• 반강성 접합부의 거동을 고려한 온실용 비선형 FEM 모델을 개발하였다. • 반강성 접합부에서 응력 재분배가 발생함에 따라, 처마 서까래 파이프(side rafter pipes)를 가장 취약한 부재로 확인하였다. • 비선형 FEM은 적설하중에서 안전율이 7.8 % 감소하고, 풍하중에서 4.7 % 감소함을 보여주었다. • 서까래 파이프의 직경은 온실의 안정성에 가장 큰 영향을 미치며, 하중 수용능력을 유의하게 향상시켰다. • 보강재(퍼린, purlins) 개수는 비선형 FEM 해석에서 구조적 안전에 미치는 영향이 미미하였다. 본 연구는 비선형 유한요소법(FEM) 모델을 이용하여 극한 기상 하중 조건에서 9종의 온실의 구조 안전성을 평가하였다. 해당 모델은 클램프 접합부(clamp joint)의 재료 비선형성을 고려하며, 클램프 접합부는 탄소성 거동을 대표하는 인터페이스 요소(interface elements)로 모델링하였다. 접합부의 강성 및 한계강도는 하중 시험을 통해 추정하였다. FEM 모델은 복합응력을 포함하는 허용응력 설계 기준(allowable stress design criteria)에 근거하여 온실의 구조 안전성을 평가하였다. 두 종류의 클램프 접합부에 대한 하중 시험 결과, SP(Steel-plate) 접합부가 SW(Steel-wire) 접합부의 한계강도보다 2배 이상 높은 것으로 나타났다. 이 결과는 SW 접합부만으로 제작된 저가형 온실의 잠재적 구조적 취약성을 시사한다. 비선형 FEM 결과는 반강성 접합부로부터 과도하게 재분배된 응력으로 인해 처마 서까래 파이프가 가장 취약한 부재임을 확인한 반면, 기둥(columns)은 구조 성능에 대한 기여가 미미한 것으로 나타났다. 안전율(FS)은 풍하중보다 적설하중에서 일관되게 더 낮았으며, 비선형 FEM은 선형 FEM에 비해 평균 FS 감소가 각각 7.8 % 및 4.7 %로 나타났다. 설계 변수 중에서는 서까래 파이프 직경이 FS에 가장 큰 영향을 미친 반면, 보강재(purlin) 개수는 영향이 미미하였다. 이러한 결과는 극한 기상 조건에서 구조적 안전성을 확보하기 위해 온실 설계 시 반강성 접합부의 거동을 고려할 필요가 있음을 강조한다. 본 연구에서 개발된 신뢰할 수 있는 비선형 FEM 프레임워크는 더 안전한 온실을 설계하고 기존 온실을 평가하는 데 유용한 통찰을 제공한다.

• 반강성 접합부의 거동을 고려한 온실용 비선형 FEM 모델을 개발하였다. • 반강성 접합부에서 응력 재분배가 발생함에 따라, 처마 서까래 파이프(side rafter pipes)를 가장 취약한 부재로 확인하였다. • 비선형 FEM은 적설하중에서 안전율이 7.8 % 감소하고, 풍하중에서 4.7 % 감소함을 보여주었다. • 서까래 파이프의 직경은 온실의 안정성에 가장 큰 영향을 미치며, 하중 수용능력을 유의하게 향상시켰다. • 보강재(퍼린, purlins) 개수는 비선형 FEM 해석에서 구조적 안전에 미치는 영향이 미미하였다. 본 연구는 비선형 유한요소법(FEM) 모델을 이용하여 극한 기상 하중 조건에서 9종의 온실의 구조 안전성을 평가하였다. 해당 모델은 클램프 접합부(clamp joint)의 재료 비선형성을 고려하며, 클램프 접합부는 탄소성 거동을 대표하는 인터페이스 요소(interface elements)로 모델링하였다. 접합부의 강성 및 한계강도는 하중 시험을 통해 추정하였다. FEM 모델은 복합응력을 포함하는 허용응력 설계 기준(allowable stress design criteria)에 근거하여 온실의 구조 안전성을 평가하였다. 두 종류의 클램프 접합부에 대한 하중 시험 결과, SP(Steel-plate) 접합부가 SW(Steel-wire) 접합부의 한계강도보다 2배 이상 높은 것으로 나타났다. 이 결과는 SW 접합부만으로 제작된 저가형 온실의 잠재적 구조적 취약성을 시사한다. 비선형 FEM 결과는 반강성 접합부로부터 과도하게 재분배된 응력으로 인해 처마 서까래 파이프가 가장 취약한 부재임을 확인한 반면, 기둥(columns)은 구조 성능에 대한 기여가 미미한 것으로 나타났다. 안전율(FS)은 풍하중보다 적설하중에서 일관되게 더 낮았으며, 비선형 FEM은 선형 FEM에 비해 평균 FS 감소가 각각 7.8 % 및 4.7 %로 나타났다. 설계 변수 중에서는 서까래 파이프 직경이 FS에 가장 큰 영향을 미친 반면, 보강재(purlin) 개수는 영향이 미미하였다. 이러한 결과는 극한 기상 조건에서 구조적 안전성을 확보하기 위해 온실 설계 시 반강성 접합부의 거동을 고려할 필요가 있음을 강조한다. 본 연구에서 개발된 신뢰할 수 있는 비선형 FEM 프레임워크는 더 안전한 온실을 설계하고 기존 온실을 평가하는 데 유용한 통찰을 제공한다.

