서 론
재료 및 방법
1. 온실 구조해석 프로그램 GHModeler
2. 인터페이스 요소의 강성 계수 평가
3. 횡하중 실험
결과 및 고찰
1. GHModeler 서까래-도리 접합부 설정
2. 강성계수 평가
3. 실험 결과와 해석 결과의 비교
서 론
온실은 안정적인 작물 생산과 고품질화를 가능하게 하는 핵심 재배 시설이다. 그러나 국내 온실 구조물은 경량화 및 경제성을 우선시하는 설계 특성으로 인해 기상 재해에 따른 구조적 피해에 취약하다. 특히 우리나라와 같이 사계절이 뚜렷하고 폭설과 태풍 등 재해가 빈번한 지역에서는 온실 붕괴와 파손 사례가 지속적으로 보고되고 있으며(Ryu 등, 2019), 이는 농가의 심각한 경제적 손실과 더불어 인명 피해까지 유발하고 있다. 최근 경기도 지역의 기록적인 폭설로 인한 온실 피해는 이러한 문제를 여실히 보여주며(Kim, 2024), 온실 안전성 확보가 농가의 시설 피해를 줄이는 핵심 과제이다.
온실 안전성 평가는 설계 이후의 유지관리 단계에서만 논의되어서는 충분하지 않으며, 설계 초기 단계에서부터 구조 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 체계가 마련되어야 한다. 이를 위해 다양한 구조해석 기법이 적용되어 왔으며 풍하중 및 적설하중과 같은 외력 조건에 대한 저항 능력을 해석적으로 검증하는 연구가 활발히 이루어졌다(Lee와 Ryu, 2022; Lee 등, 2025; Seo 등, 2025; Shin 등, 2021). 그러나 기존 해석 기법은 온실 부재의 접합부 특성을 단순화하는 경향이 있어(Song 등, 2022), 실제 구조 거동을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있다. 따라서 수치해석과 더불어 실증 실험을 통해 온실 구조물의 안전성을 종합적으로 검증하는 연구가 필요하다.
이와 관련하여 Lee와 Ryu(2022)는 온실의 주요 구조 부재인 서까래(rafter)와 도리(purlin) 간의 결합 특성을 고려할 수 있는 수치해석 프로그램 GHModeler를 개발하였다. GHModeler는 접합부의 비선형 거동을 인터페이스 요소(interface element)로 구현하여 구조 해석을 수행할 수 있다는 점에서 기존 모델과 차별성을 지니며, 풍하중 및 적설하중 조건을 적용한 다양한 해석 케이스를 통해 해석 결과의 타당성을 제시한 바 있다. 이러한 연구는 온실 구조물의 실질적인 거동을 반영한 구조해석 기반 안전성 평가의 가능성을 제시하였다(Ryu 등, 2012).
그럼에도 불구하고, GHModeler와 같은 해석 프로그램의 신뢰성을 확보하기 위해서는 실물 크기 온실을 대상으로 한 실증실험 결과와의 비교·분석이 반드시 필요하다. 실험 자료와 해석 결과 간의 정량적 일치 여부를 검토함으로써, 프로그램의 적용 가능성과 한계를 명확히 규명할 수 있기 때문이다. 특히 접합부의 강성 특성이나 하중 조건에 따른 변위 및 변형률의 차이는 온실 붕괴 메커니즘 이해와 직결되므로 실험과 해석 간 상호 보완적 연구가 요구된다.
기존 연구에서는 반강접 죔쇠의 변형 모드를 실험적으로 규명하고, 인터페이스 요소를 적용한 비선형 FEM 해석을 통해 온실 구조의 취약성을 평가하였다. 이를 통해 선형 죔쇠(Steel wire clamp)만으로 시공된 온실의 구조적 한계와 반강접 거동을 고려한 설계 필요성이 제시되었다(Seo 등, 2025). Lee 등(2025)는 온실 구조의 반강접(semi-rigid) 접합부가 구조 안전성에 큰 영향을 미친다고 보고하였다. 특히 선형 죔쇠와 판형 죔쇠(steel plate clamp)를 적용한 실험을 통해 접합부의 미끄럼, 회전, 비틀림 등 다양한 변형 모드별 강성 계수와 극한하중이 제시되었으며, 판형 죔쇠가 선형 죔쇠보다 최대 10배 이상의 강도를 나타냈다. 이러한 결과는 온실 구조 해석에서 접합부의 세부 거동을 반영해야 한다는 필요성을 뒷받침하며, 구조 설계와 안전성 평가의 정밀성을 향상시키는 기초 자료로 활용될 수 있다.
