Ⅰ. 서 론
국립기상과학원 보고서에 따르면, 지난 30년간 한반도의 기온은 20세기 초의 기온보다 평균 1.4℃ 상승했으며, 이는 전국 모든 관측지점에서 일관된 상승 추세를 보인다 (National Institute of Meteorological Sciences, 2018). 이와 같은 기후변화는 특히 여름철에 발생하는 국지성 태풍, 강풍, 호우 등의 이상기상 현상을 더욱 빈번하게 만들고 있으며, 그로 인해 농작물 피해뿐만 아니라 농업시설물의 구조적 피해도 지속적으로 증가하고 있다 (National Institute of Meteorological Sciences, 2018). 특히 태풍과 강풍의 피해는 그 규모가 크고 빈번히 발생하여 농업시설의 구조적 안전성에 심각한 위협을 주고 있으며, 이에 대한 예방 및 대응이 중요한 과제로 떠오르고 있다.
비가림 시설과 같은 개방형 농업시설은 태풍, 강풍 등 외부 풍압을 직접적으로 받기 쉬운 구조적 특성을 지니고 있다 (del Coz Díaz et al., 2009). 이러한 시설들은 주로 포도, 인삼, 버섯 등의 고부가가치 작물 재배에 활용되며, 기후변화에 따른 농작물의 품질 유지와 생산성 향상에 중요한 역할을 하고 있다 (Lee et al., 2015; Botezatu, 2024). 그러나 대부분의 개방형 농업시설은 측면이 개방된 구조로 설계되어 있어, 외부의 극단적인 기상 조건에 매우 취약하다 (del Coz Díaz et al., 2009). 특히, 비가림 시설은 지붕 상부에만 피복재가 설치되고 측면은 개방되어 있어 풍하중에 매우 민감한 구조적 특성을 갖는다 (You, 2011). 그럼에도 불구하고 개방형 농업시설에 대한 풍하중에 대한 구체적인 구조 해석 기준이 부족하여, 설계 풍속값을 명확히 제시할 수 없는 상황이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근 풍동 실험을 통한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 기존의 연구들에서는 비닐하우스, 유리온실 등 밀폐형 온실 구조 중심의 풍압계수 측정 및 분석이 주를 이루었으며, 이러한 연구들은 주로 구조물의 배치 형상, 풍향 변화에 따른 풍압계수의 차이를 분석하고 있다 (Paek et al., 2009; Lee et al., 2010; Hwang et al., 2010; Kim et al., 2014). Lee et al. (2010)은 비닐하우스 배치 형상에 따라 지붕면과 벽면의 풍압계수가 달라진다고 보고하였고, Paek et al. (2009)는 풍향 변화에 따라 비닐하우스의 풍압계수가 크게 달라지며, 특히 횡풍 조건에서 부압 집중 현상이 두드러지게 나타난다고 언급하였다. 또한, Hwang et al. (2010)은 유리온실의 지붕 형상과 경사각 변화에 따른 풍압계수 특성을 정량적으로 비교 분석하며, 경사각 증가에 따라 정압 분포 영역이 확대되는 경향을 제시하였다. Kim et al. (2014)는 양지붕형 온실의 지붕 경사에 따른 풍압계수를 평가하고 설계용 풍압계수 및 국부 풍압계수를 제시하였다. 이러한 연구들은 대부분 밀폐형 온실이나 단일 구조물 중심으로 진행되었으며, 개방형 농업시설에 대한 연구는 미비한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 개방형 농업시설에 대한 풍하중 분석과 구조 해석 기준의 마련을 위해 실제 재배 현장에서 사용 중인 단일동 및 연동형 비가림 농업시설을 대상으로 축소 모형 (1/20) 기반의 풍동 실험을 수행하여, 대표적인 풍향 조건인 정면풍 (0°)과 횡풍 (90°) 하에서 지붕 상⋅하부에 작용하는 풍압을 측정하였다. 각 풍향 및 부위별로 풍압계수를 산정하고 이를 바탕으로 구조적 특성을 정량적으로 분석하였다. 또한 구조 부위별로 설계에 적용 가능한 풍압계수 제안값을 도출함으로써, 향후 내재해형 설계기준 개발을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 실험 모형
본 연구에서는 포도, 고추 등의 작물 재배에 활용되는 개방형 비가림 농업시설을 대상으로, 구조 형태 및 풍향 변화에 따른 풍압계수 특성을 분석하고자 하였다. 실험 대상 구조물은 농촌진흥청의 비가림시설 (스마트 과원시설)의 설계 도면을 기반으로 하며, 현장 설치 사례를 기반으로 대표적인 두 가지 형식인 단일동 구조와 연동형 구조로 구성하였다. 연동형은 7연동으로 설계하였으며, 실제 구조물의 치수, 지붕 경사, 구조 부재 구성 등을 반영하여 풍동 실험용 축소 모형을 설계하였다 (Fig. 1).
