Current Status and Development of Greenhouse Models for Oriental Melon Cultivation in Seongju Region

Jong Won Lee; Chul Heun Baek; Hyun Woo Lee; Sung Won Chung

doi:10.12791/KSBEC.2014.23.2.95

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Protected Horticulture and Plant Factory. 30 April 2014. 95-108
https://doi.org/10.12791/KSBEC.2014.23.2.95

Current Status and Development of Greenhouse Models for Oriental Melon Cultivation in Seongju Region

성주지역 참외 재배용 온실구조 현황 및 모델 개발

Jong Won Lee¹

Chul Heun Baek²

Hyun Woo Lee³^*

Sung Won Chung⁴

이 종원¹

백 철현²

이 현우³^*

성 원정⁴

¹Institute Agricultural Science & Technology, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Republic of Korea

²Kyungpook Water-melon Industry-University-Institute Cooperation Agency, Daegu 702-708, Republic of Korea

³Department of Agricultural Civil Engineering, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Republic of Korea

⁴Department of Bio Industrial Machinery Engineering, Pusan National University, Miryang 627-706, Republic of Korea

¹경북대학교 농업과학기술연구소

²경북참외산학협력단

³경북대학교 농업토목공학과

⁴부산대학교 바이오산업기계공학과

^*Corresponding Author : whlee@knu.ac.kr

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/):

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

The objective of this study is to develop the plastic greenhouse models which are structurally safe under the weather condition of Seongju and have the dimensions suitable for oriental melon cultivation as well. To grasp the structural features of greenhouses in Seongju, the field survey was conducted on 406 farmhouses which included 2,068 greenhouses. The field survey showed that the roof shape of arch type accounted for the highest rate, but recently even span or peach type became more popular and the width and height of greenhouse tended to increase as the period of use was short. The relationship of the width, ridge height and eaves height were established based on field survey data. Using climate data of Gumi adjacent to Seongju, the regressions were determined for the design wind speed and design snow depth depending on recurrence period. To design the greenhouse models against weather disasters in Seongju, the optimal design loads are 23.7 cm of snow depth and 33.8 m·s⁻¹ of wind speed. As the design results, four models of single- span greenhouse, two models of double-span greenhouses including extension were developed.

Keywords

내재해형

설계적설심

설계풍속

온실형 태

재현기간

본 연구는 성주지역에 적합한 참외재배용 내재해형 온 실을 개발하기 위하여 참외 재배온실의 구조현황 조사, 최근 기상자료가 반영된 설계하중 산정, 온실모델 설정 및 구조안전성 분석을 수행하였으며 결과를 요약하면 다 음과 같다. 성주지역 참외온실의 구조적 특성을 파악하 기 위하여 현장 조사한 결과, 온실의 지붕형상은 아치형 이 가장 많았으며, 최근에 시공한 온실일수록 복숭아형 이 많았으며 폭이 넓어지고 동고도 높아지는 추세였다. 그리고 성주지역에 가장 인접한 구미기상대의 기상자료 를 이용하여 재현기간에 따른 설계풍속 및 설계적설심을 산정할 수 있는 계산식을 유도하였으며, 내재해형 온실 규격을 만족하는 재현기간 30년의 적설심은 23.7cm, 풍 속은 33.8m·s⁻¹로 계산되었다. 이러한 성주지역의 내재해 형 설계기준을 만족하는 참외재배용 단동온실 4종, 2연 동온실 및 연결온실을 각각 1종씩 총 6종의 모델을 개 발하였다.

키워드

design snow depth

design wind speed

disaster endurance type

section shape

recurrence period

MAIN

서 론

2012년말 기준으로 경북지역의 채소재배 온실면적은 9,214ha로 전체면적의 19.2%를 차지하고 있으며 경남지 역 다음으로 전국 2위를 차지하고 있다. 시설유형별로는 비닐하우스 9,183ha, 경질판온실 6ha, 유리온실 25ha로 비닐하우스가 전체면적의 99.7%를 차지하고 있으며 이 중 단동비닐하우스가 93.5%를 차지하고 있다(MIFAFF, 2013). 그리고 경북지역의 시설채소 생산면적은 11,514ha 로 전체 시설채소 생산면적의 18.3%로 전국에서 가장 많 은 시설재배 면적을 차지하고 있다. 품목별 시설생산면적 은 근채류 141ha(전국 3위), 엽채류 1,975ha(전국 3위), 과 채류 8,662ha(전국 3위), 조미채소 80ha(전국 5위)로 과채 류 시설생산면적이 전체 시설생산면적의 75.2%를 차지하 고 있으며 시설참외 생산면적이 과채류 시설생산면적의 58.0%를 차지하고 있다(MIFAFF, 2013).