이에 본 연구는 GHModeler 구조해석 프로그램을 활용하여 서까래와 도리 접합부를 모두 선형 죔쇠로 결합한 실증 실험 결과와의 비교 분석을 통해 프로그램의 해석 정확도를 검증하고자 한다. 연구의 구체적인 목적은 수평 하중 조건에서 GHModeler 해석 결과와 실증실험 결과를 정량적으로 비교하는 것이다.
재료 및 방법
1. 온실 구조해석 프로그램 GHModeler
GHModeler는 범용 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA) 프로그램과 달리 온실 구조의 특수성을 반영하도록 설계되었으며, 특히 서까래–도리 접합부와 같은 교차부의 반강접 거동을 모사할 수 있다는 점에서 기존 해석 도구와 차별성을 지닌다.
GHModeler의 가장 큰 특징은 접합부 모델링에서 나타난다. 일반적인 구조해석 프로그램에서는 접합부를 단순히 강접이나 힌지로 이상화하는 경향이 있으나, GHModeler는 교차 연결로 접합된 서까래-도리 사이의 상호작용을 인터페이스 요소를 도입하여 접합부의 비선형 거동을 구현할 수 있도록 하였다. 이를 통해 접합부의 풀림(unfastening), 비틀림(twisting), 미끄럼(sliding), 회전(rotation) 등 6 자유도에 대한 강성 계수(stiffness coefficient, k)와 항복하중(yield load, fyp)을 직접 입력할 수 있으며, 실험에서 산출된 물리적 데이터를 해석 모델에 그대로 반영할 수 있다. 이러한 기능은 단순화된 해석 모델이 가지는 한계를 보완하고 실제 구조 거동을 보다 정밀하게 재현할 수 있게 한다.
프로그램은 물량산출, 구조해석, 그늘 분석 기능 등으로 이루어져 있으며, 사용자 인터페이스는 온실 형상(폭, 동고, 측고, 지붕 곡률 등), 부재 단면, 접합부 유형 및 방향(Longitudinal, Lateral), 하중 조건 등을 직관적으로 설정할 수 있도록 설계되었다. 또한 외력 조건으로 풍하중, 적설하중을 적용할 수 있으며, 출력 결과로는 부재별 응력, 모멘트, 축방향력, 전단력, 변위 등이 제시된다. 이와 같은 특성은 단동형, 연동형, 보조 기둥 설치형 등 다양한 온실 구조 형식에의 적용을 가능하게 한다.
본 연구에서는 GHModeler를 활용하여 실물 규모 단동 온실 실험체와 동일한 형상을 모델링하였으며, 실험을 통해 도출된 서까래–도리 접합부의 강성 계수를 입력하여 해석을 수행하였다.
2. 인터페이스 요소의 강성 계수 평가
2.1 실험체 제작
온실 구조의 서까래－도리 교차부에 적용되는 인터페이스 요소의 강성을 평가하기 위하여, 시중에서 일반적으로 사용되는 선형 죔쇠를 적용한 실험체를 제작하였다. 실험체는 KS 규격 강관(KS D 3760, 2023)을 사용하였으며, 서까래와 도리 부재를 모사하기 위해 길이 300mm로 절단하여 구성하였다. 선형 죔쇠 실험체의 경우 서까래 외경은 31.8mm, 도리 외경은 25.4mm로 제작하였다. 이를 통해 실제 현장에서 널리 사용되는 교차 결속부의 특성을 충실히 반영할 수 있도록 하였다.
2.2 실험장치 및 고정방법
교차 결속부의 6 자유도에 대한 성능을 정량적으로 평가하기 위하여, 각 자유도의 변위 및 변형 거동을 독립적으로 측정할 수 있는 전용 지그(jig)를 설계·제작하였다. 실험체는 해당 지그에 고정하여 접합부의 풀림, 비틀림, 미끄럼, 회전에 대한 거동을 재현할 수 있도록 하였다.
