모듈 세로 배치 시 높이 증가에 따른 풍압 영향 검토 사항입니다

[gen54]

1MB를 초과하여 한번에 올리지 못한 내용은 아래의 첨부 화일을 참고하시기 바랍니다

아래 내용은 태양광 모듈의 세로 방향 즉 높이가 일정하지 않음에 대해

혹시 구조물 및 기초의 설계가 종전 것을 그대로 사용하여 현장 상황에 맞지 않을 경우

참고해도 될 내용 같습니다

틀린 내용은 지적하여 댓글 주시고 서로 공유했으면 합니다

[모듈 세로 배치 시 풍압 증가에 따른 영향 검토 사항.hwp

아래 글은 예를 들어 1m×2m의 모듈을 뉘어서 3열 배치하면 모듈의 상하 높이가 3m인데, 다른 지역에 설치하면서 부지면적이나 모양 등의 사유로 이를 세워서 2열 배치하여 높이를 4m로 할 경우 높이가 달라지므로 해서 증가된 풍압이 구조물과 기초 등에 미치는 영향에 대한 검토 사항으로, 구조물 및 기초가 3m일 경우의 설계치를 초과하여 모듈 높이 연장분 만큼

추가 보강이 필요함을 전제한 글입니다(즉 모듈 세로 길이(높이)가 다른 곳보다 높다고 생각되는 곳에 적용하면 될 것 같습니다)

사람들은 바람의 힘을 간과하기도 하지만 풍압은 상상 외의 엄청난 힘을 발휘하기도 합니다

혹시 시공하려는 태양광의 모듈의 높이가 다른 것보다 높을 경우 한번쯤 짚어보시라고 글 올립니다

본인은 토목의 전문가도 아니고 태양광에 유경험자도 아니어서 틀린 내용이 있을 수도 있으니 실제 적용하실 때는 전문가의 의견을 받으시기 바랍니다

예비사업자로서 가져온 생각을 글로 나타낸 것에 불과하니 틀린 부분이 있으면 서로 공유할 수 있도록 댓글 달아주시기 바랍니다

1. Column 하부에 미치는 휨 Moment

일단 모듈 종방향 세로 길이가 3m에서 4m로 늘어나면 같은 횡방향 길이에 대해 모듈에 미치는 풍하중도 약 33% 증가될 것이라는 것은 누가 봐도 쉽게 알 수 있는 사항임

여기에 모듈 세로 길이가 1m 늘어남에 따라 같은 비율로 Column의 높이를 1.5m에서 0.5m를 추가하여 2m로 높인다면 약 33% 높이는 셈이 되어 풍하중에 의해 Column 하단부에 미치는 휨 Moment는 아래 식과 같이 33%(약 1.33배)가 아닌 78%(약 1.78배) 증가하는 것으로 산출됨

(물론 Column의 높이는 높이지 않는다면 그냥 1.33배가 되겠지요)

M = PL = 4/3P × 2/1.5L ≒ 1.78PL

M : 휨 모멘트

P : 모듈에 미치는 풍압

L : Column의 높이

이에 대한 대처 방안으로 증가된 휨 Moment에 대해 기존 3m로 했을 때의 설계치가 감당할 여력이 없어 증가량만큼 추가 보강을 해야 한다면

① Column 설치 수량 추가 방안과

② 파이프 두께를 더 두껍게 하거나 사각 파이프 변의 길이를 증가시켜 사각 파이프 단면 2차 모멘트를 증가시키는 방안이 있을 것 같음

(사각 파이프 규격 변경의 경우 아래 표 참조)

2. 구조물의 전도력

다음은 풍압에 의한 구조물의 전도에 관한 것임(이것이 문제가 되겠죠)

모듈의 풍압에 의한 구조물 전도력 또한 휨 Moment와 같이 1.78배로 증가할 것으로 보임

모듈의 풍압으로 인해 구조물을 넘어뜨리려는 전도력이 발생하면 반력으로서 기초 콘크리트를 포함한 구조물 자체 중량에 의한 반력과 땅속에 매설된 콘크리트 기초 측면에 작용하는 반력이 될 것 같음