전체 온실면적 중 가장 많은 비중을 차지하고 있는 단 동비닐하우스는 저렴한 설치비와 시공의 간편성 때문에 농가에서 많이 사용되고 있으나 구조의 경량성으로 인하 여 기상재해에 취약한 실정이며, 매년 폭설로 인하여 많 은 피해가 발생하여 농가의 피해가 급증하고 있다. 최근 기후변동의 폭이 커지고 잦은 기상변화로 기상재해가 빈 발하여 생산기반 자체가 파괴되어 농업생산에 큰 영향을 받고 있는 실정이다. 실례로 성주에서 2001년 1월 7일 에 내린 폭설(23cm)로 인하여 온실 11,222동이 파손되 어 135.33 억원의 피해를 입었으며, 2007년 3월 28일에 최대순간풍속 25m·s⁻¹의 돌풍으로 인하여 2,000 여동이 파손되었다. 이러한 폭설과 강풍으로 인한 원예시설의 피해는 점차 빈번하고 매년 반복되고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 성주지역에서 가장 많이 재배하 고 있는 참외재배용 내재해형 온실을 개발하기 위하여 참외 재배온실의 구조현황 조사, 최근 기상자료가 반영 된 설계하중 산정, 온실모델 설정 및 구조안전성 분석을 수행하였다.

재료 및 방법

1 온실구조 현황 조사

참외재배에 적합하고 농가에서 선호하는 온실구조를 개발할 목적으로 성주지역의 참외재배 농가에서 관행적 으로 설치하고 있는 비닐하우스의 구조실태를 분석하고 자 406 농가를 대상으로 2,068 동에 대하여 현장조사를 수행하였으며, 조사내용은 Table 1과 같다.

Table 1.

The contents of survey.

Category	Contents

Structure and dimension	Section shape, width, ridge height, eaves height, slope of side wall, rafter interval, embedded depth of pipe
Pipe	Diameter and thickness, number of purlin
Management	Construction method, period of use

2 설계풍속 및 적설심 산정

온실구조 설계 시 고려하여야 할 하중은 지속하중(고 정, 작물, 장비하중 등)과 순간하중(적설, 풍, 지진하중 등)이 있으나 온실은 경량구조물이기 때문에 풍하중 및 적설하중이 가장 큰 비중을 차지하고 있다(Kim 등, 2000). 농림수산식품부에서 고시(농림수산식품부 고시 제 2010-128호)한 설계풍속과 적설심(MIFAFF, 2010)은 관 측년수가 1994년까지의 기상자료를 활용하였기 때문에 본 연구에서는 2007년까지의 기상자료가 포함된 성주지 역의 설계적설심과 풍속을 분석하고자 성주지역에 가장 인접한 구미기상대 자료(Table 2)를 사용하여 성주지역 의 내재해형 규격을 위한 설계풍속과 설계적설심을 Kim 등(1992)이 제시한 방법으로 산정하였다.

Table 2.

Weather data used in determining the design loads.

Year	ha (m)	wm (m·s^–1)	WMI (m·s^–1)	wmi′ (m·^–1)	Sfall (cm)	Scover (cm)

1973	6	16.5	26.1*	29.7	3.9	3.9
1974	6	15	24.4*	27.7	27.3	29.3
1975	6	14	23.2*	26.4	3.0	3.0
1976	6	14.5	23.8*	27.1	15.7	15.7
1977	6	14.5	23.8*	27.1	3.6	3.6
1978	6	16	25.5*	29.0	4.2	4.2
1979	6	13	22.1*	25.1	5.6	5.6
1980	6	15.5	25.0*	28.4	4.9	4.9
1981	6	13.5	22.7*	25.8	10.7	10.7
1982	6	13	22.1*	25.1	5.6	6.3
1983	6	16.5	26.1*	29.7	3.4	3.7
1984	6	13.5	22.7*	25.8	4.4	5.2
1985	6	13	22.1*	25.1	5.7	5.7
1986	6	14.5	23.8*	27.1	6.8	7.3
1987	6	17	26.7*	30.3	10.1	11.6
1988	6	14	23.3*	26.4	2.3	2.3
1989	6	12.5	21.5*	24.5	5.9	6.8
1990	6	14	23.3*	26.4	13.3	24.2
1991	6	14.5	23.8*	27.1	4.9	7.5
1992	6	13	15.4	17.5	6.6	6.7
1993	9.6	10.5	16.7	16.9	9.3	12.7
1994	9.6	12.6	19.6	19.8	12.2	14.8
1995	9.6	10	16.3	16.5	1.9	1.9
1996	9.6	7.9	16.4	16.6	3.2	3.2
1997	10	6.9	14.4	14.4	8.5	8.5
1998	10	8.6	17	17.0	21.0	21.2
1999	10	12.2	18	18.0	2.0	2.0
2000	10	14.6	20.8	20.8	3.2	3.2
2001	10	8.6	17	17.0	21.0	21.0
2002	10	9.2	18.1	18.1	3.5	3.5
2003	10	10.7	19.8	19.8	8.8	15.5
2004	10	8.6	18.7	18.7	3.1	3.3
2005	10	9.5	19	19.0	7.5	7.5
2006	10	9.2	16.6	16.6	5.0	5.0
2007	10	11.2	22.6	22.6	1.0	1.0

