Ⅰ. 서 론
우리나라의 2018년도 시설원예 면적은 약 55,407 ha이며 1990년대 후반까지 급격한 증가추세를 보였다. 그 중 단동 파이프하우스는 약 43,617 ha이며, 주 서까래로 아연도 강관을 이용하는 단동형 파이프하우스가 시설면적의 78.7%로 대부분을 차지하고 있다 (MAFRA, 2019). 또한, 우리나라의 경우에는 스마트 팜 기술의 발전과 농경지의 고도이용을 위해 대단위의 온실단지 및 파이프하우스 단지가 조성되거나 조성 중에 있다. 단동파이프하우스 등과 같은 경량구조물은 강풍과 같은 기상재해에 매우 취약한 모습을 보이고 있으며, 파이프하우스 시공 시 설계규격에 부합하지 않거나 기상재해로 인해 최근까지도 국가, 지자체, 농업인의 경제적 손실이 속출하고 있다 (Lim et al., 2019).
농림식품부 및 농촌진흥청에서는 강풍, 대설 등 기상재해로 인한 원예특작시설 부문의 경제적 손실을 최소화하기 위해 내재해형 기준을 마련하여 2007년 4월부터 운영해 오고 있다 (MAFRA, 2014). 내재해형 기준에는 파이프하우스를 결합하는 조리개에 대한 기준만을 제시하였을 뿐이며, 하우스파이프기초의 인발저항력에 대한 기준은 없으며, 그에 관한 연구 또한 부족하다.
국내의 경우, Lee et al. (2008)은 단동파이프하우스의 지점조건을 규명하기 위해 파이프하우스에 환산된 풍하중과 적설하중을 재하하여 붕괴양상과 변위 및 변형도를 측정하였으며, Yun et al. (2015a)은 기상재해 방지를 위해 조리개별, 강선조리개, 강판조리개, U-클램프로 결속한 파이프 줄기초에 대해 실험을 수행하였으며, 또한, Yun et al. (2015b)은 온실 기초용 나무말뚝의 인발저항력을 검토하기 위해 현장실험을 진행하였다. 이처럼 파이프하우스의 피해를 경감시킬 수 있는 방안에 대해 많은 연구들이 지속되고 있지만, 내재해형 규격에 제시된 파이프하우스기초의 기초의 종류, 지반조건에 따른 인발저항력에 대한 연구는 부족하다. 또한, Choi et al. (2015)은 모형실험을 통해 스파이럴기초의 인발저항력을 검토하였고, Lee et al. (2014)은 온실용 나선철항을 매입깊이와 다짐도에 따른 인발저항력을 검토한 연구결과가 있다. 최근까지도 모형실험을 통해 기초의 인발저항력을 비교하는 연구 또한 활발히 진행되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 대단위 파이프하우스단지가 조성된 지역을 대상으로 하우스파이프기초에 대하여 현장조사를 실시하였으며, 시료를 채취하여 모형토조실험으로 기초의 종류와 다짐도 및 매입깊이에 따른 인발저항력 특성을 파악하고자한다.
Ⅱ. 실험방법
1. 실험장치
모형토조의 크기는 1000(B) 
500(L) 
700(H)mm이며, 하중을 충분히 견딜 수 있는 강성프레임으로 제작되었으며, 한쪽 면은 특수 아크릴로 제작한 후, 모눈종이를 붙여 흙의 다짐상태 및 다짐높이를 눈으로 쉽게 확인할 수 있도록 하였다. Fig. 1의 (a)는 모형토조의 전면모양으로 외부프레임은 철제빔으로 제작하여 흙의 하중을 충분히 견딜 수 있도록 설정하였다. 모형토조의 하부에는 바퀴를 부착하여 흙을 외부에서 확인하면서 용이하게 조성할 수 있도록 제작하였다. 하중 제어장치는 상부에서 회전수 3000 rpm의 하중을 제어하면서 최대 5 ton까지 측정이 가능하며, 접촉식 변위계 (LVDT)를 사용하여, 최소 0.001 mm, 최대 80 mm까지 측정이 가능하다. 인발속도는 5.0 mm/min으로 진행하였으며, 최대 수직변위는 극한 인발저항력이 충분히 발현될 수 있도록 제한을 두지 않았으며, 극한인발저항력이 나타난 후 어느 정도 시간이 지난 후 정지하는 방식을 취하였다. (b)는 본 시험에서 사용한 로드셀로, 하부에는 지그 (Zig)를 결합하여 말뚝을 고정시켰다.