농업형 태양광 시스템(AVS)은 광전지와 농업을 통합함으로써 재생에너지 및 지속가능성에 대한 전 세계적 수요를 충족하기 위한 잠재적 전략을 제공한다. 많은 경험적 연구에서 시설을 설치하고 실제 작물을 재배하였으며, 이를 통해 AVS가 토지 이용 효율을 향상시키는 것으로 나타났다. 그러나 표준화된 모델과 설계 기준이 부족하여 실제 최종 사용자와 농가(파밍스테드)가 AVS를 도입하는 사례는 드물다. 본 연구에서는 AVS의 보급을 촉진하기 위해 농학적 측면 및 구조적 안전성을 함께 고려한 종합적인 AVS 설계를 수행하고, 설계 기준에 대한 분석을 실시하였다. 광전지 모듈의 배치와 설치 조건을 조정하는 방식을 바탕으로, 현장 조건과 사용자 선호를 반영하기 위해 다양한 설계 유형을 고려하였다. 아울러 재난 저항을 위한 안전 기준과 차광 비율, 발전 용량, 구조 부재의 수량 간의 상충 관계를 분석하였다. 안전성 평가 결과, AVS 구조의 기둥은 풍하중에 취약한 것으로 나타났으며, 안전 기준은 조정된 기둥 간격에 따라 달라졌다. 기둥 설계가 더 좁을수록 안전성과 발전 성능은 더 유리해지는 반면, 작물 재배 환경과 설치 비용에는 더 불리했다. 연속적으로 장착하는 유형은 작물이 받을 수 있는 태양 복사량을 상대적으로 더 적게 하면서도 더 많은 태양 에너지를 생성하였다. 모듈을 이격하여 장착한 경우 구조적 안전성은 약간 감소하였으나, 더 많은 태양 복사량과 경제적 타당성이 확보되었다. 이러한 결과는 AVS 설계에 관한 의사결정을 지원하고, 차광에 대한 작물의 민감도를 파악하는 데 도움을 주며, AVS의 표준화된 모델 정립에 활용되어 보급을 촉진하는 데 기여할 것이다.

플라스틱 필름으로 제작된 단일층 천공(천공) 공기 덕트는 온실에서 작물의 근권 환경을 제어하기 위해 널리 사용된다. 그러나 기존 덕트는 덕트 길이에 따라 공기 흐름과 열 분포가 균일하지 않은 경우가 많아, 온실 내에서 일관된 환경 조건을 유지하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이중층 천공 공기 덕트가 개발되어 온실에 적용되었다. 다만, 환경 균일성 개선 효과를 정량적으로 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 수행하여 기존 단일층 덕트와 제안된 이중층 덕트 간의 내부 공기 흐름 및 제트 흐름 특성을 비교하였다. 또한 서로 다른 구멍 배열, 크기, 간격을 갖는 3가지 이중층 덕트 설계를 분석하였다. 그 결과 이중층 덕트는 단일층 덕트에 비해 제트 흐름의 온도 및 질량 유량 균일성을 유의하게 향상시켰다. 이중층 덕트에서 내측 튜브와 외측 튜브 사이의 공간은 열 단열층과 압력 챔버 역할을 모두 수행하여, 높은 수준의 균일한 내부 정압과 낮고 일정한 공기 속도를 유지하였다. 온도 균일성의 최대 개선률은 75%였고, 질량 유량의 최대 개선률은 42%였다. 제안된 이중층 천공 공기 덕트는 덕트 길이에 따라 구멍을 통해 제트 흐름을 보다 일정한 온도와 질량 유량으로 공급함으로써 온실의 환경 균일성 향상에 기여할 수 있다.