Mean				22.9	7.4	8.4
Standard error				0.82	1.01	1.17
Median				25.11	5.60	5.70
Mode				27.07	5.60	7.50
Standard deviation				4.88	6.00	6.95
Dispersion				23.81	36.03	48.26
Kurtosis				-1.51	3.16	1.67
Skewness				-0.18	1.80	1.50
Minimum				14.4	1.00	1.00
Maximum				30.3	27.3	29.3
Number				35	35	35

H_a: Height of anemometer above the ground(m)

W_m : Maximum wind speed(m·^–1)

W_mi : Maximum instantaneous wind speed(m·s-1)

Wmi′ : Converted maximum instantaneous wind speed to 10m height above the ground(m·s−1)

S_fall : Maximum snow fall depth(cm)

S_cover : Maximum snow cover depth(cm)

* : Estimated data in regression equation between maximum instantaneous wind speed and maximum wind speed in inland region

3 내재해형 온실구조 모델 개발

3.1 동 간격 결정

인접동의 그림자에 의한 온실의 광투과율 영향을 분석 하기 위하여 본 연구에서는 1년 중 건물의 그림자가 가 장 길게 나타나는 동지를 기준으로 하여 인접한 온실에 그림자의 영향이 미치지 않는 온실의 적정 동 간격을 일 영분석 프로그램인 SunLight(KCIM Inc., Korea)와 AutoCAD(Autodesk Inc., USA)를 이용하여 분석하였다.

눈이 지붕면에서 흘러내리거나 인위적으로 눈을 쓸어 내려 온실 사이에 눈이 쌓이게 될 때 측압에 의한 피해 를 입지 않을 최소 동 간격을 식 (1)를 이용하여 산정하 였다(Baek, 2008).

(1)

D = \frac{W \cdot S - 100 d_{w} \cdot H_{e}}{100 H_{e} - S}

여기서, D: 최소 동 간격(m), H_e: 처마높이(m), W: 온실 폭(m), S: 설계적설심(cm), d_w: 지점과 처마의 폭방향 이 격거리(m) 이다.

3.2 온실 폭 결정

경지면적에 따른 온실의 폭은 식 (2)를 사용하여 산정 하였다. 토지이용율은 다소 감소하지만 작업성 등을 고 려하여 온실의 바깥쪽에도 동일한 동 간격을 두도록 하 였다(Baek, 2008).

(2)

D = \frac{A_{w} - D (M + 1)}{M}

여기서, A_w: 토지의 전체 폭(m), W: 단동온실 최대가능 폭(m), D: 최소 동 간격(m), M: 설치동수 이다.

3.3 설계하중 산정

온실의 지붕면이나 벽면에 작용하는 풍하중은 식 (3) 을 이용하여 구하였고, 풍력계수는 Fig. 1과 같다. 그리 고 속도압은 식 (4)를 이용하여 구하였다(JGHA, 1994; Kim 등, 2000; Lee 등, 1995).

(3)

P = C \cdot q \cdot A

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F1.jpg

Fig. 1.

Distribution of wind force coefficients for greenhouse.

여기서, C: 풍력계수, q: 속도압(N·m^-2), A: 유효수압면적 (m²) 이다.

(4)

q = 0.0197 V^{2} \sqrt{h}

여기서, V: 설계용 풍속(m·s⁻¹), h: 하우스 평균높이(m) 이다.

온실의 지붕위에 작용하는 적설하중은 식 (5)와 Fig. 2 를 사용하여 구하였으며, 눈의 단위체적중량은 Table 3 을 기준으로 하였고 지붕경사에 따른 절감계수는 Table 4를 기준으로 하였다(JGHA, 1994; Kim 등, 2000; Lee 등, 1995).

(5)

W_{s} = ρ \times D \times a

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F2.jpg

Fig. 2.

Distribution of snow load.

Table 3.

Unit volume weights by snow depth.

Snow depth (cm)	50 or less	100 or less	200 or less	400 or less

Unit volume weight (N cm^–1 m^–2)	0.10	0.15	0.22	0.35

Table 4.

The reduction coefficients of snow load by roof slope.

Roof slope	Roof slope 10°~20°	20°~30°	30°~40°	40°~60°	60°

Reduction coefficient	0.9	0.75	0.5	0.25	0

여기서, Ws: 적설하중(N·m⁻²), ρ: 적설의 단위체적중량 (N·cm⁻¹·m⁻²), D: 설계용 적설심(cm), α: 지붕경사 및 피 복재의 종류에 따른 절감계수이다.

온실 구조해석 시 설계하중은 풍하중과 풍하중+자중 중 불리한 조건 및 설하중과 설하중+자중 중 불리한 조 건으로 하여 설계하였다.

3.4 사용재료 및 구조안전성 검토

온실용 파이프는 2007년 KS 규격(KS D 3760) 개정 으로 기존의 아연도강관에서 일반 농업용 파이프(SPVH, SPVH-AZ)와 온실 구조용 파이프(SPVHS, SPVHS-AZ) 로 구분된다. 내재해형 온실은 반드시 온실 구조용 파이 프를 사용하여야 하므로 본 연구에 사용된 파이프의 규 격 및 기계적 성질은 Table 5와 같다. 온실의 구조계산 은 구조해석 전용 프로그램인 MIDAS-Gen(MIDAS IT, Korea)을 이용하였으며, 부재의 구조안전성은 식 (6)을 사용하여 계산한 최대응력과 부재의 허용응력을 비교하 여 판별하였다(AIK, 1998).

