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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(1); 2017 > Article
비규격 비닐하우스 보험심사를 위한 설계강도 산출모형 개발

Abstract

Has been reported vinyl house damage caused by typhoons and heavy snow every year, it is to enforce the wind and flood insurance system in order to reduce the farmers of the burden from the damage that occurs to such a disaster. However, vinyl house type to be applied to the insurance is limited to Disaster-Resistant of vinyl house that has been presented to 「No.2014-78」 that has been notice by NAFRA (Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs). For this reason, in this study, to develop a simple estimation model of the design strength of the non-disaster-resistant of vinyl house for establishing underwriting standards during the wind and flood insurance coverage. Analyzing the specifications of the disaster-resistant of vinyl house, to develop estimation equation design wind speed, performing multiple regression analysis.

요지

매년 태풍으로 인한 비닐하우스 피해가 보고되고 있으며, 농민들의 부담을 덜기위해 풍수해보험 제도를 시행하고 있다. 하지만 풍수해보험 가입 대상은 규격(내재해형) 비닐하우스로 한정되어 있으며, 설계강도를 추정하기 어려운 비규격 온실은 가입대상에서 제외되고 있다. 따라서 본 연구에서는 비규격 온실에 대한 풍수해보험 부보시 가입 심사기준 수립을 위해 비닐하우스의 주요제원을 이용하여 다중회귀분석을 수행하였으며, 이를 통해 도출된 회귀식으로부터 풍속에 대한 설계강도을 추정할 수 있는 모형을 개발하였다. 또한 모형의 검증을 위해 구조해석 결과와의 비교를 실시하였으며, 검증 결과 오차평균 1.7m/s로 풍수해 보험 부보시 보험사의 수용범위를 고려하여 적용 가능할 것으로 판단된다.

1. 서론

국내는 매년 대설 및 태풍으로 인한 온실의 피해가 발생하고 있으며, 특히 태풍은 연간 약 3.1개가 국내에 영향을 미치고 있어, 이로 인한 비닐하우스 파손 등의 피해가 보고되고 있다. 이와 같은 이유로 온실의 피해를 경감하기 위한 연구와 관심이 증가하고 있다.
농촌진흥청(2015)에서는 비닐하우스의 피해를 경감하기 위해 농식품부 고시 「제2014-78」를 통해 규격(내재해형) 비닐하우스의 시방서 및 설계도를 제공하고 있으며, 구조해석을 통해 비닐하우스의 설계강도를 별도로 명시하고, 비닐하우스 설계 시 이를 반영하도록 하고 있다. 이와 더불어 농가의 피해를 최소화하기 위해 2008년부터 풍수해보험제도가 시행되어 풍수해보험 가입자에 한해 강풍, 태풍, 대설 등 8종의 자연재해로 인해 발생한 시설물 피해에 대해 최대 90%까지 지원하고 있다. 이때 보험가입대상 비닐하우스는 농식품부 고시 「제2014-78」에 명시되어 있는 규격(내재해형)인 경우만 해당되며 그 외의 비규격 비닐하우스의 경우 별도의 설계강도가 제시되어 있지 않아, 풍수해보험 부보 시 보험심사(underwriting)가 어려우며, 이로 인해 풍수해보험 가입대상 시설물에서 제외된다.
국내의 경우, 대규모 농가를 제외하고 대체로 소유하고 있는 농지의 형태에 따라 내재해형 비닐하우스의 규격에서 일부를 변형하여 설치하거나, 경험적인 판단을 통해 설치하는 농가가 대부분이다(Choi et al, 2008). 이러한 실정으로 인해 풍수해보험 가입대상 농가가 한정되며, 풍수해보험 가입률은 전체 농가의 4%에 불과한 실정이다.
풍수해보험 사업지침에 따르면 2017년부터 내재해형 규격 비닐하우스가 아닌 경우, 공인기관의 구조해석을 통해 보험가입 가능여부를 판단할 수 있다. 하지만, 모든 비규격 비닐하우스에 대해 구조해석을 수행하고 이를 통해 보험가입 가능 여부를 판단하는 것은 많은 시간과 비용이 따르는 한계가 있어 현실적으로 불가능하다. 이러한 이유로 온실의 구조적 특성에 따른 설계강도를 추정할 수 있는 방안이 요구되며 국내에서는 온실의 특성에 따른 설계강도 추정에 관한 연구가 진행된 바 있다.
Shim et. al. (2012a)은 구조해석을 통해 내재해성이 우수한 비닐하우스 설계를 위한 접합부 유형에 따른 설계강도를 분석하고 접합부 유형별 저항성능을 비교하였으며, Shim et. al. (2012b)은 구조해석을 통해 온실의 골조 형상 유형별 설계강도를 분석하고 골조 형상 유형별 저항성능 비교를 통해 내재해성이 우수한 비닐하우스의 형상을 제안하였다. 하지만 이러한 연구의 결과는 온실의 설계강도를 추정함에 있어 정성적으로 반영하여야 한다는 한계가 있다.
또한 Yum et. al. (2010)은 기존 온실에 보강지주를 설치할 경우의 저항성능에 미치는 효과를 분석하였으며, Seo et. al. (2013)은 온실의 골조 보강유형에 따른 저항성능 향상효과에 대해 분석하여, 저항성능 향상을 위한 최적의 골조 보강유형을 제안하였다. 그러나 이러한 연구는 설계강도가 제시되어 있는 규격 비닐하우스의 향상된 저항성능을 추정할 수 있지만, 설계강도가 제시되어 있지 않은 비규격 비닐하우스에 대해서는 적용하기가 어렵다는 한계가 있다. 이처럼 비닐하우스의 저항성능 추정을 위한 많은 연구들이 수행되었지만, 풍수해보험 부보 심사 기준을 위한 비규격 비닐하우스의 설계강도추정에 관한 연구는 미비한 실정이다.
이러한 이유로 풍수해보험 가입 제고를 위하여 비규격 비닐하우스 언더라이팅 기준 수립에 활용할 수 있는 비규격 비닐하우스 설계강도 추정에 관한 연구가 필요하며, 본 연구에서는 시간적·경제적 비용을 줄이고, 전문적인 지식 없이 비규격 비닐하우스에 대한 보험가입 가능 여부를 판단 할 수 있는 언더라이팅 기준 수립을 위한 비규격 비닐하우스의 풍속에 대한 설계강도 추정모형을 개발하고자 한다.