축척 모형을 이용하는 풍동 실험에 있어서 현상에 관계하는 각 물리량으로부터 이루어지는 무차원량을 일치시키는 것이 중요하다. 이에 풍동 실험에서 적절한 상사 조건을 만족하도록 적용하였으며, Table 1에 풍동 실험을 위한 상사법칙 및 계측 데이터의 수집조건을 나타내었다. 본 연구에서 풍동
Table 1
Scale factors and acquisition settings for the wind-tunnel tests
실험에 사용된 비가림 농업시설의 축소 모형의 축척은 1:20으로 적용하였다. 축소 모형의 길이는 폭과 높이와 비교하여 충분히 길게 제작하여 풍동 실험 시 2차원성을 확보할 수 있도록 하였으며 온실 모형에 의하여 풍로가 막히는 효과를 제한하기 위하여 폐쇄율을 5% 이하로 설정하였다. 풍속 축척은 무차원 속도 분포를 고려하여 1:6을 적용하였으며 시간 축척은 상사 조건에 따라 1:4를 적용하였다. 각 풍향에 대하여 모형 스케일에서 150.0 s 동안 데이터를 취득하였으며, 동일 조건을 독립적으로 10회 반복 측정하였다.
자연 상태의 기류 특성은 지표면의 거칠기에 따라 평균 풍속 및 난류 강도 (turbulence intensity)의 고도 분포가 다르게 되며 풍동 실험에 적용하기 위해서는 합리적인 상사 과정이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 합리적인 풍환경 재현을 위해 ESDU (Engineering Sciences Data Unit, 01008, HIS, UK) 프로그램을 이용하였다. 일반적으로 자연풍의 경우 지표면의 형상 및 표면 거칠기 등에 따른 점성의 영향으로 지표면 인근에서는 산란되고 고도에 따라 풍속 규모가 점차 증가하는 연직 분포를 띄게 된다. ESDU는 풍속 프로파일 및 난류 강도를 설계하기 위한 프로그램으로 지표면 상태, 지형의 영향, 돌풍 출현 빈도 등을 고려하여 고도에 따른 시간 평균 풍속, 난류의 u, v, w 성분 및 스케일 설계에 사용된다. ESDU 코드에서 도출한 연직 풍속 및 난류강도 프로파일을 활용해 풍동 실험 내에서 조도 블록, 스파이어, 배리어 등을 사용하여 인위적으로 내부 풍환경을 설계하였다.
풍동 내 유동장이 실험 목적에 적합하게 조성되었는지를 확인하기 위해, 모델 높이 기준으로 평균풍속 분포와 난류강도 분포를 측정한 결과는 Fig. 2에 나타내었다. 측정은 지면으로부터 40 cm까지 수직 방향으로 20개 지점에서 수행되었다. 평균풍속 분포는 Fig. 2 (a)와 같다. 높이에 따라 점진적으로 증가하는 전형적인 경계층 발달 형태를 나타냈으며, 풍동기류 측정값 (WTT: Wind Tunnel Tests)은 KDS 41 기준 농촌지형의 풍속 분포와 유사한 경향을 보였다. 본 연구에서 제시하는 풍압계수는 무차원량이므로 실무 설계에서는 KDS의 기준풍속과 결합하여 사용할 수 있으며, 실험 기준과 일치하는 경우 농업시설 연구 또는 세부 설계 단계에서는 농촌진흥청의 풍속 분포를 사용하더라도 적용의 일관성이 유지된다.