(6)

\begin{matrix} \frac{σ_{c}}{f_{c}} + \frac{σ_{b}}{f_{b}} \leq 1.0, & \frac{σ_{t} + σ_{b}}{f_{t}} \leq 1.0 \end{matrix}

Table 5.

5. Mechanical properties of structural pipes for greenhouse.

Member	Section area (A, cm²)	Section modulus (Z, cm³)	Tension strength (Fu, MPa)	Yield strength (Fy, MPa)	Allowable stress (ft, MPa)

φ25.4 mm ×1.5t	1.1263	0.6357	400	295	196
φ31.8 mm ×1.5t	1.4279	1.0331
φ48.1 mm ×2.1t	3.0348	3.3446

여기서, σ_c:축방향력에 의한 압축응력(MPa), σ_b: 휨모멘 트에 의한 압축응력(MPa), σ_t:축방향력에 의한 인장응력 (MPa), f_c: 허용압축응력(MPa), f_b: 허용휨응력(MPa), f_t: 허용인장응력(MPa)이다.

결과 및 고찰

1 단동온실 구조 현황

성주지역의 참외재배 온실의 구조실태 조사를 수행한 결과는 Table 6~Table 8과 같다. Table 6은 조사결과를 요 약한 것으로서 조사온실의 다수가 ø22.2mm 파이프를 사 용하고 있었으며 설치간격은 대부분이 1m 전후인 것으로 나타나 기상재해에 매우 취약한 실정인 것으로 분석되었 다. 원예특작시설 내재해형 설계도·시방서(MIFAFF, 2010)에 의하면 가로대의 권장설치 개수는 5~7개이나 조 사온실의 가로대는 용마루 부위에 ø22.2mm 파이프 1개 만을 설치한 것으로 조사되었다. 가로대는 설치 개수가 증가함에 따라 시공비 증가뿐만 아니라 골조율 증가, 결 로현상에 의한 물방울이 내부 보온덮개 및 작물에 떨어져 보온덮개의 개폐 및 재배상의 애로점이 생기고, 적설이 흘러내리지 않아 피해를 유발시키므로 설치를 기피하는 경향으로 나타났다. 조사온실의 시공주체를 조사한 결과, 모든 농가에서 성형활대 등을 이용하여 자가 시공하는 것 으로 나타났으며 시공 시 서까래 파이프의 매설깊이는 40cm 정도인 것으로 조사되었다.

Table 6.

The structural survey results of current greenhouses in Seongju region.

W (cm)	Hr (cm)	He (cm)	Rafter		ID (cm)	SW (°)	Purlin		CM	PU (year)	NF

			S (cm)	φ (mm)			NP	φ (mm)

420	190	95	102	22.2	40	6.0	1	22.2	Self	7	13
435	180	75	100	22.2	40	4.8	1	22.2	Self	7	11
440	190	100	101	22.2	40	8.5	1	22.2	Self	4	9
440	190	100	101	22.2	40	8.5	1	22.2	Self	7	20
440	190	100	101	22.2	40	8.5	1	22.2	Self	11	8
450	210	110	103	22.2	40	2.6	1	22.2	Self	4	7
450	210	110	103	22.2	40	2.6	1	22.2	Self	9	16
450	210	110	103	22.2	40	2.6	1	22.2	Self	10	13
450	220	115	108	22.2	40	5.0	1	22.2	Self	7	9
450	215	85	94	22.2	40	3.4	1	22.2	Self	6	10
450	215	85	94	22.2	40	3.4	1	22.2	Self	8	8
455	225	120	78	22.2	40	3.6	1	22.2	Self	9	15
465	205	110	81	22.2	40	6.5	1	22.2	Self	4	4
465	205	110	81	22.2	40	6.5	1	22.2	Self	8	10
465	205	110	81	22.2	40	6.5	1	22.2	Self	11	7
470	200	100	110	25.4	40	2.9	1	22.2	Self	6	11
470	200	100	110	25.4	40	2.9	1	22.2	Self	11	4
475	225	125	126	22.2	45	15.6	1	22.2	Self	6	12
480	190	90	105	22.2	40	0	1	22.2	Self	3	9
480	190	90	105	22.2	40	0	1	22.2	Self	7	11
480	190	90	105	22.2	40	0	1	22.2	Self	10	5
480	205	110	115	22.2	45	0	1	22.2	Self	8	13
480	205	110	115	22.2	45	7.1	1	22.2	Self	8	13
480	205	110	115	22.2	45	9.5	1	22.2	Self	8	6
480	210	117	103	22.2	40	13.5	1	22.2	Self	7	8
500	190	90	105	25.4	40	4.1	1	22.2	Self	4	3
500	190	90	105	25.4	40	4.1	1	22.2	Self	6	6
500	190	90	105	25.4	40	4.1	1	22.2	Self	11	11
500	205	105	101	22.2	40	0	1	22.2	Self	6	31
500	205	105	101	22.2	40	3.6	1	22.2	Self	11	11
500	205	105	101	22.2	40	8.1	1	22.2	Self	11	11
520	220	120	102	25.4	40	0	1	22.2	Self	4	3
520	220	120	102	25.4	40	2.8	1	22.2	Self	4	17
520	220	120	102	25.4	40	3	1	22.2	Self	5	14
520	220	120	102	25.4	40	6.1	1	22.2	Self	4	20
520	220	120	102	25.4	40	7.2	1	22.2	Self	5	14
565	220	100	107	25.4	40	7.1	1	22.2	Self	8	13
Total											406