2. 연구방법

비규격 비닐하우스의 풍속에 대한 설계강도 산출모형 개발을 위해 본 연구에서는 다중회귀분석 방법을 활용하였다. 다중회귀분석을 수행하기 위해서는 회귀변수를 선정하여야 하며, 이를 위해 농식품부 고시 「제2014-78」 원예특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서에서 제시하고 있는 내재해형 규격 비닐하우스의 유형별(단동, 연동, 광폭) 제원을 파악하고, 다중회귀분석에 사용될 파라메타를 추출 및 가공한다. 가공된 파라메터와 시방서에 제시되어 있는 설계기준풍속과의 다중회귀분석을 통해 회귀식을 도출하고, 도출된 회귀식으로부터 비규격 비닐하우스에 대한 최대허용풍속(이하 설계강도) 산출모형을 도출하였다.
이와 더불어 구조해석을 통한 비규격 비닐하우스의 풍속에 대한 설계강도와 본연구의 모형을 통해 산정된 풍속 설계강도를 비교하여, 모형을 검증한다. Fig. 1은 본 연구의 연구 수행 및 검증에 관한 절차를 나타낸다.
Fig. 1
Method and Procedure of Study
KOSHAM_17_01_209_fig_1.gif

3. 다중회귀분석을 위한 파라메타 선정

3.1 내재해형 비닐하우스 분석을 통한 파라메터 추출

내재해형 비닐하우스를 분석을 위해 농식품부 고시 「제2014-78」 원예특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서를 사용하였으며, 해당 자료는 농림축산식품부 홈페이지에서 제한 없이 열람이 가능하다. Table 1은 시방서에 제시된 비닐하우스 정보 중 단동 비닐하우스 일부를 보여준다. Table 1에 나타난 바와 같이 비닐하우스의 모델에 따라 제원이 상이하다. 본 연구에서는 분석을 위한 파라메타 도출을 위해 비닐하우스 유형별 제공되고 있는 정보를 각각 분류하여 회귀분석에 활용할 제원정보를 선정한다.
Table 1
Examples of Disaster-resistant of Vinyl House Data in Specifications
Model Width (m) Height of ridge (m) Height of eaves (m) Rafter φ(mm)×t(mm)@(cm) Crossbar Count & φ(mm)×t(mm) Design Strength
Snow depth (cm) Wind Speed (m/s)
07-ST-1 5.0 1.2 2.6 φ25.4×1.5t@60 5(φ25.4×1.2t) 50 35
07-ST-2 6.0 1.7 3.3 φ31.8×1.5t@60 9(φ25.4×1.5t) 50 35
07-ST-3 7.0 1.4 3.3 φ31.8×1.7t@60 9(φ25.4×1.5t) 50 36
07-ST-4 8.0 1.5 3.6 φ31.8×1.7t@50 9(φ25.4×1.5t) 48 37