2. 실험제원
Fig. 2의 (a)는 서까래파이프 줄기초 (Rafter foundation)를 나타낸 것이다. 서까래파이프 줄기초는 내재해형 규격에 제시된 단동비닐하우스 07-단동-2를 토대로 제작하였다. 규격상 서까래파이프 길이는 600 mm로 제시되어 있지만 모형토조의 Zig와 연결을 위해 매입깊이에 따라 700 mm, 750 mm로 하였으며, 직경(
)은 31.8 mm, 두께(t)는 1.5 mm이며, 단면계수(Z)는 1.03이다. 가로대의 직경(
)은 25.4 mm, 두께(t)는 1.5 mm이며, 단면계수(Z)는 0.63인 파이프를 사용하였다. 조리개는 내재해형 규격에 제시된 미끄럼강도가 비닐하우스용 기준인 1,390N 이상인 것을 사용하였다.
(b)는 스파이럴 기초 (Spiral foundation)를 나타낸 것이다. 스파이럴 기초의 상부 지름은 42.5 mm, 나선부 지름은 46.8 mm이다. 두께 6 mm의 강판을 나선형으로 비틀어서 제작하였으며, 나선의 길이는 매입깊이만큼 400 mm, 500 mm로 하였다. 스파이럴 기초는 상부의 지름으로 계산했을 경우 단면계수(Z)는 3.78이다.
(c)는 콘크리트 독립기초 (Concrete individual footing)를 나타낸 것이며, 콘크리트 독립기초는 내재해형 규격에서 제시된 감귤하우스에 08-감귤-1형을 기준으로 제작하였다. 콘크리트 독립기초의 윗변의 길이는 190 mm, 밑변의 길이는 250 mm이며, 높이는 270 mm이며, 윗변으로부터 193 mm 떨어진 부분에 파이프를 설치하였다. 기초의 중량은 26.60 kg이다. 콘크리트 독립기초에 사용한 파이프 역시 서까래파이프 줄기초와 동일한 파이프로 직경(
)은 31.8 mm, 두께(t)는 1.5 mm이며, 단면계수(Z)는1.03이다.
3. 실험시료
본 실험에서 사용된 흙은 3종류로 선정하였으며, 채취 위치는 파이프하우스단지가 조성되어 있는 경상남도 산청군(A), 경상북도 성주군(B), 전라북도 완주군(C)이며, Fig. 3과 같다. 채취된 시료는 실내실험실에서 물리⋅역학적 특성 실험을 실시하였다. 실험결과 물리적 특성은 Table 1과 같으며, 역학적 특성은 Table 2와 같다. 통일분류법 (USCS) 결과, A의 경우, 실트질 모래(SM), B의 경우 점토질 모래(SC), C의 경우 실트(ML)로 분류되었다. 흙의 입도 시험방법(KS F 2302)을 통해 얻은 각 시료의 입도분포곡선은 Fig. 4와 같다.