* W : width of greenhouse, Hr : ridge height of greenhouse, He : eaves height of greenhouse, S : rafter interval, φ : rafter diameter, ID : embedded depth, SW : slope of side wall, NP : number of purlin, CM : construction method, PU : period of use, NF : number of farm

Table 7.

Section shapes of greenhouse in Seongju region.

Section shape	Arch type	Arch type	Peach type	Total

(A) Number of farm	226	97	83	406
Number of Greenhouse	1,177	404	487	2,068
Period of use(year)	7.33	6.01	6.22	-
Ratio(A/Total, %)	55.7	23.9	20.4	100

단동온실의 형태는 지붕형상에 따라 아치형, 양지붕형, 복숭아형으로 구분할 수 있으며 성주지역의 단동온실은 Table 7에서 보는 바와 같이 아치형 온실을 설치한 농가 가 55.7%로 가장 많은 것으로 나타났으나 하우스의 건 축연한이 짧은 최근의 온실일수록 양지붕형 또는 복숭아 형의 하우스가 많은 것으로 조사되었다. 단동온실의 적 설에 의한 피해는 과대 설하중에 견디지 못한 것이 원 인이나 1차적으로 지붕의 기울기가 15o미만이고 아치중 앙부위의 길이가 4m 정도로써 이 부분에 쌓인 눈에 견 디지 못해 시설골조가 M자 형태로 파손된다. 따라서 용 마루 부위를 약간 절곡하여 복숭아형으로 시공하면 눈이 자연스럽게 흘러내려 적설 피해를 줄일 수 있기 때문에 이를 많이 선호한 것으로 판단된다.

Table 8은 사용연수별 온실의 폭을 분석한 것으로서 사용연수에 따라 농가에서 선호하는 온실의 폭이 상이하 게 나타남을 알 수 있었다. 경지면적에 따른 토지이용률 증대 및 노동력 절감을 위해 최근에 시공한 온실일수록 폭은 넓어지고 동고는 높아지는 경향으로 나타났다.

Table 8.

Width of greenhouse by the period of use.

Greenhouse width	< 4.8 m	4.8 m	5.0 m	5.2 m	5.6 m	Total

(A) Numbers of farm	188	65	72	68	13	406
Period of use(year)	7.55	7.17	8.21	4.41	5.85	-
Ratio(A/Total, %)	46.3	16.0	17.7	16.8	3.2	100

Fig. 3과 Fig. 4는 조사온실을 대상으로 온실의 폭과 동 고, 동고와 처마높이의 관계를 분석하여 관계식을 유도한 결과이다. 온실의 폭이 증가함에 따라 동고는 직선적으로 증가하는 것으로 나타났고, 동고가 증가함에 따라 처마높 이도 직선적으로 증가하는 것으로 나타나 동고, 처마높이 및 온실 폭이 서로 직선적인 상관관계를 가지는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 유도된 관계식은 농가에서 구조 적 규격을 결정하는데 참고자료로 활용될 수 있을 것으 로 기대된다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F3.jpg

Fig. 3.

Relationship between ridge height and width in greenhouse.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F4.jpg

Fig. 4.

Relationship between eaves height and ridge height in greenhouse.

2 설계풍속 및 적설심

재현기간별 설계풍속 및 적설심을 산정한 결과는 Table 9와 같다. Table 9에서 보는 바와 같이, 본 연구에서 분석 된 구미지역의 재현기간 30년에 해당하는 설계적설심 23.7cm와 설계풍속 33.8m·s⁻¹는 다른 결과((Kim 등, 1992; Lee 등, 1995; MIFAFF, 2010)들과 비교하였을 때 설계적 설심은 낮게, 설계풍속은 높게 나타났다. 따라서 온실의 안전성을 고려하여 큰 값을 택하여 성주지역 내재해형 하 우스의 설계적설심은 25cm, 설계풍속은 35m·s⁻¹로 결정하 였다. 본 연구에서 결정된 설계적설심과 풍속을 농림수산 식품부(MIFAFF, 2010)에서 제시하고 있는 원예특작시설 의 내재해 설계기준과 비교하면 설계적설심은 별 차이가 없으나 설계풍속은 본 연구 결과가 8.8m·s⁻¹ 높게 산정되 어 돌풍 등에 안전한 참외재배용 비닐하우스 개발이 가능 할 것으로 판단된다.