3.1.1 단동 비닐하우스 분석

Fig. 2는 단동 비닐하우스 모델 예시이며, 단동형 비닐하우스는 비닐하우스의 가장 기본적인 유형이다. 시방서·설계도에서 제시하고 있는 내재해형 규격 단동형 비닐하우스는 기본 규격 19종이고, 기본 규격에서 서까래 규격(직경, 두께, 간격)을 조정한 규격을 포함하여 총 110종이다.
Fig. 2
Form of Single-type Greenhouse
KOSHAM_17_01_209_fig_2.gif
시방서·설계도에는 폭, 높이, 측고, 동고, 서까래 직경, 서까래 두께, 서까래 간격, 가로대 직경, 가로대 두께, 가로대 개수 등의 정보를 제공하고 있다(Table 2).
Table 2
Information of Disaster-resistant of Vinyl House (Single-type)
Section Data
Basic information Width(m), Height of ridge(m), Height of eaves(m), Total length(m)
Rafters information Diameter(mm), Thickness(mm), Interval(cm)
Crossbar information The number, Diameter(mm), Thickness(mm)

3.1.2 광폭 비닐하우스 분석

Fig. 3은 광폭 비닐하우스 모델 예시이며, 모형은 단동형 비닐하우스와 비슷하나 단동 비닐하우스에 비하여 폭이 넓고, 기둥 및 중방이 추가된 것이 특징이다.
Fig. 3
Form of Wide-type Vinyl House
KOSHAM_17_01_209_fig_3.gif
시방서, 설계도에서 제시하고 있는 내재해형 규격 광폭 비닐하우스는 기본 규격 8종이고, 기본 규격에서 서까래 및 기둥 규격(직경, 두께, 간격)을 조정한 조정 규격을 포함하여 총 202종이다.
시방서, 설계도에는 폭, 높이, 측고, 동고, 서까래 직경, 서까래 두께, 서까래 간격, 가로대 개수, 가로대 직경, 가로대 두께, 기둥 직경, 기둥 두께, 기둥 간격, 중방 직경, 중방 두께, 중방 간격 등의 정보를 제공하고 있다(Table 3).
Table 3
Information of Disaster-resistant of Vinyl House (Wide-type)
Section    Data
Basic information Width(m), Height of ridge(m), Height of eaves(m), Total length(m)
Rafters information Diameter(mm), Thickness(mm), Interval(cm)
Crossbar information The number, Diameter(mm), Thickness(mm)
Column information Diameter(mm), Thickness(mm), Interval(cm)
Middle column information Diameter(mm), Thickness(mm), Interval(cm)

3.1.3 연동 비닐하우스 분석

Fig. 4는 연동 비닐하우스 모델 예시이며, 모형은 단동 비닐하우스를 여러 개 연결한 모형이다. 단동 비닐하우스에 비하여 기둥, 중방 그리고 동마다 이어주는 가로대인 곡부보가 추가된 것이 특징이다.
Fig. 4
Form of Multi-type Vinyl House
KOSHAM_17_01_209_fig_4.gif
시방서, 설계도에서 제시하고 있는 내재해형 규격 연동형 비닐하우스는 기본 규격 5종이고, 단동, 광폭과 달리 서까래 및 기둥 규격을 조정한 조정 규격은 제시하고 있지 않다.
시방서, 설계도에는 폭, 높이, 측고, 동고, 서까래 직경, 서까래 두께, 서까래 간격, 가로대 개수, 가로대 직경, 가로대 두께, 기둥 직경, 기둥 두께, 기둥 간격, 중방 직경, 중방 두께, 중방 간격, 곡부보 가로, 곡부보 세로, 곡부보 두께 등의 정보를 제공하고 있다(Table 4).
Table 4
Information of Disaster-resistant of Vinyl House (Multi-type)
Section    Data
Basic information Width(m), Height of ridge(m), Height of eaves(m), Total length(m)
Rafter information Diameter(mm), Thickness(mm), Interval(cm)
Crossbar information The number, Diameter(mm), Thickness(mm)
Column information Diameter(mm), Thickness(mm), Interval(cm)
Middle column information Diameter(mm), Thickness(mm), Interval(cm)
Curve of state column Width length(mm), Height length(mm), Thickness(mm)

