최근에 선박을 안전하게 설계 및 운항하기 위해 인공지능으로 운동성능을 예측하는 연구가 늘고 있다. 하지만 일반적인 선박 에 비해 소형 어선에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 논문에서는 소형 어선의 운동성능 계산에 필수적인 운동응답을 심층신경망으로 추정하는 모델을 제안한다. 15척의 소형 어선에 대하여 유체동역학 해석을 수행하였으며 이를 통해 데이터베이스를 구축하였다. 환경 조 건과 주요 제원을 입력 데이터로, 단위 파고에 대한 운동응답(Response Amplitude Operator)을 출력 데이터로 설정하였다. 훈련된 심층신경 망 모델을 통해 예측된 운동응답은 유체동역학 해석 결과와 유사한 경향을 보이며 고주파 성분을 가진 운동응답 함수를 낮은 오차로 근 사하는 결과를 보여준다. 본 연구의 결과를 바탕으로 어선의 선형 특성 고려한 심층신경망 모델로 확장하여 연구 결과의 활용도를 넓히 고자 한다.

본 논문에서는 소형어선의 운동 응답을 예측하기 위해 딥러닝 모델을 구축하였다. 크기가 다른 두 소형어선을 대상으로 유체 동역학 성능을 평가하여 데이터세트를 확보하였다. 딥러닝 모델은 순환 신경망 기법의 하나인 장단기 메모리 기법(LSTM, Long Short-Term Memory)을 사용하였다. 딥러닝 모델의 입력 데이터는 6 자유도 운동 및 파고의 시계열 데이터를 사용하였으며, 출력 라벨로는 6 자유도 운동의 시계열 데이터로 선정하였다. 최적 LSTM 모델 구축을 위해 hyperparameter 및 입력창 길이의 영향을 평가하였다. 구축된 LSTM 모 델을 통해 입사파 방향에 따른 시계열 운동 응답을 예측하였다. 예측된 시계열 운동 응답은 해석 결과와 전반적으로 잘 일치함을 확인 할 수 있었다. 시계열의 길이가 길어짐에 따라서 예측값과 해석 결과의 차이가 발생하는데, 이는 장기 데이터에 따른 훈련 영향도가 감 소 됨에 따라 나타난 것으로 확인할 수 있다. 전체 예측 데이터의 오차는 약 85% 이상의 데이터가 10% 이내의 오차를 보였으며, 소형어 선의 시계열 운동 응답을 잘 예측함을 확인하였다. 구축된 LSTM 모델은 소형어선의 모니터링 및 경보 시스템에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구는 최근 해양사고가 점차 증가하고 있는 10톤 미만 소형어선의 규칙파 중 운동응답 특성에 대하여 수치해석을 통하여 분석하였다. 10톤 미만의 소형선박들을 크기별로 구분하여 해양사고 분석에 이용되고 있기 때문에 본 연구에서도 서로 다른 크기의 소형 어선 3척을 대상으로 운동응답 해석을 이행하였다. 선수파인 경우 장파장 영역에서 속력이 높아질수록 상하동요 및 종동요 응답도 커지고 있는 현상을 확인하였다. 가장 작은 3톤급 어선의 운동응답이 다른 크기의 어선보다 더 크게 나타나는 특성을 보여주었다. 선수사파 상태에서의 횡동요 운동은, 선박의 크기와 관계없이 점차 속력이 높아질수록 운동응답의 최대값이 장파장 영역으로 이동되는 특성을 확인할 수 있었다. 선수사파와 횡파에서 3척의 소형어선 모두 속력이 가장 높은 15노트에서 횡동요 운동이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 선수파 및 선수사파를 받으면서 항행할 경우 속력을 낮추는 것이 종운동과 횡운동 영향을 감소시킬수 있는 방법이라고 보여진다. 횡파에 의한 횡동요는 속력 및 선박의 크기와 관계없이 특정 파장에서만 급격히 커지는 경향을 보여 주었다. 전진속력이 있을 경우 선수 사파에 비해서 선미사파에서의 확연한 횡동요 감소 현상을 확인할 수 있었다. 선박의 크기 및 속력에 따라 선체운동응답의 최대값이 나타나는 특정 영역이 있으므로 이 운동 영향을 최소화 시킬 수 있는 운항방법이 고려되어 실행되어야 한다.