Table 9.

Design wind speeds and snow falls by the recurrence period.

Recurrence period(year)	8	15	22	30	43	57

Design wind speed (m s ^–1)	28.2	30.8	32.4	33.8	35.2	36.3
Design snow precipitation (cm)	14.0	17.1	19.0	20.6	22.4	23.8
Design snow accumulation (cm)	16.0	19.6	21.8	23.7	25.7	27.3

재현기간에 따른 설계풍속 및 설계(신)적설심의 상관관 계식을 유도한 결과는 Table 10과 같이 로그함수 관계를 가지고 있는 것으로 나타났다. 유도된 식을 이용하면 Table 9에 나타나지 않은 재현기간에 따른 설계(신)적설 심 및 설계풍속을 산정할 수 있다.

Table 10.

Regression equations between design values and recurrence period.

Design wind speed	Design snow depth

	Precipitation	Accumulation

y = 4.0634Ln(x) +19.715	y = 5.001Ln(x) +3.4027	y = 5.7728Ln(x) +3.7755

* y : design value, x : recurrence period(year)

3 내재해형 구조 모델 개발

3.1 동 간격 결정

Fig. 5와 Fig. 6은 온실의 동고가 1.8m, 2.6m인 경우 에 시간대별로 그림자의 길이를 분석한 결과로서 시간이 경과할수록 그림자의 길이는 감소하다가 12:00시를 정점 으로 다시 증가하는 추세로 나타났다. 작물의 광합성이 활발히 진행되는 09:00~12:00의 그림자 길이는 건물높이 가 1.8m, 동서동인 경우에는 1.44~2.40m이며 건물높이 가 2.6m인 경우에는 2.53~4.13m인 것으로 나타나 인접 동에 의해 광환경이 불량하지 않기 위해서는 최소한 건 물높이 만큼은 이격시켜야 함을 알 수 있었다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F5.jpg

Fig. 5.

Shadow length by time and orientation of greenhouse(Ridge height = 1.8 m).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F6.jpg

Fig. 6.

Shadow length by time and orientation of greenhouse(Ridge height = 2.6 m).

Table 11은 식 (6)을 이용하여 조사온실의 최소 및 최 대 폭인 4.8m와 5.6m인 단동온실에 대하여 적설심에 따 른 최소 동 간격을 구한 것이다. Table 11에서 보는 바 와 같이 설계적설심이 클수록 최소 동 간격은 증가하며 온실의 폭과 처마높이가 증가할수록 최소 동 간격 또한 증가함을 알 수 있었다.

Table 11.

Minimum spacing(D) of greenhouse by snow depth.

Width(W) × Eaves height(He)	Slope of side-wall (dw, m)	Snow depth (S, cm)	Minimum spacing (D, m)

4.8m ×0.8m	0.1	20	1.47
		25	2.04
		30	2.72

4.8m ×1.2m	0.2	20	0.72
		25	1.01
		30	1.34

5.6m ×1.2m	0.2	20	0.88
		25	1.23
		30	1.60

3.2 내재해형 온실 구조 모델 개발

1. 단동 온실

참외재배용 온실의 규격은 광환경 및 경지면적 등을 고 려하여 온실의 폭을 결정하였으며 결정된 폭으로 본 연구 에서 유도된 회귀식(Fig. 3 및 Fig. 4)을 이용하여 단동온 실의 동고 및 처마높이를 결정하였다. 그리고 단동온실에 사용되는 서까래용 파이프 길이는 9.0m로 한정하여 온실 의 폭을 기존보다 넓게 하여 작업성 및 토지이용율을 증 가시킬 수 있도록 하였다. 본 연구에서 결정한 성주지역의 재현기간 30년에 해당하는 설계풍속 35m·s⁻¹, 설계적설심 25cm를 적용하여 구조계산을 실시하여 단동온실 4종을 Table 12 및 Fig. 7과 같이 개발하였다.

Table 12.

Models of single-span greenhouse and dimensions of their members.

Model	Greenhouse dimensions(m) (Width×Eaves×Ridge×Length)	Dimension of member			Embedded depth (m)

		Diameter ×Thickness (mm)	Spacing (m)	Length (m)

SJ-1	5.4×1.2×2.6×97	ø25.4×1.5t	0.80 m	9.0 m	Greater than 0.4
SJ-2-1	5.6×1.2×2.4×97	ø31.8×1.5t	1.00 m	9.0 m
SJ-2-2	5.6×1.2×2.4×97	ø25.4×1.5t	0.65 m	9.0 m
SJ-3	5.8×1.3×2.6×97	ø31.8×1.5t	0.90 m	9.5 m

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F7.jpg

Fig. 7.

Drawings of models for single-span greenhouse.

Table 12에서 보는 바와 같이, 규격이 ø25.4 × 1.5t, ø31.8 × 1.5t이고 직경이 길이가 9m와 9.5m인 파이프로 시공이 가능한 폭이 5.4, 5.6, 5.8m인 온실의 서까래 간 격을 결정하였다. 그리고 개발된 온실의 정면도와 측면 도는 Fig. 7과 같다.