3.2 파라메타 선정을 위한 부재의 설계강도 추정

다중회귀분석 시 합리적인 결과를 도출하기 위해서는 독립변수(설명변수)와 종속변수간의 인과관계가 명확한 데이터를 선정하고 변수간 음의 관계와 양의 관계가 합리적으로 반영되어야 한다. 또한 회귀분석에 이용되는 독립변수들은 독립적인 관계여야 한다. 이러한 조건을 만족하는 변수를 선정하기 위해 가장 먼저 비닐하우스의 제원에 대한 데이터와 시방서 내에 제시되어 있는 설계기준풍속의 추세 및 상관분석을 수행하여, 위의 조건을 충족하는 파라미터를 선별한다. 이때 다중회귀분석의 결과의 오차를 보정하기 위해 비닐하우스의 제원 외 비닐하우스의 강도를 정량적이고 절대적으로 나타낼 수 있는 풍속에 대한 부재의 설계강도를 추정하여 다중회귀분석 시 반영한다.
다중회귀분석 시 활용할 풍속에 대한 부재의 설계강도를 추정하기 위해 건축구조기준의 주골조용 설계 풍하중(WD) 산정 절차를 적용하였으며, 건축구조기준(2016)에 따르면, 주골조용 설계풍하중(WD)는 다음 식으로 산정한다.
(1)
WD=pFA
여기서pF는 주골조설계용 설계풍압이며, A는 유효수압면적이다. 밀폐형 건축물의 주골조설계용 설계풍압pF는 다음 식으로 산정한다.
(2)
pF=GDqH(Cpe1Cpe2)
여기서, qH는 지붕면의 평균높이H에 대한 설계속도압, GD는 주골조설계용 풍방향 가스트영향계수, Cpe1은 풍상벽의 외압계수, Cpe2는 풍하벽의 외압계수이다.
일반적으로 비닐하우스의 높이(H)는 10m 미만이며, 지표면조도구분 C인 곳에 설치된다. 따라서 비닐하우스에 작용하는 설계속도압은 지표면조도구분 C의 지면으로부터 높이 10m에 설계속도압(q10)과 같다고 할 수 있으며, 식 (2)는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
(3)
pF=GDq10(Cpe1Cpe2)
건축물의 고유진동수(n0)가 1 Hz를 초과하는 경우 또는 바람에 의한 공진효과를 무시할 수 있는 강체구조물인 경우의 주골조설계용 풍방향 가스트영향계수GD는 다음 식으로 산정한다.
(4)
GD=1+4γDBD
여기서, BD는 비공진계수(건축물의 변동변위의 고유진동수 이외의 진동수 성분을 나타내는 계수), γD는 풍속변동계수이다.
(5)
q10=12 ρV102
여기서ρ 는 공기밀도(1.22kg/m3)이며, V10은 10m 높이에서의 10분 평균풍속이 된다. 식 (3)에 식 (5)를 대입하면, 밀폐형 건축물의 주골조설계용 설계풍압pD는 다음 식으로 산정한다.
(6)
pD=0.5ρV102GD(Cpe1Cpe2)
풍상벽의 풍압계수Cpe1을 0.8, 풍하벽의 풍압계수Cpe2를 -0.5를 적용하면, 주골조설계용 설계풍압pF는 다음과 같이 정리된다.
(7)
pF=0.65ρV102GD
Fig. 5는 풍하중에 대한 비닐하우스의 단순해석을 위한 1차원 모델링을 보여준다. Fig. 4와 같이 1차원의 캔틸레버보로 가정하고, 선형 등분포하중pFL(L은 비닐하우스의 총길이)이 작용하는 것으로 가정한다.
Fig. 5
1-D Modeling of Vinyl House for Estimate of the Wind Load
KOSHAM_17_01_209_fig_5.gif
최대응력은 다음과 같이 구할 수 있다.
(8)
σmax= MmaxS = 0.5pFLH2S 
여기서S는 단면계수이며, 다음과 같이 구할 수 있다.
(9)
S= π(d14(d12t1)4)32d1 ×2N
여기서d1은 서까래의 직경이며, t1은 서까래 파이프의 두께, N은 총 서까래의 개수를 나타낸다.
식 (8)을 이용하여pf에 대해서 정리하면 다음과 같다.
(10)
pF= 2σmaxSLH2 
식 (10)에 식 (7)을 적용하고V10에 대해서 정리하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(11)
V10= 2σmaxS0.65ρGDLH2 
이 때 단순해석에 사용한 비닐하우스 강재의 σmax95 N\over mm2를 사용하였으며, 이를 통해 풍속에 대한 부재의 설계강도(이하 V10)를 추정한다.