먼저 콘크리트 기초를 지표면 아래 매립하지 않은 상태의 경우로서 콘크리트 기초를 포함한 구조물 자체 중량만으로 버티는 반력은 아래 그림과 같이 작용할 것으로 보임

위 그림에서 좌측은 콘크리트를 띄엄띄엄 타설한 것이 아니고 일렬로 연속하여 타설한 일명 줄기초 방식인데, 줄기초의 경우 풍압이 작용하는 방향의 콘크리트 기초 가로 길이가 짧기 때문에 구조물 자체 중량에 의한 반력은 소위 “A”자형이나 띄엄띄엄 크고 넓게 타설한 기초보다 전도력에 대한 반력의 크기가 작은 것을 볼 수 있음

다음은 콘크리트 기초를 땅속에 매설했을 때 콘크리트 기초에 작용하는 반력으로서 아래 그림과 같이 작용할 것으로 보임

그림에서와 같이 구조물을 넘어뜨리려는 전도력에 대한 반력은 대부분 지하로 매립된 측면에서 작용함을 알 수 있음

또한 지상으로 노출된 부분은 측면의 반력이 전혀 작용하지 않음을 알 수 있음

즉 이는 콘크리트 기초 중 매립되지 아니한 지상에 노출된 부분은 구조물 넘어뜨리려는 전도력에 대해 자체 중량 외에는 측면 반력이 전혀 작용하지 않으므로 반력을 크게하기 위해서는 가능한 한 콘크리트 기초의 지상 노출부가 없도록 충분히 복토 시공하거나 꼭 필요한 경우라도 최소화해야 할 것으로 보임

이 경우에는 그림과 같이 풍압이 작용하는 방향의 측면의 깊이가 깊을수록 반력이 크게 작용하는 것을 볼 수 있음

따라서 앞에서 볼 때 같은 단면적이라도 측면의 면적이 넓은 소위 줄기초 방식이 듬성듬성 시공한 기초에 비해 측면반력이 크게 작용하므로 깊이를 깊게 할수록 효과가 더욱 클 것으로 생각됨

다음은 풍압 증가로 인해 1.78배 증가된 구조물 전도력에 대처하기 위해 콘크리트 기초를 얼마나 더 깊이 땅속에 추가 매설해야 하는가를 아래 그림과 같이 나타냈음

아래 그림과 모듈 세로 길이가 3m일 경우 줄기초 방식에서 설계된 콘크리트 기초 매설부분이 가로 60cm, 깊이 80cm라고 가정했을 때 1.78배 증가된 구조물 전도력에 대한 반력이 1.78배가 되도록 하기 위해서는 땅 속에 매립되어야할 콘크리트 기초의 깊이가 107cm 정도 되어야하는 것으로 산출되었음

1.78배라는 수치는 Column의 높이를 1.5m에서 2m로 높였을 때 산출된 값이므로 만약 Column의 높이를 조금도 높이지 않았다면 1.33배를 적용하여 약 93cm 정도로서 13cm만 더 깊게 설치하면 되는 것으로 나타났음

위 그림에서 반력이 작용하는 각도를 45°로 한 것은 tan45°가 “1”이므로 반력 크기의 합을 쉽게 구하여 비교하기 위한 任意 각도임

그러나 이 각도값을 실제로 반력이 미치는 각도로 바꾸어 계산하여도 반력 크기의 합을 비교하고 추가로 시공하여야 할 기초의 깊이를 산출하기 위한 결과값은 근사하게 계산됨

3. 토양의 밀도와 공극률
  만얀 모듈 세로 길이가 3m인 곳의 토양은 야산의 토양이고, 4m로 설치하려는 곳이 논이라면 토양의 밀도와 공극률이 달라서 매립되는 콘크리트 기초가 동일한 규격에서도 전도력에 대한 반력이 작을 것이므로 콘크리트 기초 규격 산정 시 토양의 밀도와 공극률을 고려할 필요가 있을 것 같음
  아래 그림에서 보는 바와 같이 토성에 따라 토양의 밀도와 공극률이 큰 차이가 있는 것으로 나타났음