2.3 하중조건 및 실험방법
각 자유도별 강성을 산정하기 위해 하중은 5mm·min-1 속도로 점진적으로 증가시키는 방식으로 부여하였으며, 축 방향 및 수평 방향 하중을 통해 병진 자유도의 저항 성능을 측정하고, 모멘트 하중을 가하여 서까래–도리 접합부의 회전 저항 특성을 평가하였다. 실험 결과는 하중–변위 곡선을 통해 비선형 거동과 항복 특성을 분석하고, 초기 선형 구간의 기울기를 통해 각 자유도별 강성 값을 산출하였다. 이를 바탕으로 선형 죔쇠의 강성 차이를 정량적으로 비교하여 서까래-도리 접합부의 거동을 규명하였으며, 최종적으로 온실 구조해석 프로그램(GHModeler)의 인터페이스 요소 모델 검증에 활용하였다. 인터페이스 요소 모델 검증에 필요한 강성계수와 항복한계는 Lee와 Ryu(2022) 논문을 참고하여 도출하였다.
3. 횡하중 실험
3.1 모델 개요
본 연구에서는 죔쇠(조리개) 접합부의 구조적 성능을 평가하기 위하여 실물 크기의 단동 온실을 대상으로 횡하중 재하 시험을 수행하였다(Fig. 1). 시험 대상 온실은 폭 8.2m, 측고 1.6m, 동고 3.5m, 길이 1.8m의 규격으로 제작하였으며(Fig. 2), 재하 조건은 가력 속도 5mm·min-1로 하여 최대 변위 150mm에 도달할 때까지 하중을 가하였다. 가력기의 고정 위치는 처마 부근 1.3m 높이에 설치하였다. 주요 조사항목은 수평 변위 2개소, 수직 변위 2개소 및 변형률 3개소를 계측 대상으로 설정하였다. 수평 변위계(DH)는 처마 부근과 기둥 하단부에, 수직 변위계(DV)는 동고와 지붕 도리에 설치하였다. 변형률계(S)는 기초 고정단 부근에 부착하여 응력 분포를 측정하였다. 설치 위치는 선행 연구(Shin 등, 2021)를 참고하여 변위와 응력이 집중되는 지점을 중심으로 선정하였다. 이를 통해 실험에서 도출된 거동 특성을 강성 계수를 적용한 GHModeler 해석 결과와 비교 검토하여 접합부의 성능을 평가하였다.
3.2 경계조건
본 연구에서는 지점 조건을 구조 해석과 실증 실험 모두에서 고정단(fixed support)으로 모델링하였다. 이는 일반적으로 온실 구조 설계 시 단동 및 연동 온실에서 지점을 고정 조건으로 가정하는 설계 기준을 따라 동일한 조건을 적용하였다.
결과 및 고찰
1. GHModeler 서까래-도리 접합부 설정
GHModeler의 선형 죔쇠 설정 화면은 서까래–도리 접합부의 강성 계수(k)와 항복 하중(fyp)을 입력하는 과정을 보여준다(Fig. 3(a)). 이 화면에서는 접합부의 축방향 및 병진, 회전, 비틀림 등 6 자유도 거동을 고려할 수 있으며, 각 모드별 강성 값과 항복 특성을 반영하도록 구성되어 있다. 이를 통해 실험에서 산출된 데이터를 직접 해석 모델에 적용할 수 있다. 또한 GHModeler의 온실 모델링 화면은 단동 온실 구조의 형상(폭, 동고, 측고, 지붕 곡률 등)과 부재 단면을 정의한 뒤, 서까래–도리 접합부에 적용되는 유형(steel wire)과 방향(longitudinal, lateral)을 설정하는 과정을 나타낸다(Fig. 3(b)). 이러한 설정을 통해 실제 온실 구조의 기하학적 특성과 접합 조건을 반영할 수 있다.
2. 강성계수 평가
각 모드별 강성은 재하 시험으로 부터 얻어진 하중–변위 곡선(Fig. 4)을 바탕으로 산정하였다. 실험 결과의 곡선은 일반적으로 직선 형태로 단순화 되기 어렵지만, 탄성 구간과 소성 구간을 구분하여 두 개의 선형 구간으로 근사할 수 있다. 탄성 구간에서 하중 대비 변위의 기울기를 강성계수로 정의하였으며, 곡선의 변곡점에 해당하는 하중 또는 모멘트 값을 항복 한계로 설정하였다(Lee와 Ryu 2022).