2. 2연동 온실

일반적으로 참외재배는 투광성이 우수한 단동온실에서 주로 재배되고 있으나 피복 및 보온자재의 발전으로 단 동온실에 비해 투광성이 약간 떨어지는 2연동온실에서도 참외재배가 가능할 것으로 판단된다. 그리고 2연동온실 은 단동온실에 비해 투광성은 다소 불량할 수 있으나 보온성과 토지이용율 증가에 따른 생산성 향상과 재배관 리 편리성 등을 고려할 때 참외재배용 2연동온실의 개 발이 필요하여 Table 13 및 Fig. 8과 같은 2연동온실을 개발하였다.

Table 13.

Model of double-span greenhouse and dimensions of their members.

Model	Greenhouse dimensions(m) (Width×Eaves×Ridge×Length)	Element	Diameter×Thickness (mm)	Spacing (m)	Length (m)	Embedded depth (m)

SJ-W	5.5×1.3×2.7×97.0	Rafter	ø31.8×1.5t	0.8	7.8	0.4
		Column	ø48.1×2.1t	3.0	2.0	0.7
		Purlin 1	ø48.1×2.1t		97.0
		Purlin 2	ø25.4×1.5t		97.0

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F8.jpg

Fig. 8.

Drawings of model for double-span greenhouse.

3. 연결온실

참외는 비교적 고온성 작물로서 발아온도는 25~30°C 범위이고 야간의 온실 내부온도의 적온 범위는 18~20°C, 지온의 적온 범위는 20~25°C 이다. 참외의 정 식은 12~1월 사이에 이루어지므로 겨울철 생육적온을 유지하기 위해서는 주간에 많은 열을 하우스 내부에 저 장하여야 하며, 야간에는 반드시 보온덮개 등을 이용하 여 보온을 하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 참외 재 배용 온실의 겨울철 일조환경의 보완과 트랙터 등의 작 업환경을 개선하고자 Fig. 9와 같이 여러 개의 단동온실 또는 2연동온실을 연결할 수 있는 ‘연결온실’을 Fig. 10 과 같이 개발하였으며 부재별 사용자재와 설치간격은 Table 14와 같다.

Table 14.

Model of extension greenhouse.

Model	Greenhouse dimensions(m) (Width×Eaves×Ridge×Length)	Element	Diameter×Thickness (mm)	Interval (m)	Length (m)	Embedded depth (m)

SJ-E	5.5×2.7×3.8×26.6	Rafter	ø31.8×1.5t	0.7	8.8	0.4

		Column	ø48.1×2.1t	5.6(1.4)	3.4	0.7

		Cross beam	ø48.1×2.1t	5.6(1.4)	5.5	-
		Cross beam	ø25.4×1.5t	7.0	5.5	-

		Purlin	ø48.1×2.1t		26.6	-
		Purlin	ø25.4×1.5t		26.6	-

		Supporter	ø31.8×1.5t	2.8(1.4)	2.7	-

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F9.jpg

Fig. 9.

Extension greenhouse of single-span and double-span greenhouses.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F10.jpg

Fig. 10.

Drawings of model for extension greenhouse.

3.3 내재해형 온실의 구조안전성

성주지역의 내재해형 설계하중을 참외재배용 온실에 적용시켜 구조해석을 수행한 결과는 Fig. 11~Fig. 16 및 Table 15~Table 17과 같다. Fig. 11~Fig. 16은 구조물의 변형도, 휨모멘트도, 축방향력도 및 전단력도를 나타낸 것이며, Table 15~Table 17은 설계하중에 대한 최대단면 력과 구조안전성을 분석한 결과이다.12 13 14 15 Table 16

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F11.jpg

Fig. 11.

Structural analysis of SJ-1 type single-span greenhouse (wind load).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F12.jpg

Fig. 12.

Structural analysis of SJ-1 type single-span greenhouse (snow load).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F13.jpg

Fig. 13.

Structural analysis of SJ-W type double-span greenhouse (wind load).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F14.jpg

Fig. 14.

Structural analysis of SJ-W type double-span greenhouse (snow load).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F15.jpg

Fig. 15.

Structural analysis of SJ-E type extension greenhouse (wind load).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/phpf/2014-023-02/KSBEC-23-95/images/KSBEC-23-95_F16.jpg

Fig. 16.

Structural analysis of SJ-E type extension greenhouse (snow load).

Table 15.

Maximum section forces and structural safety of single-span greenhouse.

Type	Load	Moment (N-m)	Axial Force (N)	Shear Force (N)	Safety factor

SJ-1	WindLoad	–108.0	329.2	–263.1	0.95
SJ-1	SnowLoad	108.7	–389.9	159.9	0.96

SJ-2-1	WindLoad	–173.6	453.3	-390.1	0.88
SJ-2-1	SnowLoad	166.3	–516.0	250.4	0.90

SJ-2-2	WindLoad	–112.8	294.8	–253.4	0.93
SJ-2-2	SnowLoad	108.0	–335.1	162.6	0.96

SJ-3	WindLoad	–181.0	435.0	–381.0	0.92
SJ-3	SnowLoad	160.3	–475.8	224.3	0.88

Table 16.