액체저장탱크의 지진 거동은 유체-구조물 상호작용에 의해 복잡하게 나타나므로, 이 시스템의 지진응답과 피해를 정확하게 예측 하기 위해서는 이를 엄밀히 고려하여야 한다. 이 연구에서는 유체-구조물 상호작용을 엄밀히 고려하여 양방향 수평 지반운동이 작용 하는 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 수행하고 그 응답 특성을 분석하고자 한다. 이를 위해 지진하중 작용 시 발생하는 유체 동수압을 유한요소 기법을 사용하여 산정하고, 이 동수압을 구조물의 유한 요소에 작용하여 전체 시스템의 동적 거동을 모사한다. 예제 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 통하여 대상 시스템의 동적 거동은 양방향 수평 지반운동이 작용하는 방위각에 의해 유의미한 영향을 받음을 확인할 수 있다. 그러므로 직사각형 액체저장탱크의 내진설계를 수행하거나 내진성능을 검토할 때는 이러한 특성을 고려하여야 할 것이다.

In a seismic design, a structural demand by an earthquake load is determined by design response spectra. The ground motion is a three-dimensional movement; therefore, the design response spectra in each direction need to be assigned. However, in most design codes, an identical design response spectrum is used in two horizontal directions. Unlike these design criteria, a realistic seismic input motion should be applied for a seismic evaluation of structures. In this study, the definition of horizontal spectral acceleration representing the two-horizontal spectral acceleration is reviewed. Based on these methodologies, the horizontal responses of observed ground motions are calculated. The data used in the analysis are recorded accelerograms at the stations near the epicenters of recent earthquakes which are the 2007 Odeasan earthquake, 2016 Gyeongju earthquake, and 2017 Pohang earthquake. Geometric mean-based horizontal response spectra and maximum directional response spectrum are evaluated and their differences are compared over the period range. Statistical representation of the relations between geometric mean and maximum directional spectral acceleration for horizontal direction and spectral acceleration for vertical direction are also evaluated. Finally, discussions and suggestions to consider these different two horizontal directional spectral accelerations in the seismic performance evaluation are presented.

The site coefficients in the common requirements for seismic design codes, which were promulgated in 2017, were reevaluated and the standard design spectrum for soil sites were newly proposed in order to ensure the consistency of the standard design spectra for rock and soil sites specified in the common requirements. Using the 55 ground motions from domestic and overseas intraplate earthquakes, which were used to derive the standard design spectrum for rock sites, as rock outcropping motions, site response analyses of Korean soil were performed and its ground-motion-amplification was characterized. Then, the site coefficients for soil sites were reevaluated. Compared with the existing site coefficients, the newly proposed short-period site coefficient Fa increased and the long-period site coefficient Fv decreased overall. A new standard design spectrum for soil sites was proposed using the reevaluated site coefficients. When compared with the existing design spectrum, it could be seen that the proposed site coefficients and the standard design spectrum for soil sites were reasonably derived. They reflected the short-period characteristics of earthquake and soil in Korea.

Current seismic design provisions such as ASCE 7-10 provide criteria for selecting ground motions for conducting response history analysis. This study is the sequel of a companion paper (I – Ground Motion Selection) for assessment of the ASCE 7-10 criteria. To assess of the ASCE 7-10 criteria, nonlinear response history analyses of twelve single degree of freedom (SDF) systems and one multi-degree of freedom (MDF) system are conducted in this study. The results show that the target seismic demands for SDF can be predicted using the mean seismic demands over seven and ten ground motions selected according to the proposed method within an error of 30% and 20%, respectively

이 연구에서는 3축 방향 지반운동이 작용하는 지반-구조물 상호작용계의 비선형 지진응답 해석을 수행한다. 비선형 거동이 예상되는 구조물과 지반의 근역은 비선형 유한요소에 의해 모형을 구성한다. 기하학적 형상과 재료 성질이 균일하고 선형 거동을 가정하는 원역지반은 무한 영역으로의 에너지 방사를 정확히 고려할 수 있는 3차원 perfectly matched discrete layer에 의해 수치 모형을 구성한다. 이와 같은 지반-구조물 상호작용계의 수치모형을 사용하여 3축 방향 지반운동이 작용하는 비선형 지진-구조물 상호작용계의 지진응답해석을 수행한다. 3축 방향 지반운동이 작용하는 경우에는 입력 지반운동의 특성에 따라 시스템의 응답이 우세하게 발현되는 방향이 존재하고 그 수준 또한 정밀한 지진응답해석을 통해 산정하여야 한다. 이 연구의 해석기법은 구조물과 지반의 재료 비선형 거동, 기초와 지반 경계면에서의 경계 비선형 거동 등 다양한 비선형 지반-구조물 상호작용 해석에 확장 적용할 수 있을 것이다.