3.3 파라메타 도출 및 선정

3.3.1 파라메타 도출

본 연구에서는 농식품부 고시 「제2014-78」 원예특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서에 제시되어 있는 규격 비닐하우스 부재의 제원을 통해 다중회귀분석에 사용할 파라메타를 도출하고 선정하였다. 다만, 앞서 언급한 바와 같이 연동 비닐하우스의 경우 데이터 수가 적어 다중회귀분석에는 부적합함으로 본 연구에서는 포함하지 않았으며 분석을 위한 단동 및 광폭 비닐하우스의 파라메타는 Table 5와 같다.
Table 5
Parameters of Vinyl House for Analysis
Parameters Notation (unit) Parameters Notation (unit)
The number of rafters N1 The number of crossbar N2
Thickness of middle column t3 (mm) Thickness of column t4 (mm)
Diameter of rafters d1 (mm) Diameter of crossbar d2 (mm)
Interval of middle column c3 (cm) Interval of column c4 (cm)
Thickness of rafters t1 (mm) Thickness of crossbar t2 (mm)
Average roof height H (m) Height of ridge H2 (m)
Interval of rafters c1 (cm) Interval of crossbar c2 (cm)
Total length L (m) Breadth B (m)
Diameter of middle column d3 (mm) Diameter of column d4 (mm)
design wind speed of members V10 (m/s) Height of eaves H1 (m)

3.3.2 파라메타 선정

본 연구에서는 다중회귀분석에 사용할 파라메타를 선정하기 위해, Table 5에서 제시한 파라메타들을 활용하여, 설계기준풍속과 상관분석을 수행하였다.
1) 단동 비닐하우스
도출된 파라메타 중 다중회귀분석에 사용할 단동 비닐하우스의 파라메타 선정을 위해 수행한 설계기준풍속(VH)과의 상관분석 결과는 Table 6과 같다.
Table 6
The Result of Correlation Analysis (Single-type)
   Parameters Correlation coefficient
Design wind speed* (VH, m/s) -
Design wind speed of members (V10, m/s) 0.88
Diameter of rafters (d1, mm) 0.66
Thickness of rafters (t1, mm) 0.58
The number of crossbar (N2) 0.36
The number of rafters (N1) 0.31
Interval of rafters (c1, cm) 0.29
Interval of crossbar (c2, cm) 0.28
Breadth (B, m) 0.27
Height of ridge (H2, m) 0.13
Average roof height (H, m) 0.07
Height of eaves (H1, m) 0.06
Total length (L, m) 0.01
Thickness of crossbar (t2, mm) 0.01
Diameter of crossbar (d2, mm) 0.00
상관분석 결과, 풍속에 대한 부재의 설계강도(V10)가 0.88로 시방서, 설계도에서 제시하고 있는 설계기준풍속과 가장 높은 상관관계를 보였으며, 가로대 직경(d2)의 경우, 0.00으로 가장 낮은 상관관계를 보였다. 분석 결과를 통해 상관계수가 높은 파라메타들을 선정하여, 다중회귀분석에 사용해야하지만, 풍속에 대한 부재의 설계강도를 대변하는 파라메타인V10은 서까래 직경, 서까래 두께, 가로대 직경, 가로대 두께, 지붕면 높이, 측고, 시설물의 높이, 폭, 총길이 등 10개의 파라메타를 이용하여 도출됨으로V10과 다른 파라메타들을 대변할 수 있는 중요한 파라메타로 볼 수 있다. 이와 더불어 서까래 간격 및 가로대 간격은 비닐하우스의 폭, 총길이, 비닐하우스에 들어가는 서까래 및 가로대 개수를 대변할 수 있는 파라메타이다.
따라서 본 연구에서는 다른 파라메타들을 대변할 수 있는 파라메타인 풍속에 대한 부재의 설계강도(V10), 서까래 간격 (c1), 가로대 간격 (c2), 총 3개를 단동 비닐하우스의 풍속에 대한 다중회귀분석에 사용할 파라메타로 선정하였다(Table 7).
Table 7
Selected Parameters of Single-type Vinyl House
Selected parameters
Interval of rafters (c1, cm) Interval of crossbar (c2, cm) design wind speed of member (V10, m/s)
2) 광폭 비닐하우스
Table 5의 광폭 비닐하우스 제원 중 회귀분석에 활용할 파라메타 선정을 위해 설계기준풍속(VH) 수행한과의 상관분석 결과는 Table 8과 같다.
Table 8
The Result of Correlation Analysis (Wide-type)
   Parameters Correlation coefficient
Design wind speed* (VH, m/s) -
Design wind speed of member (V10, m/s) 0.85
Diameter of rafters (d1, mm) 0.72
The number of rafters (N1) 0.49
Interval of rafters (c1, cm) 0.49
Thickness of rafters (t1, mm) 0.33
Height of eaves (H1, m) 0.25
The number of rafter per middle column (Nc1) 0.22
Thickness of crossbar (t2, mm) 0.10
Interval of crossbar (c2, cm) 0.08
Height of ridge (H2, m) 0.08
Breadth (B, m) 0.07
The number of crossbar (N2) 0.04
Total length (L, m) 0.04
Average roof height (H, m) 0.01
Diameter of crossbar (d2, mm) 0.00
바람은 시설물의 측면에서 불어오며, 기둥은 내부에 위치하기 때문에 외압에 직접적인 영향을 받지 않는 서까래의 보조적인 역할이므로 기둥의 간격을 직접적으로 이용하지 않고, 기둥 당 서까래의 개수로 환산하여 서까래의 보조적인 인자로 활용하였다.
상관분석 결과, 단동 비닐하우스의 상관분석 결과와 같이 부재의 설계강도풍속 (V10)이 0.85로 가장 높은 상관관계를 보였으며, 가로대 직경 (d2)의 경우, 0.00으로 가장 낮은 상관관계를 보였다.
본 연구에서는 단동 비닐하우스와 같이 다른 파라메타들을 대변할 수 있는 파라메타인 부재의 설계강도풍속 (V10), 서까래 간격 (c1), 가로대 간격 (c2), 중방 당 서까래 개수 (Nc1), 총 4개를 광폭 비닐하우스의 풍속에 대한 다중회귀분석에 사용할 파라메타로 선정하였다(Table 9).
Table 9
Selected Parameters of Wide-type Vinyl House
Selected Parameters
Interval of rafters (c1, cm) Interval of crossbar (c2, cm)
The number of rafter per middle column (Nc1) design wind speed of member (V10, m/s)