물리 현상을 해석하기 위해 유한요소법과 같은 전통적인 메쉬 기반 방법은 공학 문제에서 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나 시스템 복잡성이 커짐에 따라, 더 큰 규모, 더 정밀한 해상도, 또는 복잡한 형상을 비롯하여, 이러한 방법은 계산 비용과 시간 측면에서 유의미한 한계에 직면한다. 불규칙한 경계 또는 비선형 거동을 포함하는 복잡한 문제는 더 미세한 메쉬와 더 큰 계산 능력을 요구하므로 실시간 해석이 어렵다. 이 과제는 불확실성이 크고 환경 조건이 지속적으로 변화하는 농업 시스템에서 특히 중요하다. 본 연구에서는 계산 영역을 분해함으로써 신경망을 이용해 구조역학에서 비매끄러운(non-smooth) 문제를 해결하기 위한 조각별(piecewise) 물리 기반 신경망(piecewise physics-informed neural networks, PINNs)이라는 방법을 제안하였다. 이 방법의 성능을 정량적으로 평가하기 위해 비매끄러운 특성을 갖는 구조역학 문제 3가지를 대표 사례로 사용하였다. 그 결과, 조각별 PINNs는 이러한 벤치마크 문제에서 기존의 PINNs에 비해 더 정확한 해를 제공함이 확인되었다. 또한 우리는 라벨된 데이터 없이 조각별 PINNs를 사용하여 비매끄러운 문제를 위한 대리(surrogate) 모델을 개발하고, 딥 신경망(deep neural networks)으로 학습한 모델과 비교하였다. 제안된 모델은 평면응력(plane-stress) 문제의 경우에서 딥 신경망 모델보다 우수한 성능을 보였다. 아울러 조각별 PINNs로 학습된 대리 모델은 유한요소 해석 소프트웨어에 비해 실행 시간 측면에서 이점을 나타내었다. • 조각별 PINN 방법은 비매끄러운 시스템 해에서 정확도를 향상시킨다. • 영역 분해(domain decomposition)는 스펙트럴 편향(spectral bias)과 계산 복잡도를 감소시킨다. • 조각별 PINNs로 학습된 대리 모델은 DNN 모델보다 우수하다. • 기존 유한요소 해석 소프트웨어에 비해 더 빠른 실행 시간을 제공한다. • 학습 데이터 분포를 넘어서는 외삽에서 성능이 향상된다.

인도네시아는 인구가 크고 경제가 빠르게 성장함에 따라 식량 및 에너지 안보와 관련된 동등하게 중요한 과제에 직면해 있다. 인도네시아는 2060년 또는 그 이전에 넷 제로 배출(NZE)을 달성하기로 약속하고 있지만, 여전히 화석 에너지에 87%까지 크게 의존하고 있다. 그럼에도 인도네시아는 막대한 재생에너지 잠재력을 보유하고 있으며, 태양에너지가 추정 3,294기가와트-피크(GWp)로 가장 큰 잠재력을 가진다. 본 연구는 인도네시아에서의 아그로볼타익스(agrivoltaics) 연구 개발을 검토하고 요약하는 한편, 전 세계에서의 아그로볼타익스 연구 개발과 비교하여 아그로볼타익스를 선진적이고 광범위하게 발전시킨 국가들로부터 기회, 과제, 교훈을 도출하고자 한다. 그 결과, 인도네시아에서의 아그로볼타익스 연구의 수는 매우 제한적이며, 따라서 작물의 적합성과 전략 작물에 초점을 둔 추가 연구를 장려할 필요가 있음을 보여준다. 연구에 따르면 인도네시아의 전략 작물로 분류되는 감자, 토마토, 마늘은 아그로볼타익스 시스템에서 재배하기에 적합한 것으로 나타났다. 이러한 적합성은 국가가 보유한 상당한 태양에너지 잠재력을 지속가능한 식량 생산과 동시에 최적화할 수 있게 한다. 아그로볼타익스는 농업용지와의 경쟁을 피하기 위해 대규모 토지 요구를 최소화하고, 토지 이용 효율을 높이며, 삼림 벌채 가능성을 줄인다. 그러나 아그로볼타익스는 농업 생산성을 저하시킬 잠재성이 있고 비용이 많이 들며, 적절한 작물의 선택과 더불어 적절한 계획이 필요하고, 정책 및 재정적 지원도 요구된다. 또한 아그로볼타익스는 식물을 배치함으로써 태양광 패널 주변의 온도를 낮춰 태양광 패널의 효율을 높일 가능성도 있다.

본 연구는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 단경간 그린하우스의 구조적 신뢰성에 대한 기초 연결 불확실성의 영향을 조사하였다. 고정 지지 조건과 변위 및 회전을 허용하는 조건 간의 비교 분석 결과, 구조 거동에서 유의미한 차이가 나타났다. 고정 조건에서는 최대 폰 미제스 응력이 허용 한계(182.6 MPa) 이내에 유지되었으며, 파괴 확률은 27.0%였다. 그러나 변위 및 회전을 허용하는 경우에는 응력이 허용 한계를 50.8%(445.4MPa) 초과하였고, 파괴 확률은 50.7%로 증가하였다. 본 연구의 결과는 눈 단위중량이 구조 안전성에 유의한 영향을 미치며, 구조 거동과 관련하여 지반-구조 상호작용이 결정적인 요인임을 시사한다. 현재의 설계 기준은 특히 기후 변화로 인해 점차 극단화되는 환경 조건을 고려할 때 불충분할 수 있다. 본 연구는 그린하우스 설계 기준에 눈 단위중량 기준과 지반-구조 상호작용 지침을 포함할 것을 제안한다.