이 연구에서는 3축 방향 지반운동이 작용하는 지반-구조물 상호작용계의 비선형 지진응답 해석을 수행한다. 비선형 거동 이 예상되는 구조물과 지반의 근역은 비선형 유한요소에 의해 모형을 구성한다. 기하학적 형상과 재료 성질이 균일하고 선 형 거동을 가정하는 원역지반은 무한 영역으로의 에너지 방사를 정확히 고려할 수 있는 3차원 perfectly matched discrete layer에 의해 수치 모형을 구성한다. 이와 같은 지반-구조물 상호작용계의 수치모형을 사용하여 3축 방향 지반운동이 작용 하는 비선형 지진-구조물 상호작용계의 지진응답해석을 수행한다. 3축 방향 지반운동이 작용하는 경우에는 입력 지반운동의 특성에 따라 시스템의 응답이 우세하게 발현되는 방향이 존재하고 그 수준 또한 정밀한 지진응답해석을 통해 산정하여야 한 다. 이 연구의 해석기법은 구조물과 지반의 재료 비선형 거동, 기초와 지반 경계면에서의 경계 비선형 거동 등 다양한 비선 형 지반-구조물 상호작용 해석에 확장 적용할 수 있을 것이다.

This study is the sequel of a companion paper (I. Algorithm) for assessment of the seismic performance evaluation of structure using ground motions selected by the proposed algorithm. To evaluate the effect of the correlation structures of selected ground motions on the seismic responses of a structure, three sets of ground motions are selected with and without consideration of the correlation structure. Nonlinear response history analyses of a 20-story reinforced concrete frame are conducted using the three sets of ground motions. This study shows that the seismic responses of the frames vary according to ground motion selection and correlation structures.

It is important to select an accurate set of ground motions when conducting linear and nonlinear response history analyses of structures. This study proposes a method for selecting ground motions from a ground motion library with response spectra that match the target response spectrum mean, variance and correlation structures. This study also has addressed the determination of an appropriate value for the weight factor of a correlation structure. The proposed method is conceptually simple and straightforward, and does not involve a simulation algorithm. In this method, a desired number of ground motions are sequentially selected from first to last. The proposed method can be also used for selecting ground motions with response spectra that match the conditional spectrum. The accuracy and efficiency of the proposed procedure are verified with numerical examples.

Response spectra of a building are made with a SDOF system taking into account a first mode shape, even though higher modes may affect on the dynamic responses of a high-rise building. A soft soil layer under a building also affects on the responses of a building. In this study, seismic responses of a MDOF system were investigated to examine the effects of higher modes on the response of a tall building by comparing them with those of a SDOF system including the kinematic interaction effect. Study was performed using a pseudo 3D finite element program with seven bedrock earthquake records downloaded from the PEER database. Effects of higher modes on the seismic responses of a tall building were investigated for base shear force and base moment of a MDOF system including story shear forces and story moments. Study results show that higher modes of a MDOF system contribute to a reduction of base shear force up to 1/4-1/5 of KBC and base moment. The effect of higher modes is more significant on the base shear force than on the base moment. Maximum story shear force and moment occurred at the top part of a building rather than at a base in the cases of tall buildings differently from short buildings, and higher modes of a tall building affected on the base forces making them almost constant at the base. A soft soil layer also affects some on the base shear force of a high-rise building independently on the soft soil type, but a soft soil effect is prominent on the base moment.

Considering a rigorously fluid-structure interaction, a method for an earthquake response analysis of a floating offshore structure subjected to vertical ground motion from a seaquake is developed. Mass, damping, stiffness, and hydrostatic stiffness matrices of the floating offshore structure are obtained from a finite-element model. The sea water is assumed to be a compressible, nonviscous, ideal fluid. Hydrodynamic pressure, which is applied to the structure, from the sea water is assessed using its finite elements and transmitting boundary. Considering the fluid-structure interaction, added mass and force from the hydrodynamic pressure is obtained, which will be combined with the numerical model for the structure. Hydrodynamic pressure in a free field subjected to vertical ground motion and due to harmonic vibration of a floating massless rigid circular plate are calculated and compared with analytical solutions for verification. Using the developed method, the earthquake responses of a floating offshore structure subjected to a vertical ground motion from the seaquake is obtained. It is concluded that the earthquake responses of a floating offshore structure to vertical ground motion is severely influenced by the compressibility of sea water.

본 연구에서는 전장이 26.75 m인 해양플랜트지원선의 선형개발을 위한 수치해석을 수행하였고 수치해석 검증을 위한 1/10의 모형선 시험을 예인수조에서 수행하였다. 또한 운항해역의 해상조건으로 뷰포트 스케일 2, 3 및 4에서 향파, 선수사파 및 횡파에서 선속별 상하동요 및 종동요에 대해서 운동응답특성을 수치 해석하였다. 모형시험과 수치해석의 저항 예측 결과는 상호 일치하였다. 운동응답특성은 선수파에서 상하동요는 조우주파수 1.8 ~ 2.0 영역에서 크게 나타났으며, 종동요는 거친 해상에서 선미사파 및 고속영역에서 높은 운동특성을 보였다.