4. 풍속에 대한 설계강도 산출모형 개발

4.1 단동, 광폭 비닐하우스에 대한 회귀분석

4.1.1 단동 비닐하우스

3.3.2에서 선정된 단동 비닐하우스의 파라메타는 부재의 설계강도풍속 (V10), 서까래 간격 (c1), 가로대 간격 (c2), 총 3개이며, 이를 사용하여 다중회귀분석으로 산정된 각 계수를 Table 10을 통해 정리하여 제시하였다.
Table 10
Parameters and Coefficient of the Single-type Vinyl House by Multiple Regression Analysis
   Sections Parameters Coefficient (ai)
Y-intercept a 18.14
Interval of rafters (c1, cm) x1 -0.05
Interval of crossbar (c2, cm) x2 -0.02
design wind speed of member (V10, m/s) x3 1.55
산정된 파라메터를 이용하여 풍속에 대한 설계강도(VDW)를 추정할 수 있는 회귀식은 다음과 같이 표현된다.
(12)
VDW=0.05x10.02x2+1.55x3+18.14
여기서 설계강도(VDW)는 비닐하우스의 저항성능으로, 최대허용풍속을 의미한다. 110개의 단동형 비닐하우스의 제원 중 서까래 간격, 가로대 간격, 풍속에 대한 부재의 설계강도를 이용하여 식 (12)를 통해 산정한 풍속에 대한 설계강도와 설계기준풍속의 상관관계를 Fig. 6을 통해 나타냈다. Fig. 6은 회귀식을 이용한 각 비규격 비닐하우스의 설계강도와 그에 따른 각 설계기준풍속을 나타내며, 결정계수(R2)가 1에 가까울수록 회귀식이 설계기준풍속을 잘 모사하고 있음을 의미한다. 결정계수(R2)가 0.8352로 회귀식이 적합함을 보여준다(Moore et al., 2013).
Fig. 6
R-square and Design Wind Speed of the Specification and the Presented Model (Single-type)
KOSHAM_17_01_209_fig_6.gif