Fig. 2
Inflow boundary layer in the test section: (a) vertical profile of mean wind velocity, (b) vertical profile of turbulence intensity
난류강도 분포 Fig. 2 (b)와 같다. 난류강도 분포 역시 지표면 부근에서 높은 값을 보이다가 고도가 증가할수록 점진적으로 감소하는 경향을 나타내었으며, 지붕 평균 높이인 약 21.25 cm에서 측정된 난류강도는 20.95%로 나타났다. 이는 기준 난류강도인 20.36%와 매우 유사한 수치로, 실험 유동 조건이 실제 농촌지형의 외기 조건을 적절하게 재현하고 있음을 보여준다.
풍압 측정공 위치의 단면도는 Figs. 3, 4와 같다. 여기서 S는 지붕 표면을 따라 정의한 곡선거리 좌표이며, Smax는 한 경간의 표면 길이이다. 따라서 정규화 좌표 S/Smax (범위 0–1)는 지붕면 좌측 측단부 (0)→ 지붕면 중앙부 (약 0.5)→ 지붕면 우측 측단부 (1)를 의미한다. 단일동 모델에는 지붕의 상부, 하부에 각각 60개소로 총 120개소를 설치하였으며, 7연동 모델에는 전방 4개의 동에 총 480개소를 설치하였다. 특히 풍상측 단부 및 처마부 등 국부 풍하중이 집중되는 부위에 고밀도로 배치하였다. 이는 전체 센서 수가 제한된 조건에서 측정 정확도와 해석 효율을 극대화하기 위한 배치 전략으로, 센서 분산보다 특정 구간에 밀집 배치함으로써 각 풍향 조건에서의 대표적 압력 특성을 보다 정밀하게 계측하고자 하였다.
2. 실험 풍동
풍동 (wind tunnel)은 기류 조건을 인위적으로 조성하여, 다양한 구조물 또는 대상에 작용하는 압력, 유동 분포, 열전달, 소음 등을 정밀하게 측정⋅분석할 수 있도록 하는 실험 장치이다 (Schatzmann et al., 1987). 자연환경에서는 계절, 풍향, 지형 등에 따른 변화로 인해 조건의 반복적 재현이 어렵지만, 풍동 실험은 기하학적 축소 모형과 상사 법칙을 활용하여 이를 통제된 환경에서 정밀하게 구현할 수 있으며, 실험의 반복성과 데이터 수집의 효율성 측면에서도 매우 유리하다 (Yang et al., 2022).
본 연구에서는 충청남도 아산시에 위치한 ㈜혜안엔지니어링의 대형 경계층 풍동 실험동을 활용하였다 (Fig. 5). 해당 풍동은 Eiffel-type의 토출식 개방형 풍동으로, 풍동의 전장은 34.5 m, 측정부의 크기는 폭 3.0 m, 높이 2.0 m, 길이 15.0 m이다. 실험 수행을 위한 Turntable의 직경은 2.5 m 크기이며 360° 회전이 가능하도록 설치되어 있다.
모형은 풍동 시험 구간 내 회전식 턴테이블 위에 설치되어, 다양한 풍향 조건에 따라 자유롭게 회전이 가능하며, 이를 통해 정풍, 측풍, 후풍 등 다양한 조건에서 구조물 표면의 풍압 특성을 정밀하게 분석할 수 있다. 해당 풍동은 건축 구조물에 작용하는 국부 풍하중 정밀 평가, 외장재의 안정성 검토 등 실환경 하중 조건 모사를 위한 풍압 실험에 적합하도록 설계되어 있다.
본 연구에서 사용된 풍압계는 다채널 풍압계 (MPS4264; Scanivalve Corp., Liberty Lake, WA, USA)로, 512개의 채널을 동시에 측정할 수 있다 (Fig. 6). 사양은 Table 2와 같으며, 풍압 측정범위는 4-inH2O (996.36 Pa)이며 샘플링 주파수는 850 Hz이다. 또한 실험 모형에 작용하는 풍압을 다채널 풍압계로 전달하는 과정에서 풍압 튜브로 인하여 발생하는 압력전달특성은 압력 전달 보정시스템에 의거하여 보정을 실시하였다.