Table 1
Physical characteristics of soils
| Area |  |  | LL |  | Grain size distribution | US CS | ||||
| #4 | #10 | #40 | #200 |  | ||||||
| % | % | % | % | % | % | % | ||||
| A | 11.5 | 2.65 | 32.8 | 7.4 | 98.2 | 91.1 | 74.8 | 43.3 | 3.0 | SM |
| B | 18.9 | 2.67 | 38.1 | 18.2 | 97.3 | 90.7 | 71.0 | 48.9 | 8.9 | SC |
| C | 19.8 | 2.60 | 45.1 | 10.4 | 98.6 | 91.9 | 81.2 | 62.5 | 0.8 | ML |
4. 실험조건
A다짐의 최대 건조 밀도를 토대로 현장 들밀도 시험을 한 결과는 Table 2와 같다. A의 건조밀도는 11.80
, 다짐도는 68.1%, B의 건조밀도는 9.44
, 다짐도는 55.1%, C의 건조밀도는 8.26
, 다짐도는 52.1%로 나타났다. 추가 조사지역의 시료들의 전체 평균이 65%로 다짐도를 작게 설정할 경우 재현에 어려움이 있으므로, 가장 작은 다짐도를 65%로 하여 5% 간격으로, 70%, 75%를 실험하였다. 매입깊이는 내재해형 규격에 제시된 40 cm, 50 cm로 수행하였다. 이를 토대로, 제작된 서까래파이프 줄기초, 스파이럴 기초, 콘크리트 독립기초와 3종류의 시료로 총 54개의 조건에 대한 인발시험을 수행하였다.
5. 실험방법
각 다짐도별 모형토조의 높이 10 cm당 시료의 양을 구해 계량하였으며, 직경 9.0 mm의 체를 통과하는 시료를 사용하였다. 기초는 인발지그의 위치에 맞도록 충분한 길이로 제작하였으며, 모형토조의 정 가운데를 표시한 후, 수직으로 설치하고 기초의 위치가 변형되거나 이동되지 않도록 주의하여 설치하였다. 서까래파이프 줄기초의 경우에는 가로대를 기준으로 매입깊이를 설정하였으며, 스파이럴기초와 콘크리트 독립기초의 경우에는 바닥면으로부터 매입깊이를 설정하였다. 시료의 다짐은 동다짐방법을 채택하였으며, 모형토조에 표시된 모눈종이와 실을 통해 다짐높이를 확인하였다. 10 cm의 시료를 다진 후에는 20 cm를 기준으로 다짐을 실시하였으며, 각 층별 다짐도는 원형 링을 이용하여 확인하였다. 이와 같은 방법으로 각 다짐도와 매입깊이에 따라 흙을 조성하였다. 파이프하우스기초의 인발시험은 국내 표준규격이 없으므로, ASTM D 3689-07 깊은 기초의 인발시험 규정을 준수하였으며, 속도에 대한 규정은 없으므로, 조리개의 미끄럼(전단)시험 속도인 5.0 mm/min로 하였다. 인발하중을 가하는 방식은 하중제어방식과 변위제어방식 두 가지로 분류되는데, 그 중 변위제어방식은 줄기초 및 매립형기초와 같이 땅에 묻혀 있는 기초의 인발저항력을 측정할 때 주로 사용하는 방식으로 일정한 시간동안 일정한 변위가 발생하게 하는 방법이다. 본 연구에서는 변위제어방식을 사용하였으며, 데이터 로거에 1초 단위로 입력되도록 설정하였다. 지반파괴 양상이 나타나고 최대인발저항력을 보이고 일정한 시간이 지날 때까지 실험을 실시한 후 종료하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 서까래파이프 줄기초의 최대인발저항력
Fig. 5의 (a)는 서까래파이프 줄기초의 지반파괴양상을 나타낸 것이며, (b)는 대표적으로 A시료의 매입깊이 40 cm일 때 다짐도에 따른 하중-변위곡선을 나타내고 있다. Table 3은 시료별, 매입깊이와 다짐도에 따른 최대 인발저항력을 정리한 것이다. Fig. 5와 Table 3에서 볼 수 있듯이, 매입깊이가 증가함에 따라 파괴 시 변위와 최대 인발저항력이 증가하였다. 이는 매입깊이가 증가함에 따라 흙의 무게가 증가하며, 따라서 동일한 변위를 움직이는데 더 큰 인발하중이 필요하기 때문이다. 또한, 다짐도가 커짐에 따라 급격한 기울기를 보이며 최대인발저항력에 도달한 후 감소함을 볼 수 있다.
