변위제어 방식보다 더 선호된다(Cho, 1999). 그리고 극한인발저항력도 하중제어 방식이 일반적으로 조금 더 크게 나타나는 것으로 알려져 있다. 본 실험 장 치는 이를 고려하여 두 가지 방식을 동시에 적용할 수 있도록 설계되어 있지만, 모의 테스트 결과 하중제어 방 식을 적용하기에는 본 실험장치에 한계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서는 두 가지 제어방식 중에 일반적으로 실내실험에서 가장 많이 사용하고 있는 변위 제어 방식을 사용하여 실험결과를 얻었다.
본 연구에서 재하 속도는 1mm/min(허용오차 ± 10% 이내)으로 하였고, 인발저항력 실험의 종료 시점은 인발 저항력이 더 이상 증가하지 않고 최대치(극한인발저항력) 를 지나 연화(softening)경향을 나타내거나 일정한 값으 로 수렴될 때를 종료시점으로 하였다. 실험의 정확도를 위해 인발저항력 측정은 각 조건별로 2회씩 반복하였으 며, 그 평균값을 실험결과로 이용하였다. 이때 2회 반복 한 실험결과에 큰 차이가 있는 경우, 서로 유사한 실험 치가 나올 때까지 반복실험을 실시하였다. 그리고 나선철 항의 자중은 인발저항력에서 제외하였으며, Fig. 5는 인 발저항력 측정 전후의 모형실험 전경을 나타낸 것이다.
결과 및 고찰
Fig. 7은 나선철항의 매입깊이에 따른 인발저항력과 변위량과의 관계를 다짐도별로 나타낸 일례이다. Fig. 7 에서 알 수 있듯이 인발저항력은 흙의 다짐률이 높고 매 입깊이가 깊을수록 증가하는 전형적인 경향을 보였다. 다 만 각 지반조건에 따라 인발저항력 및 변위량에 다소 차 이가 나타났는데 이러한 현상은 나선철항의 형상적 특성 상 모형지반을 조성할 때, 나선주위의 지반이 다짐조건별 로 다소 균일하지 못하였기 때문인 것으로 판단된다. 따라 서 모형지반을 조성할 때, 최대한 지반이 균일하도록 노력 하였으나 균일성을 확보하기에 다소 어려움이 있었다.
인발저향력은 각 지반조건별로 다소 차이는 있지만, 초기단계에서는 거의 선형적으로 증가하는 경향을 보였 다. 인발저항력의 경우, 극한인발저항력을 구하는 것도 중요하지만, 실제로 온실의 사용성과 안전성 측면을 고 려하면 나선철항 주변 지반의 항복시점이 인발저항력을 논할 때 아주 중요하다. 그러나 본 실험의 경우, 변위제 어 방식을 채택하였기 때문에 Fig. 7로부터 항복점을 찾 는 것은 어려울 것으로 판단된다.
Table 3는 Fig. 7의 결과를 포함하여 2회 이상 반복한 실험결과를 극한인발저항력과 최대 인발변위량에 대한 평균값을 각 지반조건 및 매입깊이별로 나타낸 것이다. 그 결과 최대값은 다짐률 85%에서 최대 매입깊이인 40cm일 때 116.7kgf이었고, 최저값은 다짐률 65%에서 매입깊이 25cm일 때 4.4 kgf으로 나타났다.
Table 3.
Ultimate uplift bearing capacity and maximum displacement of spiral steel peg.
그리고 다짐율 85%, 75% 및 65%을 기준으로 매입깊 이 40cm에서 인발저항력은 각각 116.7kgf, 40.4kgf 및 13.5kgf으로서 다짐률에 따라 상당한 차이가 있음을 알 수 있다. 이것은 일반농가에서 나선철항을 사용할 때, 평 소 나선철항 주변 지반의 유지관리를 철저히 한다면 바 람에 의한 피해를 경감시켜 줄 수 있을 것으로 판단된 다. 그리고 본 실험에서 극한인발저항력의 최대값은 116.7kgf로 나선철항의 제원을 고려해 볼 때 매우 높은 것으로 판단되며, 플라스틱 필름을 고정하는 용도뿐만 아니라 나선철항의 개수 및 간격 등 적절한 설치방법이 제시된다면 온실의 구조적 안정성에도 기여를 할 수 있 을 것으로 예상된다.