  여기서 논일 경우 토성은 식양토~식토 범위인 것으로 검색되었고
  야산 밭일 경우 대부분 위에서 사양토~양토 사이로 본다면, 논일 경우의 식양토~식토와는 약 16~36% 정도의 밀도 차가 발생하는 것으로 보이며, 공극량의 경우는 약 17~35% 정도의 차이가 있을 것으로 보임

  ☞ 위 16~36% 및 17~35% 산출 내용
  3m일 경우의 야산 밭 토성을 사양토~양토 사이로 보고, 4m일 경우의 논토성을 식양토~식토로 본다면
  ○ 밀도와 공극률의 최소차는 양토와 식양토 범위이므로 그 비율은 밀도의 경우 1.4 ÷ 1.2 ≒ 16%, 공극률은 55 ÷ 47 ≒ 17%이고,
  ○ 밀도와 공극률의 최대차는 사양토와 식토 범위이므로 그 비율은 밀도의 경우 1.5 ÷ 1.1 ≒  36%, 공극률의 경우 58 ÷ 43 ≒ 35% 정도의 차이가 있는 것으로 계산되었으며
  ○ 그 중간 값 즉 평균값을 취한다면 밀도는 (16%+36%) ÷ 2 = 26%,  공극률은  (17%+35%) ÷ 2 = 26%가 되는 것으로 계산되었음

  따라서 토양의 밀도가 16~36% 정도 낮고 공극률이 17~35% 정도 높다면 같은 전도력에 대해 반력이 1.58배 낮아질 수 있다고 생각됨
  ☞ 26%이므로 1.26 × 1.26 ≒ 1.58배

  이러한 상황을 어떻게 대처, 적용해야할지 모르겠으나
  일단 ① 모듈 세로 길이를 늘리고, Column 높이를 높인 상태에서 전도력이 1.78배 증가되었고 ② 토양의 밀도가 낮고 공극률이 높아서 반력이 1.58배 낮게 작용하므로 이에 대해 반력의 합을 기준으로 보강한다면 약 2.8배 정도가 필요할 것 같음
  ☞ 1.78배 × 1.58배 ≒ 2.8배
 
  상기의 2.8배는 아래와 같이도 계산됨
  ① “모듈 길이 증가”에 따른 전도력 증가분 : 4 ÷ 3 ≒ 1.33배
  ② “Column 높이 증가”에 따른 전도력 증가분 : 2 ÷ 1.5 ≒ 1.33배 
  ③ “토성에 따른 토양의 밀도 낮음”에 따른 반력 감소분으로서 평균적 값       : (1.16% + 1.36%) ÷ 2 = 1.26배
  ④ “토양의 공극률 높음“에 따른 반력 감소분으로서 평균적 값 : (1.15% + 1.37%) ÷ 2 = 1.26배
     ☞ 1.33 × 1.33 × 1.26 × 1.26 ≒ 2.8배

  따라서 제반 모든 요소를 고려하여 위의 2.8배를 적용한다면
  땅 속에 매립된 처음의 콘크리트 기초를 80cm로 기준하여 산출하면 추가로 매립되어야할 깊이는 약 54cm로서 기초의 전체 깊이는 약 134cm 정도가 되는 것으로 계산되었음

4. 콘크리트 기초 지상 노출부의 충분한 복토 시공
  콘크리트 기초 중 매립되지 아니한 지상에 노출된 부분은 전도력에 대한 측면 반력이 전혀 작용하지 않고, 자체 중량에 의한 반력만 작용하므로   콘크리트 기초는 지상 노출부가 없도록 모두 충분히 복토 시공하고 충분한 땅 다짐을 하도록 하여야 함

5. 구조물에 대한 강도 검토
  3m로 했을 때의 구조물 설계치가 여유가 없다면 Column과 Girder의 연결이 증가된 풍압 상태에서도 단단히 고정되도록 구조물의 강도를 약 1.33배 이상으로 증가시킬 필요가 있음(고정가변형의 경우 Column과 Girder가 각도 조절장치로 이것의 크기나 강도를 증가를 말함)  
 또한 풍압에 의해 Array가 뒤틀리지 않도록 Girder 및 C-형강의 규격이 충분한지도 들여다볼 필요가 있음