Table 3
Rafters foundation maximum uplift capacity according to embedded depth and compaction ratio
Fig. 6은 서까래파이프 줄기초의 매입깊이와 다짐도에 따른 최대인발저항력을 그래프로 나타낸 것이다. 매입깊이에 따른 비교의 경우, A시료는 매입깊이가 40 cm에서 50 cm로 증가할 때, 평균적으로 132% 증가하였으며, B시료는 142%, C시료는 142% 증가하였다. 모든 시료는 평균적으로 40 cm에서 50 cm로 증가할 경우 약 139% 증가한 것으로 나타났으며, 매입깊이에 따른 증가 폭이 가장 작은 경우는 A시료의 다짐도 65%, 가장 큰 경우는 C시료의 다짐도 75%에서 나타났다. 다짐도에 따른 비교의 경우 A시료는 다짐도 65%에서 70%로 증가할 때, 평균적으로 약 168% 증가하였으며, 70%에서 75%로 증가할 때, 약 170% 증가하였다. B시료는 161%, 150% 증가하였으며, C시료는 207%, 144% 증가하였다. 모든 시료는 평균적으로 다짐도가 65%에서 70%로 증가할 때 178%, 70%에서 75%로 증가할 때, 155% 증가한 것으로 나타났으며, 다짐도에 따른 증가 폭이 가장 작은 경우는 A시료의 매입깊이 40 cm에서 다짐도 65%에서 70%로 증가할 때, 가장 큰 경우는 C시료의 매입깊이 50 cm에서 다짐도 65%에서 70%로 증가할 때 나타났다.
Fig. 6
Comparison of maximum uplift capacity according to embedded depth and compaction ratio of rafter foundation
서까래파이프 줄기초는 모든 시료에서 매입깊이와 다짐도가 증가함에 따라 최대인발저항력이 증가하였다. 이것은 시공에 있어 매입깊이를 증가시킨다면 최대인발저항력의 증가로 바람에 의한 피해를 경감시켜 줄 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 매입깊이에 의한 최대인발저항력의 증가폭 보다 다짐도에 의한 증가폭이 더 크게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 따라서, 서까래파이프 줄기초 매입시 주변지반의 다짐관리를 철저히 한다면, 파이프하우스의 구조적 안정성에도 기여를 할 것으로 예상된다.
2. 스파이럴 기초의 최대인발저항력
Fig. 7의 (a)는 스파이럴 기초의 지반파괴양상을 나타낸 것이며, (b)는 대표적으로 A시료의 매입깊이 40 cm일 때 다짐도에 따른 하중-변위곡선을 나타내고 있다. Table 4는 스파이럴 기초의 시료별, 매입깊이와 다짐도에 따른 최대 인발 저항력을 정리한 것이다. 스파이럴 기초의 경우 매입깊이와 다짐도가 증가함에 따라 최대인발저항력이 증가하였다. 이는 기존의 연구결과(Choi et al, 2015)와도 유사하게 나타났으며, 매입깊이에 의한 최대인발저항력의 상승효과 보다는 다짐도에 의한 상승효과가 더 크게 나타났다.
Table 4
Spiral foundation maximum uplift capacity according to embedded depth and compaction ratio
Fig. 8은 스파이럴 기초의 매입깊이와 다짐도에 따른 비교를 나타낸 것이다. 매입깊이에 따른 비교의 경우, A시료는 매입깊이가 40 cm에서 50 cm로 증가할 때, 평균적으로 173% 증가하였으며, B시료는 126%, C시료는 169% 증가하였다. 모든 시료는 평균적으로 40 cm에서 50 cm로 증가할 경우 약 156% 증가한 것으로 나타났으며, 매입깊이에 따른 증가 폭이 가장 작은 경우는 A시료의 다짐도 65%, 가장 큰 경우는 C시료의 다짐도 65%에서 나타났다. 다짐도에 따른 비교의 경우 A시료는 다짐도 65%에서 70%로 증가할 때, 평균적으로 약 160% 증가하였으며, 70%에서 75%로 증가할 때, 약 254% 증가하였다. B시료는 176%, 178% 증가하였으며, C시료는 365%, 148% 증가하였다. 모든 시료는 평균적으로 다짐도가 65%에서 70%로 증가할 때 234%, 70%에서 75%로 증가할 때, 194% 증가한 것으로 나타났으며, 다짐도에 따른 증가 폭이 가장 작은 경우는 A시료의 매입깊이 40 cm에서 다짐도 65%에서 70%로 증가할 때, 가장 큰 경우는 C시료의 매입깊이 40 cm에서 다짐도 65%에서 70%로 증가할 때 나타났다.