Table 2
Specifications of the multi-channel pressure scanning module
3. 풍향 조건
본 연구에서는 구조물에 작용하는 풍압 특성을 효율적으로 분석하기 위하여, 풍향 조건 중 대표적인 정면풍 (0°) 및 횡풍 (90°)을 실험하였다. 정면풍은 구조물 전방에서 직각으로 유입되는 조건으로, 풍상측 부위에 가장 큰 풍압이 작용하는 대표적인 상황이며 (Zhong et al., 2024; Xie et al., 2022), 횡풍은 구조물 측면에 작용하는 조건으로 와류 및 측면 유동에 따른 불균일한 압력 분포를 발생시키는 전형적인 조건이다 (Fintelman et al., 2015; Xue et al., 2023). 또한 농어촌공사의 「온실구조 설계기준 및 해설」에서는 외압계수를 박공벽면에 평행한 풍향과 직각인 풍향을 기준으로 산정하도록 규정한다. 따라서 본 연구에서는 정면풍과 횡풍을 통해 구조물 전후방 및 측면 부위에서의 풍압 특성을 분석하였다 (Ministry of Agriculture and Forestry and Korea Rural Community Promotion Corporation, 1999).
풍압공의 측정위치와 풍향조건을 Fig. 7에 나타내었다. 풍향 180°는 정면풍 (0°) 조건의 후방 풍압을 보완하며, 풍향 270°는 측면풍 (90°) 조건에서 측정되지 않는 후방의 풍압 특성을 평가하는 데 활용되었다. 이와 같은 구성으로 전후좌우 풍하중을 효율적으로 분석하였다. 지붕 표면은 해석⋅비교의 일관성을 위해 센서 라인을 S1–S6으로 구분하였으며, 연동형 모형은 풍압공이 설치된 4개의 동을 A-D로 추가 구분하였다 (Fig. 8).
Fig. 7
Photographs of wind-direction cases (0°, 90°, 180°, 270°) for the single-span (left) and multi-span (right) models. The red rectangle indicates the instrumented roof area where pressure taps were installed
Fig. 8
Schematic of wind-direction reference and labeling for the single-span (left) and multi-span (right) models. The diagram shows roof sensors S1–S6 and, for the multi-span model, spans A–D; these labels correspond to the result plots
연동형 모델의 경우에는 실제 설치 사례를 반영하여 7연동 구조로 전체 형상을 구현하였으나, 측정공은 전방 4동 (A~D)에만 설치하였다 (Fig. 7). 이때도 마찬가지로, 풍향을 0°, 90°, 180°, 270°의 네 가지 방향으로 변경하여 실험을 수행함으로써 (Fig. 8), 정면풍과 측면풍 조건에서 전방과 후방의 풍압 특성을 모두 분석할 수 있도록 설계하였다.
4. 풍압계수 산정 방식
본 연구에서는 풍동 실험을 통해 지붕 구조물의 상부 및 하부 각 센서 위치별로 압력 데이터를 계측하였다. 센서에서 수집된 데이터를 이용하여 평균외압계수 (
), 순풍압계수 (
)를 산정하였으며, 각 계수의 산정식은 각각 식 (1), 식 (2)와 같다.