4.1.2 광폭 비닐하우스

3.3.2에서 선정된 광폭 비닐하우스의 파라메타는 설계강도풍속 (V10), 서까래 간격 (c1), 가로대 간격 (c2), 중방 당 서까래 개수 (Nc1), 총 4개이며, 이를 사용하여 다중회귀분석으로 산정된 각 계수를 Table 11을 통해 정리하여 제시하였다.
Table 11
Parameters and Coefficient of the Wide-type Vinyl House by Multiple Regression Analysis
   Sections Parameters Coefficient (ai)
Y-intercept a 23.25
Interval of rafters (c1, cm) x1 -0.07
Interval of crossbar (c2, cm) x2 -0.06
The number of rafter per middle column (Nc1) x3 -1.60
design wind speed of member (V10, m/s) x4 2.10
(13)
VDW=0.07x10.06x21.60x3+2.10x4+23.25
202개의 광폭형 비닐하우스의 제원 중 서까래 간격, 가로대 간격, 중방당 서까래 개수, 풍속에 대한 부재의 설계강도를 이용하여 식 (13)을 통해 산정한 풍속에 대한 설계강도와 설계기준풍속의 상관관계를 Fig. 7을 통해 나타냈다. Fig. 7은 회귀식을 이용한 각 비규격 비닐하우스의 설계강도와 그에 따른 각 설계기준풍속을 나타내며, 결정계수(R2)가 1에 가까울수록 회귀식이 설계기준풍속을 잘 모사하고 있음을 의미한다. 결정계수(R2)가 0.8906로 회귀식이 적합함을 보여준다.
Fig. 7
R-square and Design Wind Speed of the Specification and the Presented Model (Wide-type)
KOSHAM_17_01_209_fig_7.gif

4.2 비규격 비닐하우스 구조해석

회귀식을 검증하기 위해, 비규격 비닐하우스에 대해 구조해석을 이용하여 산정한 풍속에 대한 설계강도(이하 풍속 설계강도)와 회귀식을 통해 산정된 풍속 설계강도의 비교가 이루어져야한다. 다만 비규격 비닐하우스의 경우 비교대상이 없어 검증이 어려운 관계로, 구조해석 방법 및 결과에 대한 신뢰도 측면에서 한계가 있다. 구조해석은 수행자에 따라 몇 가지 상황이 가정될 수 있으며, 해석조건이 상이할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 구조해석을 통한 규격 비닐하우스의 풍속 설계강도를 산정하고, 시방서에 제시된 설계기준풍속과 비교하여, 구조해석 방법을 검증하였으며, 구조해석 시 풍하중은 원예시설의 구조안전기준 작성(Rural Research Institute, 1995) 및 원예시설의 구조안전기준 작성 온실구조 설계기준 및 해설(Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2015)을 참고하여 산정하였다.

4.2.1 규격(내재해형) 비닐하우스 구조해석 결과

앞서 기술한 바와 같이 구조해석을 통해 내재해형 규격온실의 설계강도를 산정하였으며 구조해석을 통한 설계강도 산정 방법은 다음과 같다. 첫째, 풍하중은 시방서에서 제시하고 있는 설계강도를 기반으로 계산하여 프로그램에 입력한다. 둘째, 풍속의 경우 1m/s씩 증가시켜, 규격 비닐하우스에 대한 최대 설계강도를 산정한다.
Table 12는 단동 4종·광폭 2종, 총 8종에 대해 수행한 구조해석 결과를 나타낸다.
Table 12
Comparison of the Results of the Design Wind Speed and the Structural Analysis
Model name Design wind speed (m/s) Structural analysis (m/s) Error
|ⓐ -ⓑ|
07-S.T-1 35 37 2
07-S.T-3 36 36 0
10-S.T-4 35 36 1
10-S.T-4’ 32 31 1
13-W.T-1 28 28 0
13-W.T-4 27 27 0

* S.T: Single-type, W.T: Wide-type

일련의 과정을 통해 산정된 설계강도와 시방서에 제시된 설계기준풍속이 유사한 것을 확인할 수 있으며, 구조해석을 통한 설계강도 산정 방법이 타당하다고 볼 수 있다. 따라서 동일한 방식으로 비규격 비닐하우스에 대하여 구조해석을 수행하였다.

4.2.2 비규격 비닐하우스 구조해석 결과

내재해형 규격 비닐하우스 구조해석 방법과 동일하게 비규격 비닐하우스에 대하여 구조해석을 수행하였으며, 비규격 단동 비닐하우스 3종, 광폭 비규격 비닐하우스 2종, 총 5종에 대한 구조해석 결과를 Table 13을 통해 정리하여 제시하였다.
Table 13
The Results of Design Wind Speed Analysis of Non- disaster-resistant of Greenhouse Using a Structural Analysis
Naming Wind speed (m/s) Similar Model    Note
12-S.T-1N 25 12-S.T-1 Changed diameter and thickness of rafters
07-S.T-3N 33 07-S.T-3 Changed height of ridge
10-S.T-4N 26 10-S.T-4 Changed height of eaves (1.6m -> 2m)
13-W.T-1N 26 13-W.T-1 Changed height of ridge (2m->2.5m)
13-W.T-4N 24 13-W.T-4 Changed height of ridge (4.2m->5m)