Fig. 8
Comparison of maximum uplift capacity according to embedded depth and compaction ratio of spiral foundation
스파이럴 기초는 조건에 따라 최대인발저항력은 서까래파이프 줄기초나 독립기초와 달리 일정한 증가경향을 보이지 않고 있는데, 이는 스파이럴 기초의 나선의 특성상 재현에 있어 나선주위의 지반의 다짐이 다소 균일하지 못하였기 때문으로 예상된다.
3. 콘크리트 독립기초의 최대인발저항력
Fig. 9의 (a)는 콘크리트 독립기초의 지반파괴양상을 나타낸 것이며, (b)는 대표적으로 A시료의 매입깊이 40 cm일 때 다짐도에 따른 하중-변위곡선을 나타내고 있다. Table 5는 시료별, 매입깊이와 다짐도에 따른 최대인발 저항력을 정리한 것이다.
Table 5
Concrete individual footing maximum uplift capacity according to embedded depth and compaction ratio
Fig. 10은 콘크리트 독립기초의 매입깊이와 다짐도에 따른 비교를 나타낸 것이다. 매입깊이에 따른 비교의 경우, A시료는 매입깊이가 40 cm에서 50 cm로 증가할 때, 평균적으로 126% 증가하였으며, B시료는 131%, C시료는 112% 증가하였다. 모든 시료는 평균적으로 40 cm에서 50 cm로 증가할 경우 약 123% 증가한 것으로 나타났으며, 매입깊이에 따른 증가 폭이 가장 작은 경우는 C시료의 다짐도 75%, 가장 큰 경우는 A시료의 다짐도 70%에서 나타났다. 다짐도에 따른 비교의 경우 A시료는 다짐도 65%에서 70%로 증가할 때, 평균적으로 약 149% 증가하였으며, 70%에서 75%로 증가할 때, 약 154% 증가하였다. B시료는 163%, 158% 증가하였으며, C시료는 146%, 160% 증가하였다. 모든 시료는 평균적으로 다짐도가 65%에서 70%로 증가할 때 153%, 70%에서 75%로 증가할 때, 157% 증가한 것으로 나타났으며, 다짐도에 따른 증가 폭이 가장 작은 경우는 A시료의 매입깊이 40 cm에서 다짐도 65%에서 70%로 증가할 때, 가장 큰 경우는 C시료의 매입깊이 40 cm에서 다짐도 70%에서 75%로 증가할 때 나타났다.
Fig. 10
Comparison of maximum uplift capacity according to embedded depth and compaction ratio of concrete individual footing
콘크리트 독립기초의 경우에는 매입깊이에 따른 최대인발저항력의 증가폭이 다른 종류의 기초에 비해 작게 나타나고 있으나, 다짐도에 의한 증가폭은 확연한 차이를 보이고 있다. 따라서, 콘크리트 독립기초의 경우에는 시공에 있어 매입깊이에 대한 피해경감의 기대는 적을 것으로 예상되며, 다짐도를 증가시키면, 바람에 의한 피해 경감과 파이프하우스의 구조적 안정성에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.
4. 기초의 종류에 따른 최대인발저항력
Fig. 11은 대표적으로 A시료의 기초 종류에 따른 비교를 나타낸 것이다. 다짐도 65%, 매입깊이 40 cm인 경우 서까래파이프 줄기초는 스파이럴 기초보다 약 459% 증가하였으며, 콘크리트 독립기초는 서까래파이프 줄기초보다 약 171% 증가하였다. 다짐도 65%, 매입깊이 50 cm인 경우 약 406%, 190% 증가하였다. 다짐도 70%, 매입깊이 40 cm인 경우 약 552%, 167% 증가하였으며, 다짐도 70%, 매입깊이 50 cm인 경우 약 390%, 157% 증가하였다. 다짐도 75%, 매입깊이 40 cm인 경우 약 355%, 160% 증가하였으며, 다짐도 75%, 매입깊이 50 cm인 경우 약 272%, 135% 증가하였다. A시료의 경우 평균적으로 서까래파이프 줄기초는 스파이럴 기초보다 약 406%정도 컸으며, 콘크리트 독립기초는 서까래파이프 줄기초보다 약 163%정도 크게 나타났다. 콘크리트 독립기초는 자중으로 인해 최대 인발저항력이 가장 크게 나타나며, 서까래파이프 줄기초는 가로대가 있어 스파이럴 기초보다 최대 인발저항력이 크게 나타난 것으로 예상된다.