• 평균외압계수 (
)
• 순풍압계수 (
)
여기서, 
: 측정기간 동안의 평균 풍압 (Pa)
: 기준 풍속에 대한 동압 (Pa)
: 지붕면 상부의 외압계수
: 지붕면 하부의 외압계수
5. 풍압계수 부위 산정
풍동 실험을 통해 얻은 개방형 비가림 농업시설 지붕 구조의 풍압 데이터를 바탕으로, 부위별 설계 풍압계수를 산정하였다. 실험에서는 구조물의 상부와 하부에 설치된 센서의 데이터를 활용하여, 각 위치별 순풍압계수 (Net wind pressure coefficient)를 계산하였으며, 이를 통해 각 측정 위치의 풍압 특성을 정량적으로 분석하였다. 분석 과정에서는 유사한 풍압 특성을 보이는 부위들을 그룹화하고, 각 그룹 (동일 부위) 내의 센서값을 평균하여 대표 설계 풍압계수를 도출하였다. 특히, 연동형의 경우 S1~S6 센서별로 측정된 순풍압계수를 각 동별로 평균하여, 해당 부위의 대표값으로 제시하였다. 이러한 접근은 각 부위에서 반복적으로 나타나는 풍압 특성을 반영하여, 보다 실질적이고 합리적인 설계 기준을 마련할 수 있다는 장점이 있다. 풍향 조건은 정면풍 (0°)과 횡풍 (90°)으로 구분하여, 각 풍향별로 유사한 경향을 보이는 부위를 Fig. 9와 같이 그룹화하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 개방형 비가림시설의 풍향별 풍압계수 특성 분석
가. 단동형의 풍압계수 특성 분석
1) 정면풍의 풍압계수 특성 분석
단동형의 정면풍 (0°) 조건에서의 지붕면 상⋅하부 풍압계수 결과를 Fig. 10에 나타냈다. 기류가 구조물 전면부 (S1 방향)에서 수평으로 유입되며, 풍상측 처마 부근 (S1 지점)의 지붕면 중앙부에서 뚜렷한 풍압 집중 현상이 나타났다. 지붕면 상부에서는 최대 -0.38 수준의 부압이 관측되었으며, 하부에서는 최대 +0.26 수준의 정압이 형성되었다. 이 부위에서 나타난 큰 압력차는 구조물의 전면부에 국부적으로 높은 풍하중을 발생시키는 주된 원인으로 작용할 수 있다. 반면, 구조물 중앙부와 후면부는 지붕면 상⋅하부 모두에서 ±0.1 이내의 평탄한 압력 분포를 보였으며, 명확한 정압이나 부압의 집중 현상은 나타나지 않았다. 이는 전면부에서 상승한 기류가 구조물 내부로 깊이 침투하지 못하고 대부분 외부로 소산되거나 이탈한 결과로 판단된다. 따라서 중앙부 및 후면부는 구조적 관점에서 상대적으로 풍하중 부담이 낮은 영역으로 평가된다.
Fig. 10
Wind pressure coefficient for the frontal wind direction (0°) of the single-span structure. top denotes the pressure coefficient on the upper roof surface (Cp,top), and bottom denotes that on the lower roof surface (Cp,bot)
한편, 후면풍 (180°) 조건에서는 구조물 후방 (S6 방향)에서 유입된 기류가 전체적으로 매우 약한 정압 분포를 형성하였으며, 부압은 뚜렷하게 관측되지 않았다 (Fig. 11). 이는 구조물이 기류의 후류에 놓이며 유입된 기류 에너지가 충분히 소산되었기 때문으로 분석된다. 따라서 후면풍 (180°) 조건은 구조 설계 측면에서 풍하중 부담이 가장 적은 조건으로 평가할 수 있다.
2) 횡풍의 풍압계수 특성 분석
단동형의 횡풍 (90°) 조건에서의 지붕면 상⋅하부 풍압계수 결과를 Fig. 12에 나타냈다. 구조물 측면을 따라 유입된 기류가 지붕면 중앙부 부근에서 가장 큰 상하부 압력차를 형성하였다. 지붕면 상부의 중앙부에서는 평균 외압계수가 -1.0에 근접하는 강한 부압이 집중되었고, 지붕면 하부의 중앙부에서는 +0.5 수준의 강한 정압이 형성되어 구조물 중앙부에서 압력차가 극대화되는 현상이 나타났다. 이러한 현상은 측면에서 유입된 기류가 지붕 경사면을 따라 흐르다가 중앙부에서 급격히 분리되면서 상부에서 저압영역이 형성되고, 하부에서는 기류가 구조물 내부에 유입되어 정체되는 유동 특성에서 기인한다. 또한, 지붕면 상부 풍상측 가장자리에서는 일부 지점에서 국지적 부압이 관측되었으며, 이는 기류가 지붕 전단부에 부착된 후 빠르게 분리되는 현상에 따른 것으로 해석된다. 지붕면 하부에서도 풍상측 가장자리에서는 국지적 부압 현상이 일부 나타났다.
Fig. 12
Wind pressure coefficient for the crosswind direction (90°) of the single-span structure. top denotes the pressure coefficient on the upper roof surface (Cp,top), and bottom denotes that on the lower roof surface (Cp,bot)
종합하면, 횡풍 (90°) 조건은 지붕면 중앙부에 구조적 피로 누적, 박리 응력, 인장 응력 등의 구조적 위험을 증가시킬 가능성이 있으며, 특히 풍상측 가장자리의 국지적 부압 현상은 추가적인 국부 구조 보강이 필요한 중요한 설계 요소로 평가된다.