하중–변위 시험을 통해 산출된 각 변형 모드별 강성계수와 항복한계를 정리한 결과(Fig. 4), 서까래가 도리 축을 따라 미끄러지는 경우의 강성 계수 243,228.92N·m-1, 항복 하중 164 N으로 가장 큰 강성 특성을 나타내었다. 반면, 도리가 서까래 축을 따라 미끄러지는 경우는 강성 계수 30,426.78N·m-1, 항복 하중은 118N으로 상대적으로 작은 값을 보였다. 선형 죔쇠의 방향에 따라 강성 특성이 크게 달라짐을 보여주며(Ogawa 등, 1990), 접합부 해석 시 이를 고려할 필요가 있음을 시사한다. 회전 모드에서는 서까래가 도리 축을 중심으로 회전할 경우 강성 계수 82.07N·m-1, 항복 모멘트 1.651N·m가 나타났으며, 도리가 서까래 축을 중심으로 회전하는 경우에는 강성 계수 722.29N·m-1, 항복 모멘트 5.056N·m로 비교적 큰 저항 성능을 나타냈다. 한편, 비틀림 모드에서는 강성 계수 72.5N·m-1, 항복 모멘트 19.425N·m가 산정되어 다른 회전 모드에 비해 모멘트 저항 능력이 우수하게 나타났다.
Lee 등(2025)가 분석한 결과와 본 연구 결과를 비교하면, 측정한 선형 죔쇠의 미끄럼 및 풀림 강성은 약 10% 이내로 유사한 값을 보였으나, 비틀림과 회전 강성에서는 30% 이상 차이가 발생하였다. 이러한 차이는 사용된 강선 죔쇠의 종류와 실험 방법의 차이에 기인한 것으로 해석된다. 따라서 서까래–도리 접합부의 강성을 평가할 때에는 본 연구와 같이 접합부의 세부 특성과 실험 조건을 충분히 고려할 필요가 있다.
3. 실험 결과와 해석 결과의 비교
온실 모델은 실험을 용이하게 하고 서까래–도리 접합부의 영향을 확대하기 위하여 비교적 단순한 형상으로 제작되었다. 해당 모델은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 단일 집중 하중이 작용하는 하중 조건에 대하여 GHModeler를 이용해 해석되었다. 실험에서 측정된 변위는 해석 결과와 비교하였으며, 연구의 목적은 실험에서 산출된 강성 계수를 반영한 인터페이스 요소 적용 시 해석 결과의 변화를 검토하고자 하였다. 그 결과, 서까래–도리 접합부의 반강접(semi-rigid) 거동은 인터페이스 요소를 적용한 해석을 통해 강접(rigid connection) 접합부보다 실제 구조 거동을 더욱 현실적으로 반영할 수 있음을 확인하였다.
Fig. 5는 (a) 수평 변위와 (b) 수직 변위에 대한 하중–변위 곡선을 나타내며, 실험 결과와 구조해석 결과를 비교하였다. 그래프에서 확인되는 바와 같이, 인터페이스 요소를 적용한 해석 결과는 강접 접합부 모델보다 실험 결과에 더 근접한 변위 거동을 재현하였다.