용량이 1MB 초과했을텐데 이번에는 짤리지 않네요

[난새]

72셀 2단 세로 배열을 기둥 하나로 한다는 건 풍압에 대한 문제가 있습니다.
그리고 고정가변형의 경우 힘의 작용점을 고려해 받침 부분은 기둥 하단부에 연결하는 게 유리합니다.
방석기초라는 개별 기초방식은 공극에 의한 지반 침하에 대한 염려가 많습니다.

제 발전소 중 가로세로 1.2m 깊이 0.6m 방석 기초한 곳이 있습니다.
지질에 문제가 있었겠지만 물이 모이는 곳은 군데군데 침하가 발생하여 보완했습니다.
주변에서도 보면 처음엔 반듯했는데 시간이 지나니 파도타기처럼 기초가 내려가는 걸 봅니다.

그에 반해 거푸집 없는 줄기초 폭0.7m, 깊이 0.5m 길이 7m~100m까지 파도타기를 본 적이 없습니다.

[난새]

그동안 방석기초, 파일그라우팅 공법, 거푸집 줄기초, 거푸집 없는 줄기초 등 여러 방법들을 적용했습니다.
풍압에 흔들림으로 보면 - 바람부는 날 모듈 상단부 떨림현상-고정형이 가장 안정적이었습니다.
그리고 가변형의 경우
가변 앞 뒤 지지대는 윗 부분은 거더 가장자리에 가까울수록, 아래 부분은 기둥 하단부에 가까울수록 안정적이었습니다.

[gen54]

모두가 도움이 되는 소중한 내용의 댓글입니다
기초는 거푸집 있는 줄기초가 안정적이라는 것 같기도 하네요
아무쪼록 이 카페에 오신 분들에게 도움이 되길 바랍니다

[태양광관심]

많은 공부가 되었습니다.
감사합니다.

[리차드]

차근차근 공부 하게 되네요

[고니]

제가 토목쪽을 전공하였고 현업에서 일하고 있습니다. 컬럼은 기둥이고 그 하부를 파운데이션기초라하지요 얼마전 난새님께서 제안하셨던 터파기후 레미콘을 직타하는방법을 제시하였습니다. 기초에서는 측면의 주면마찰력과 기초지지되는 선단지지력이 있습니다.
독립기초(방석기초)는 이에 비해 부등침하(불규칙침하)를 예방하기 위해서는 기초지반을 잘다져야하고 LEAN CONC타설 하여서 확율를 줄여야하고
천공그라우팅후 기초시공에서는 하부지반을 육안으로 확인하기 어렵고 그라우팅이 지하수등영향으로 용출현상이 발생하여 내구성측면의 문제점을 야기합니다.

결론은 백호(포크레인) 쪽 바가지로 터파기후 직접타설이 유리합니다.

[고니]

또한 BENDING MOMENT에 대하여 말씀하신내용으로는
구조물 기초와 기둥에 앙카볼트라는것이 있습니다.(ANCHOR:정착. BOND:부착입니다.) 즉 뽑히지 않으려는 힘인데 업체에서 제시하는 콘크리트 매입깊이를 유지해야합니다. 길이가 부족할때는 갈고리형태 및 철근에 최대한 부착하여 인장력에대하여 저항해야 하며 벤딩모멘트와 전단력저항을 위해서는 부재와 연결점에서 추가 보강을 취하시면 구조적영향을 예방할수 있습니다. 가장취약점이 우수라고 생각합니다.-아무리기초가 우수하다해도 집중호우때 기초를 덮고있는 토사가 심각하게 유출된다면 기초의 지지력이 손실되고 침하되며 결국은 한번에 도미노처럼 붕괴될 우려가 높습니다.

[gen54]

글 고맙습니다
시공 때 참조토록 하겠습니다
감사합니다