나. 연동형의 풍압계수 특성 분석
1) 정면풍의 풍압계수 특성 분석
연동형의 정면풍 (0°) 조건에서의 지붕면 상⋅하부 풍압계수 결과를 Fig. 13에 나타냈다. 정면풍 (0°) 조건에서 연동형 구조물 또한 전면부 (S1 지점)의 지붕면 중앙부에서 상하부 압력차가 가장 명확히 나타났다. 지붕면 상부의 중앙부에서는 최대 –0.48 수준의 부압이, 하부에서는 평균 최대 0.37의 정압이 집중되었다. 이로 인해 전면부의 지붕면 중앙부는 단동형과 동일하게 풍하중이 국부적으로 집중되는 구조적 취약 부위로 평가된다. 반면, 전면부 이후로 압력 분포는 급격히 평탄화되어 ±0.1 이내의 매우 낮고 안정된 압력장이 형성되었다. 이는 선행 구간 (S1 부근)에서 유입 기류의 에너지가 대부분 소산되고, 후속 구간으로의 기류 전달이 크게 감소한 결과로 분석된다.
Fig. 13
Wind pressure coefficient for the frontal wind direction (0°) of the multi-span structure. top denotes the pressure coefficient on the upper roof surface (Cp,top), and bottom denotes that on the lower roof surface (Cp,bot)
후면풍 (180°) 조건에서도 구조물 후방 (S6 방향)에서 유입된 기류는 상⋅하부 모두에서 약한 정압 분포만을 나타냈으며, 전체적으로 안정적인 상태를 유지하였다 (Fig. 14). 따라서 연동형 또한 단동형과 마찬가지로 후면풍 (180°) 조건은 구조 설계 시 풍하중 부담이 낮은 조건으로 평가된다.
2) 횡풍의 풍압계수 특성 분석
연동형의 횡풍 (90°) 조건에서의 지붕면 상⋅하부 풍압계수 결과를 Fig. 15에 나타냈다. 횡풍 조건에서 연동형 구조물 역시 지붕면 중앙부를 중심으로 상부에는 강한 부압, 하부에는 명확한 정압이 형성되면서 압력차가 극대화되었다. 이는 단동형과 유사한 유동 메커니즘에 의해 발생한 현상으로 해석된다. 지붕면 풍상측 가장자리 또한 바람을 직접 맞는 A동은 단동형과 유사한 경향을 보였지만 B⋅C⋅D 동으로 갈수록 지붕면 상부에서 강한 정압이 형성되었다. 이는 앞쪽 동을 통과하는 동안 기류가 감속되고 난류강도가 감소하여, 뒤쪽 동 전단부 상부에서 재부착과 정체영역이 강화되기 때문으로 해석된다.
Fig. 15
Wind pressure coefficient for the crosswind direction (90°) of the multi-span structure. top denotes the pressure coefficient on the upper roof surface (Cp,top), and bottom denotes that on the lower roof surface (Cp,bot)
풍향 270°로 조건이 바뀌어도 전반적인 압력 분포 경향은 90° 조건과 거의 유사하게 나타났다 (Fig. 16). 중앙부를 중심으로 압력차가 극대화되고 측단부에서는 반복적인 국지 압력을 보였다. 따라서 횡풍 조건에서 지붕면 중앙부는 구조적 피로 누적 및 손상의 주요 위험 부위로 판단되며, 풍상측 가장자리의 국지적 압력 변화 현상은 추가적인 국부적 구조 보강이 필요함을 시사한다.