Fig. 6은 세 지점(S1, S2, S3)에 대한 하중–응력 관계를 제시한 것으로, 실험 결과와 수치해석 결과를 비교·분석하였다. 인터페이스 요소를 적용한 해석과 실규모 재하 시험은 공통적으로 하중 증가에 따라 응력이 비선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 반면 강접 접합부 해석은 전체적으로 낮은 응력 값을 나타냈다. S1 지점에서는 인터페이스 요소 해석 결과가 항복 응력에 도달한 이후 더 이상 응력이 증가하지 않는 양상을 보여 접합부 항복 구간의 강성 계수 특성이 반영한 것으로 판단된다. 특히 S2 및 S3 지점의 인터페이스 요소 해석 결과는 실험치와 매우 유사하게 나타나 실제 하중–응력 거동을 정밀하게 재현할 수 있음을 확인하였다. 다만, S3 지점에서는 하중이 약 900 N을 초과하는 구간부터 실험치와 해석치 간 차이가 발생하였는데 이러한 차이는 한 지점에서의 수평하중 재하에 따라 접합부의 하중 전달이 원활히 이루어지지 못한 데 기인한 것으로 해석된다. 이러한 분석을 통해 제안된 해석 방법의 타당성이 검증되었으며, 향후 온실 구조물의 성능 예측에도 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구와 Ryu 등(2012)의 연구는 모두 실규모 재하 시험과 수치해석을 통해 온실 구조물의 거동 특성을 규명하였다는 점에서 유사하다. 그러나 기존 연구는 플라스틱 필름 온실을 대상으로 교차 결합부와 기초 조건을 변수로 설정하고, 접합부를 단순화하여 구조 전체의 변위와 내력 특성을 평가한 반면, 본 연구는 GHModeler 해석 프로그램에 인터페이스 요소를 활용하여 서까래–도리 접합부의 반강접 거동을 정량적으로 반영하였다는 점에서 차별성을 가진다. 특히, 6 자유도에 따른 강성 계수와 항복 특성을 실험적으로 도출하여 해석 모델에 직접 적용함으로써 강접 접합부 모델보다 실험 결과를 더 정확하게 재현할 수 있었다.
이러한 차이는 기존 연구가 기초 조건과 접합부 단순화가 구조 전체 거동에 미치는 영향을 확인하는 데 초점을 두었다면, 본 연구는 접합부 자체의 세부 강성 특성을 반영하여 해석 정밀도를 향상시켰다는 점에서 의의가 있다. 다만, 본 연구는 단동 온실 구조에 국한되어 수행되었음으로 다양한 구조 형식과 재하 조건에 대한 추가적인 검증이 필요하다. 향후 연구에서는 접합부 유형의 다양화, 연동형 온실 적용, 하중 조건의 확대 등을 통해 GHModeler의 적용성을 한층 더 강화할 필요가 있다.
그리고 Seo 등(2025)은 비선형 FEM 해석으로 다양한 설계변수(선형·판형 죔쇠)에 따른 구조 취약성을 분석한 반면, 본 연구에서는 실물크기 실험체를 제작하여 선형 죔쇠에 의한 거동을 정량적 비교 분석하였다. 두 연구는 각각 해석 모델의 신뢰성 확보와 접합부 설계의 개선 필요성을 강조하였다.
Table 1은 실물 크기 단동 온실을 대상으로 수행한 재하 시험 결과와 GHModeler 해석 결과를 비교한 것으로, 수평 변위(DH2), 수직 변위(DV2), 그리고 응력(S1)에 대해 강접합(Full-rigid) 모델과 인터페이스 요소 모델의 오차율을 제시하였다. 하중 초기 구간(150 N)에서 강접합 모델은 수평 변위와 수직 변위에서 각각 58.2%와 56.7%의 오차율을 보인 반면, 반강접 모델은 수평 변위에서 실험치와 일치(0.0%), 수직 변위에서 －31.3%로 다소 과소평가하는 결과를 나타냈다. 하중이 증가함에 따라 강접합 모델은 전반적으로 변위와 응력을 과대평가하는 경향이 지속되었으며, 특히 수평 변위에서는 최대 310.2%까지 오차가 확대되었다. 반면 인터페이스 요소 모델은 일부 구간에서 과소·과대평가가 혼재하였으나, 전체적으로 강접합 모델보다 실험 결과와 근접한 값을 나타냈다.
Table 1.
Error rate of full-rigid connection model and modeling with interface element compared with full-scale greenhouse test results.
응력(S1)의 경우에도 강접합 모델은 하중 증가에 따라 실험값을 과대평가하는 경향을 보였으며, 최대 84.6%까지 오차가 증가하였다. 반면 인터페이스 요소 모델은 －9.1%에서 3.2% 범위 내에서 변화하며, 실험 결과와의 차이가 비교적 안정적으로 유지되었다. 따라서 Table 1의 비교 결과는 GHModeler에 인터페이스 요소를 적용할 경우, 강접합 모델 대비 실험값에 훨씬 근접한 해석 결과를 도출할 수 있음을 보여주며 이는 온실 구조물의 실제 거동을 보다 정밀하게 재현할 수 있음을 시사한다.