* S.T: Single-type, W.T: Wide-type

4.3 구조해석을 통한 회귀식 검증

본 연구에서는 단동 비규격 비닐하우스 3종, 광폭 비규격 비닐하우스 2종, 총 5종에 대하여 구조해석을 통한 설계강도와 다중회귀분석을 통한 설계강도의 비교를 통해 도구를 검증하였다.
Table 14는 비규격 비닐하우스의 풍속에 대한 설계강도 비교 결과이며, 단동 비규격 비닐하우스의 경우 오차가 약 2.3, 광폭 비규격 비닐하우수의 경우 오차가 약 0.57로 비교적 낮게 나타났다.
Table 14
Comparison of the Results of Regression Equation and Structural Analysis
Model design wind speed (m/s) Error
Presented Structural analysis
|ⓐ -ⓑ|
12-S.T-1N 21.7 25 3.28
07-S.T-3N 32.1 33 0.95
10-S.T-4N 28.7 26 2.66
13-W.T-1N 26.9 26 0.87
13-W.T-4N 24.3 24 0.27

4.4 비규격 비닐하우스 설계강도 산출모형 개발

4.3절에 기술된 바와 같이 다중회귀분석을 통해 도출된 비규격 비닐하우스의 풍속에 대한 설계강도 산출을 위한 회귀식을 검증하였으며, 이러한 결과를 이용하여 풍수해보험 가입심사를 위한 모형은 Fig. 8과 같이 활용 가능하다. Fig. 8에 나타난 바와 같이 비규격 비닐하우스의 유형(단동, 광폭)과 설치된 지역을 선택하고 주요 제원을 입력하면 별도의 구조해석 없이 비규격 비닐하우스의 풍속에 대한 설계강도를 추정할 수 있으며 설계기준의 지역별 설계기준풍속과의 비교를 통해 안정성을 확보하고 있는지를 판단할 수 있다.
Fig. 8
Example of Wind and Flood Insurance Underwriting Review Program Using Presented Model of Non-disaster-resistant of Vinyl House
KOSHAM_17_01_209_fig_8.gif

5. 결론

본 연구에서는 비규격 비닐하우스에 대한 풍수해보험 언더라이팅 기준으로 활용 가능한 비닐하우스의 설계강도풍속를 추정할 수 있는 모형을 개발하였다. 본 연구의 결과인 비규격 비닐하우스의 설계강도풍속은 비규격 비닐하우스의 최대허용풍속을 의미하며, 설계강도풍속 추정 모형 개발을 위해, 내재해형 비닐하우스 설계도 및 시방서에서 제시하고 있는 단동형, 광폭형 비닐하우스의 정보를 파악하고, 다중회귀분석에 사용될 파라메타를 선정하였다. 파라메타 선정 후, 다중회귀분석을 통한 규격(내재해형) 비닐하우스의 풍속에 대한 설계강도를 도출하고, 시방서에 제시된 규격 비닐하우스의 설계강도와 비교, 검증하였다. 검증을 통해, 본 연구에서 개발한 설계강도 산출모델이 비규격 비닐하우스에 대한 풍수해보험 언더라이팅 기준을 지원할 수 있는 모형이 될 수 있을 것으로 판단된다.
다만 산출 모델이 규격 비닐하우스 기반의 다중회귀분석으로 인해 시방서에 제시되어 있는 규격 비닐하우스의 제원의 범위를 벗어나는 비규격 비닐하우스의 경우 적용하는데 한계가 있으며, 보험 심사 시 가입 범위에 대한 보험사 수용 범위를 고려할 필요성이 있다. 또한, 추후 설계강도 적설심에 대한 추가 연구가 수행되어야 하고, 비닐하우스 데이터를 이용한 통계적 분석을 보완할 수 있도록 구조해석을 수행하여야하며, 유한요소법 등 구조해석 방법의 자동화 등을 통해 온실의 주요 제원만으로 설계강도를 추정할 수 있는 연구가 수행되어야 한다. 이와 같은 연구가 수행될 경우 보다 합리적으로 설계강도를 추정하여, 비규격 온실에 대해 풍수해보험 가입자격이 부여됨으로써 피해경감은 물론 풍수해보험의 활성화를 통해 국민적 관심을 유도할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 정부(국민안전처)의 재원으로 재난안전기술개발사업단의 지원을 받아 수행된 연구임 [MPSS-자연-2013-62].

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