다. 단동형과 연동형의 풍압계수 특성 비교
단동형과 연동형 비가림시설은 구조적 구성과 규모의 차이에도 불구하고, 정면풍 및 횡풍 조건에서 유사한 풍압 분포 경향을 나타냈다. 정면풍 조건에서는 양 구조물 모두 지붕면 전면부 (S1 부위)의 중앙부를 중심으로 가장 큰 상하부 압력차가 형성되었다. 단동형은 상부 –0.37, 하부 +0.27, 연동형은 상부 –0.54, 하부 +0.40으로 관측되어 지붕면 상부에서는 뚜렷한 부압이 나타났고, 하부에서는 정압이 형성되어, 전면부 처마 인근에서 국부적인 풍압 집중이 발생하는 현상이 공통적으로 관측되었다. 반면, 지붕면 중앙부에서 후면부로 갈수록 풍압 변화는 급격히 완화되었으며, 대부분의 구간에서 상⋅하부 압력차가 작고 안정적인 압력 분포가 유지되는 경향이 유사하게 나타났다.
횡풍 조건에서는 양 구조물 모두 지붕면 중앙부를 중심으로 상부 부압과 하부 정압이 동시에 집중되었다. 단동형의 중앙부 값 범위는 상부 –0.98~–0.77, 하부 +0.39~+0.51이고, 연동형은 상부 –0.77~–0.65, 하부 +0.25~+0.44로 구조적 측면에서 상하부 압력차가 극대화되는 공통적인 풍압 특성을 나타냈다. 이와 더불어, 풍상측 가장자리에서 반복적으로 나타나는 국부적 풍압 집중 현상이 두 구조 유형에서 동일하게 확인되었다.
그러나 전체적인 풍압 분포의 경향은 유사하였으나, 특정 위치에서 관측된 풍압계수의 절대값과 압력차의 크기에는 단동형과 연동형 간 명확한 차이가 존재하였다. 이는 구조물의 형상 차이와 관련된 기류의 국부적 상호작용 효과가 풍압계수에 실질적으로 반영된 결과로 해석된다. 따라서 본 연구에서는 구조적 설계 적용 시에는 단일 기준을 일괄적으로 적용하기보다는, 각 구조 유형과 부위별 풍압 특성을 개별적으로 반영한 보수적인 설계기준을 설정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
2. 개방형 비가림시설의 부위별 풍압계수 산정
본 연구에서 산정한 개방형 비가림시설의 부위별 풍압계수는 Table 3과 같다. 정면풍 (0°) 조건에서 풍상측의 양쪽 측단부 (R1, R6)가 단동형은 0.09, -0.16, 연동형은 –0.34, -0.35로 중앙부에 비해 상대적으로 작은 압력을 보였다. 풍상측 중앙부 (R3)는 단동형 –0.62, 연동형 –0.90으로 측단부에 비해 큰 부압이 나왔으며, 연동형이 단동형 대비 0.28 더 큰 부압을 나타냈다. 정면풍 조건에서 연동형 비가림시설에서의 풍상측 풍압계수가 단동형보다 높게 나타난 것은, 연동형이 여러 동이 연속적으로 연결된 구조적 특성에 기인한다. 정면에서 유입된 기류는 단동형과 달리 구조물 내부에서 빠르게 배출되지 않고, 각 동 사이에서 정체 및 간섭되어 풍상측 처마 및 전면부에 국부적인 압력 집중이 발생한다. 이로 인해 풍상측 부위에서 측정된 최대 풍압계수는 단동형에 비해 연동형에서 더 크게 산출된다. 이러한 현상은 구조물의 배치 및 내부 기류의 정체/간섭 효과가 복합적으로 작용한 결과임을 시사한다.
Table 3
Net pressure coefficients by roof section (R1–R6) for single- and multi-span models at 0° and 90° wind directions. See Fig. 9 for the definition of R1–R6
횡풍 (90°) 조건에서는 풍상측 측단부 (R1, R6)에서 단동형 0.17, 연동형 0.22로 낮은 정압을 보였으며, 풍하측 측단부 또한 단동형 –0.17, 연동형 –0.13으로 낮은 부압을 보였다. 중앙부 (R3)에서는 단동형은 –1.34, 연동형은 –1.09로, 단동형이 연동형보다 0.25 더 큰 부압을 나타냈다. 횡풍 조건에서 단동형의 풍압계수가 연동형보다 높게 나타난 것은, 단동형은 구조물 양측이 모두 외부에 노출되어 있어 측면에서 유입된 기류가 지붕 표면에 직접적으로 작용하기 때문이다. 이에 따라 지붕 중앙부에서는 상부에 강한 부압, 하부에 정압이 집중되어 구조적 위험이 극대화된다. 반면, 연동형은 여러 동이 나란히 배치된 구조적 특성상 측면에서 유입된 기류가 각 동 사이에서 분산⋅차폐되며, 기류의 에너지가 소산되어 단동형에 비해 압력 집중이 완화된다. 이러한 결과는 횡풍 조건에서 구조물의 배치와 차폐효과가 풍압 분포에 큰 영향을 미친다는 점을 시사한다.