Fig. 8은 매입깊이에 따른 극한인발저항력을 다짐률별 로 도식화한 것이다. Fig. 8에 나타나듯이 다짐률에 따 라 다소 차이는 있지만, 매입깊이가 증가할수록 인발저 항력이 증가하였다. 특히 다짐률 85%에서 매입깊이 35cm 및 40cm 일 때, 인발저항력이 다른 지반조건 및 매입깊이에 비해 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 그 리고 다짐률 65% 및 75%인 경우, 매입깊이에 비례해서 거의 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 각 지반조건 별로 매입깊이에 따른 인발저항력의 변화 경향이 약간 상이한 것은 앞에서도 기술하였듯이 나선철항의 특이한 형상으로 인해 다짐상태가 다소 균일하지 않기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 9는 다짐률에 따른 극한인발저항력을 매입깊이별 로 도식화하여 그 관계식과 함께 나타낸 것이다. 이때 다짐률 85%인 경우를 제외하고 매입깊이 25cm일 때의 극한인발저항력은 아주 미미하여 실제 적용가능성이 낮 을 것으로 예상되어 이를 제외하고 나머지 세 가지 조 건에 대해서 나타내었다.
Fig. 9에서 알 수 있듯이 다짐률에 따라 인발저항력이 변화하는 경향을 보면, 매입깊이별로 서로 유사한 경향 을 보였다. 그리고 특히 다짐률 85%인 경우, 매입깊이 35cm 및 45cm에서 인발저항력이 급격하게 증가하는 경 향을 보였다. 각 매입깊이별로 다짐률 65%를 기준으로 인발저항력을 비교해 보면 매입깊이 30cm의 경우 다짐 률 75% 및 85%에서 각각 218% 및 561% 정도 인발저 항력이 증가하였고, 매입깊이 35cm경우는 다짐률 75% 및 85%에서 각각 189% 및 658%가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 매입깊이 45cm에서는 다짐률 75% 및 85%에서 각각 174% 및 724%로 가장 급격하게 인발저 항력이 증가하는 경향을 보였다.
나선철항의 인발력에 관한 연구는 그 적용사례에 비하 여 미미한 편이나 선행연구들과 비교해 보면 Ogawa 등 (1990)은 본 연구의 대상 나선철항보다 피치 개수가 1개 더 많고, 직경 1.3cm, 길이 60cm 제원의 나선철항에 대 하여 밭토양 현장에서 인발저항력 실험을 실시하였다. 그 결과, 극한인발저항력은 240kgf로 나타났다. Yoo (2012)는 모형토조실험을 통하여 사질토지반에서 제원에 따른 사면보강용 스크류 앵커 파일의 인발저항 특성을 검토하였다. 본 나선철항과 제원, 용도 및 목적이 상이 하여 직접적으로 비교하기에는 어려우나 본 연구의 모형 지반과 유사한 조건에서 직경 3cm, 길이 60cm, 스크류 날개 폭 1.5cm, 피치 4.5cm 및 무게 2.47kgf의 스크류 앵커 파일의 극한인발저항력은 매입깊이 50 cm에서 약 215kgf로 나타났다.
대상 나선철항의 극한인발저항력은 Ogawa 등(1990)보 다 나선철항의 피치 개수가 1개 적은 것을 감안하더라도 크게 낮게 나타났다. 본 연구에서는 인발시험장치와 관련 하여 원활한 실험을 위해 모형토조 내 형성된 지반을 굴 착을 통하여 나선철항을 설치하고 다짐을 실시하여 인발 저항력을 측정하였다. 그러나 나선철항은 나선형의 특성을 이용하여 굴착 없이 설치가 가능하기 때문에 실제 인발저 항력은 본 실내실험의 결과보다 더 클 것으로 기대된다.
이상의 결과들을 종합해 보면 나선설항의 설치시 매입 깊이 35cm, 다짐률 85%이상을 적용하면 유용한 결과가 기대되며, 본 실험에서 다짐률 85%에 해당하는 모형지 반의 상대밀도는 67%이다.