Ⅳ. 결과 및 고찰
기초의 종류, 다짐도, 매입깊이, 흙의 종류에 따른 인발저항력 특성 분석을 위해 모형토조를 이용하여 실제지반을 재현하여 실험을 실시하였다. 대단위 파이프하우스 단지가 조성된 지역의 3종류의 시료를 다짐도 65%, 70%, 75% 및 매입깊이 40 cm, 50 cm에 따라 모형토조에 재현했으며, 기초의 종류를 서까래파이프 줄기초, 스파이럴 기초, 콘크리트 독립기초에 대해 실험을 진행하였다. 본 연구에서 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다.
서까래파이프 줄기초, 스파이럴 기초, 콘크리트 독립기초는 최대인발저항력을 가진 후 서서히 감소하는 경향을 보였다. 매입깊이가 증가함에 따라 최대인발저항력이 발생하는 부분에서 변위는 크게 나타났으며, 다짐도가 커짐에 따라 급격한 기울기를 보이며 최대인발저항력에 도달하였다.
서까래파이프 줄기초, 스파이럴 기초, 콘크리트 독립기초는 매입깊이가 40 cm에서 50 cm에 증가함에 따라 최대인발저항력이 증가하였으며, 평균적으로 서까래파이프 기초는 약 139%, 스파이럴 기초는 약 156%, 콘크리트 독립기초는 약 122% 증가하였다. 따라서, 매입깊이를 증가시켜 얻어지는 피해경감의 기대는 스파이럴 기초가 가장 크며, 콘크리트 독립기초가 가장 적을 것으로 예상된다.
서까래파이프 줄기초, 스파이럴 기초, 콘크리트 독립기초는 다짐도가 65%에서 70%, 75%까지 증가함에 따라 최대인발저항력이 증가하였으며, 최대인발저항력은 평균적으로 서까래파이프 기초는 약 178%, 155%, 스파이럴 기초는 약 228%, 194%, 콘크리트 독립기초는 153%, 157%만큼 증가하였다. 다짐도에 의한 최대인발저항력의 증가폭은 매입깊이에 의한 증가폭보다 확연한 차이를 보이고 있었으며, 따라서, 시공에 있어 다짐도를 증가시켜 바람에 의한 피해경감의 기대를 예상할 수 있다.
기초의 종류에 따른 최대인발저항력은 모든 조건에서 콘크리트 독립기초가 가장 크고, 서까래파이프 줄기초, 스파이럴 기초 순으로 크게 나타났다. 서까래파이프 줄기초는 스파이럴 기초보다 최대 977% 크게 나타났으며, 콘크리트 독립기초는 서까래 줄기초보다 최대 211% 크게 나타났다. 콘크리트 독립기초는 자중으로 인해 최대 인발저항력이 가장 크게 나타나며, 서까래파이프 줄기초는 가로대가 있어 스파이럴 기초보다 최대 인발저항력이 크게 나타난 것으로 예상된다.
기초의 종류, 다짐도, 매입깊이에 따른 최대인발저항력 결과는 내재해형 기준에 준하는 파이프하우스 기초설계의 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 하지만, 모형토조실험의 한계상 현장에 설치된 파이프하우스의 거동특성과는 차이를 보일 수 있다. 따라서, 추후 현장실험 및 실제 파이프하우스를 제작하여 본 연구결과와 현장 실험값과 비교를 통해 보완해야 할 것이다.