본 연구의 개방형 비가림시설 결과는 선행 온실 연구의 분포 경향과 정량적으로 비교했을 때 일관된 특징을 보였다. 먼저 정면풍 (0°)에서 단동형은 소규모 정압 후 중앙부에서 최대 부압이 발생하고 완만히 회복되었고, 연동형은 풍상측에서 이미 음압에 진입하여 중앙부에서 더 큰 정압을 보였다 (Kim et al., 2014; Kim et al., 2019). 이는 온실 지붕에서 풍상측 처마 인근의 급격한 압력 저하와 용마루 뒤측의 낮은 압력대 형성을 보고한 결과와 정성적으로 합치한다. 해당 연구는 0°에서 풍상측 벽⋅처마 근처의 압력 기울기와 용마루 후면의 낮은 압력대를 반복 확인하였고, 평균⋅피크 계수의 구분 사용을 권고한다. 횡풍 (90°)에서는 온실 풍동 연구 또한 중앙부 부근의 큰 부압과 단부의 국부 특이성을 강조하며, 기준서들이 90°의 분포 특성을 충분히 반영하지 못한다고 지적한다. 본 연구의 중앙부 극값과 단부 성향은 그 해석과 부합한다 (Kim et al., 2014 ; Kim et al., 2019). 상부 부압–하부 정압이 중첩되는 구간에서는 양압력이 지배적이다. 따라서 0° 전면부 중앙과 90° 중앙부 조건을 부재 설계 하중조합에 명시적으로 반영해야 한다.
Ⅳ. 결 론
본 연구는 개방형 비가림 농업시설 (단동형 및 연동형)의 지붕 부위별 풍압 특성을 정량적으로 분석하고, 이를 기반으로 내재해형 구조 설계를 위한 부위별 풍압계수를 제안하였다. 풍동 실험 결과, 정면풍 (0°) 조건에서는 두 구조물 모두 전면부에서 국부적 풍압 집중 현상이 뚜렷하게 나타났다. 횡풍 (90°) 조건에서는 구조물의 중앙부에서 압력차가 극대화되었으며, 측단부에서는 반복적인 국지 압력이 관찰되었다. 본 연구는 각 부위별 센서값을 그룹화하여 평균값을 도출함으로써, 반복적으로 나타나는 풍압 특성을 효과적으로 반영하였다. 특히, 구조 유형과 풍향 조건에 따라 상이한 풍압 분포 특성을 독립적으로 고려하여, 실용적이고 안전성이 향상된 설계 기준을 제시하였다.
부위별 대표 순풍압계수를 산정한 결과, 정면풍 (0°)의 중앙부에서 연동형은 -0.90로, 단동형의 –0.62 대비 0.28 더 큰 부압을 보였다. 횡풍 (90°)에서는 두 구조 모두 중앙부에서 최대 부압이 나타났으며, 단동형 -1.34와 연동형 -1.09로 차이가 0.25로 가장 컸다. 반면 풍상측 처마에서는 단동형 0.17, 연동형 0.22로 정압을 보여줬다. 이와 같은 정량 비교는 정면풍에서는 연동형의 중앙부가, 횡풍에서는 단동형의 중앙부가 상대적으로 설계 취약부임을 분명히 보여준다.
그러나 본 연구는 단동형 및 연동형 비가림 농업시설의 특정 풍향 조건 (0° 및 90°)에 대한 풍압 특성에 한정되어 있으며, 이는 연구의 한계점으로 작용한다. 향후 연구에서는 다양한 개방형 농업시설의 구조 형태와 풍향 조건을 포괄적으로 고려하여 풍압 계수 분포 특성을 보다 심도 있게 규명하고, 이를 통해 개방형 농업시설의 구조적 안정성을 확보할 수 있는 설계 기준 정립의 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