Maximum section forces and structural safety of double-span greenhouse.

Member	Load	Moment (N-m)	Axial Forcev(N)	Shear Force (N)	Safety factor

Rafter	WindLoad	-189.5	465.4	-368.8	0.96
Rafter	SnowLoad	162.4	-434.4	205.1	0.92

Column	WindLoad	-202.8	2634.2	-232.8	0.31
Column	SnowLoad	79.5	0.0	-795.3	0.50

Purline	WindLoad	-203.0	0.0	-812.2	0.36
Purline	SnowLoad	262.6	0.0	1050.3	0.22

Table 17.

Maximum section forces and structural safety of extension greenhouse.

Member	Load	Moment (N-m)	Axial Force (N)	Shear Force (N)	Safety factor

Rafter	WindLoad	–175.1	–63.6	–334.8	0.87
Rafter	SnowLoad	172.6	0.0	493.2	0.92

Column	WindLoad	–277.0	832.2	–544.6	0.44
Column	SnowLoad	23.9	–685.7	–27.0	0.11

Cross beam (f48.1 × 2.1t)	WindLoad	–103.4	–2667.8	–342.9	0.11
Cross beam (f48.1 × 2.1t)	SnowLoad	20.3	428.6	40.1	0.08

Cross beam (f25.4 × 1.5t)	WindLoad	–19.2	410.3	–13.7	0.17
Cross beam (f25.4 × 1.5t)	SnowLoad	10.6	–340.1	15.4	0.16

Purline	WindLoad	–142.3	0.0	–406.6	0.22
Purline	SnowLoad	166.0	0.0	474.3	0.31

Fig. 11~Fig. 16에서 보는 바와 같이 단동온실에 풍하 중과 설하중 재하시 변형도, 휨모멘트도, 축방향력도 및 전단력도는 온실 유형별로 유사한 경향으로 나타났으며, 풍하중과 설하중을 각각 재하시킬 경우 최대단면력이 발 생되는 위험부위는 지점 및 처마인 것으로 나타났다. 연 동온실에 풍하중 재하시 서까래의 최대단면력은 풍상측 지점에서 발생하였으며, 기둥의 최대단면력은 지점에서 발생하였다. 그리고 설하중 재하시 최대단면력은 곡부부 위에서 발생하였다. 이러한 온실유형 및 부재별 최대단 면력은 Table 15~Table 17에서 보는 바와 같으며, 부재 별 최대단면력에 대한 최대응력과 허용응력비는 1.0 미 만으로 나타났다.

사 사

본 연구는 농림축산식품부 첨단생산기술개발사업에 의 해 이루어진 것임

References

Architectural Institute of Korea(AIK). 1998. Steel Pipe Structure Design Code and Commentary. p. 27 (in Korean)

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Kim, M.G., J.E. Son, S.W. Nam, D.G. Lee, S.J. Rhie. 1992. Studies on the structural design of biological production facility: Frequency analysis of weather data for design load estimation. Journal of Bio-Environment Control 1(1):1-13 (in Korean).

Kim, M.G., S.W. Nam, W.M. Suh, Y.C. Yoon, S.G. Lee, and H.W. Lee. 2000. Agricultural structural engineering. Seoul: Hyangmunsa (in Korean).

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Journal of Bio-Environment Control ISSN:1229-4675(Print) 2765-3641(Online) 생물환경조절학회지

Preview

Current Status and Development of Greenhouse Models for Oriental Melon Cultivation in Seongju Region

ABSTRACT

MAIN

Table 1.

The contents of survey.

Table 2.

Weather data used in determining the design loads.

(1)

(2)

(3)

Fig. 1.

(4)

(5)

Fig. 2.

Table 3.

Unit volume weights by snow depth.

Table 4.

The reduction coefficients of snow load by roof slope.

(6)

Table 5.

5. Mechanical properties of structural pipes for greenhouse.

Table 6.

The structural survey results of current greenhouses in Seongju region.

Table 7.

Section shapes of greenhouse in Seongju region.

Table 8.

Width of greenhouse by the period of use.

Fig. 3.

Fig. 4.

Table 9.

Design wind speeds and snow falls by the recurrence period.

Table 10.

Regression equations between design values and recurrence period.

Fig. 5.

Fig. 6.

Table 11.

Minimum spacing(D) of greenhouse by snow depth.

Table 12.

Models of single-span greenhouse and dimensions of their members.

Fig. 7.

Table 13.

Model of double-span greenhouse and dimensions of their members.

Fig. 8.

Table 14.

Model of extension greenhouse.

Fig. 9.

Fig. 10.

Fig. 11.

Fig. 12.

Fig. 13.

Fig. 14.

Fig. 15.

Fig. 16.

Table 15.

Maximum section forces and structural safety of single-span greenhouse.

Table 16.

Maximum section forces and structural safety of double-span greenhouse.

Table 17.

Maximum section forces and structural safety of extension greenhouse.

사 사

References