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한국전산구조공학회 논문집 KCI 등재 Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
- 발행기관 한국전산구조공학회
- 자료유형 학술지
- 간기 격월간
- ISSN 1229-3059 (Print)2287-2302 (Online)
- 수록기간 1988 ~ 2023
- 주제분류 공학 > 토목공학 공학 분류의 다른 간행물
- 십진분류KDC 531DDC 624
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제26권 4호 (2013년 8월) 13건
1.
2013.08
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이 논문에서는 반무한 고체영역의 표면에서 측정한 변위응답의 시간이력으로부터 유한요소망 연속기법을 이용해 탄성파속도의 공간적 분포를 추정하는 역해석 문제를 소개한다. 반무한 영역에서의 역해석을 위해서는 해석 대상이 되는 유한영역의 경계에서 파동의 반사가 일어나지 않도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해 유한영역의 경계면에 perfectly-matchedlayers(PMLs)라는 수치적 파동흡수층을 도입하였고, PML을 경계로 하는 유한영역에서 역해석 문제를 정의하였다. 이 문제를 탄성파동방정식을 구속조건으로 하는 최적화 문제로 표현하였으며, 라그랑주 승수법에 기초한 비구속 최적화 기법에 의해 탄성파속도의 최적 분포를 결정하였다. 해의 정확도와 수렴성을 높이기 위해 유한요소망 연속기법을 도입하여 점진적으로 밀도가 증가하는 유한요소망에 대해 연속적으로 역해석을 수행하였다. 1차원 예제들을 통해 유한요소망 연속기법을 이용한 역해석으로부터 탄성파속도의 분포를 정확히 추정할 수 있음을 확인하였으며, 측정 응답에 노이즈가 존재하는 경우에도 제안한 역해석 기법은 목표 탄성파속도 분포에 근사한 결과를 도출하였다.
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2.
2013.08
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본 논문에서는 물성이 균일하지 않은 반무한 고체영역의 탄성파속도 분포를 재구성하기 위한 시간영역 Gauss-Newton 전체파형 역해석 기법을 소개한다. 반무한 영역을 유한 계산영역으로 치환하기 위하여 유한영역의 경계에 수치적 파동흡수 경계조건인 perfectly-matched-layers(PMLs)를 도입하였다. 이 역해석 문제는 PML을 경계로 하는 영역에서의 탄성파동방정식을 구속조건으로 하는 최적화 문제로 성립되며, 표면에서 측정된 변위응답과 혼합유한요소법에 의해 계산된 응답간의 차이를 최소화함으로써 미지의 탄성파속도 분포를 결정한다. 이 과정에서 Gauss-Newton-Krylov 최적화 알고리즘과 정규화기법을 사용하여 탄성파속도의 분포를 반복적으로 업데이트하였다. 1차원 수치예제들을 통해 Gauss-Newton 역해석으로 부터 재구성된 탄성파속도의 분포가 목표값에 충분히 근사함을 보였으며, Fletcher Reeves 최적화 알고리즘을 사용한 기존의 역해석 결과에 비해 수렴율이 현저히 개선되고 계산 소요시간이 단축됨을 확인할 수 있었다.
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3.
2013.08
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신재생, 친환경 에너지에 대한 관심의 증가로 최근 상당수의 풍력 발전기가 설치되고 있다. 특히, 육상과 달리 부지 확보의 어려움도 없고 고품질의 바람을 얻을 수 있다는 점에서 해상 풍력 발전기가 더욱 주목을 받고 있다. 이와 같은 장점을 가진 해상 풍력 발전기는 육상의 조선소 등에서 제작된 후, 해상 크레인을 이용하여 운용 지점까지 이송되어 설치되는데, 이때 그 크기의 거대함과 고가라는 이유로 무엇보다 안전이 보증되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 해상 풍력 발전기의 이송 및 설치 시 안전성을 보증하기 위한 근거로서, 다물체계 동역학 기법을 활용하여 해상 크레인에 연결된 해상 풍력 발전기의 동역학 해석을 수행하였다. 그 결과, 본 기법이 해상 풍력 발전기의 이송 및 설치방법에 대한 검증용으로 충분히 활용 가능함을 확인할 수 있었다.
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4.
2013.08
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본 논문에서는 밀도법 기반 위상 최적설계를 통해 얻어진 수치 결과를 바탕으로 CAD 모델을 구성하고 이를 3차원 프린터로 제작하여 실험적으로 최적설계를 검증하였다. 위상 최적설계 과정에서는 체커보드(Checkerboard) 현상이나 잔가지가 종종 나타나는데, 이는 최적설계 구조물을 실제로 제작함에 있어서 어려움을 준다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 민감도 필터링과 모폴로지 기법을 사용하였다. 엄밀한 검증을 위하여 수치 모델과 실험 모델의 부피율을 일치시켰다. 위상 최적설계를 포함한 다양한 설계에 대하여 실험을 통해 비교하여 최적설계 구조물이 가장 높은 강성을 가지고 있음을 확인하였으며 컴플라이언스에 대한 실험결과는 수치해석 값과 잘 일치함을 확인하였다.
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5.
2013.08
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본 논문에서는 해상 시추작업을 위한 heave compensation system의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 우선 시뮬레이션을 위하여, 다물체계 동역학 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 입력 받은 heave compensation system 시뮬레이션 모델의 운동학적 정보를 이용하여 recursive Newton-Euler formulation 방법을 기반으로 운동방정식을 자동으로 구성하고, 수치적으로 해를 계산하는 기능을 한다. 그리고 해상 시추선에 작용하는 외력을 계산하기 위하여 유체 정역학적 힘과 유체 동역학적 힘을 계산하는 모듈을 개발하였다. 이와 같이 개발한 커널과 모듈들을 적용하여 해상 시추선의 hoisting system 동적거동 해석을 수행하고, 관절에서의 구속력을 계산하였다.
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6.
2013.08
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본 논문에서는 아이소-지오메트릭 기법을 기반으로 민들린 후판에 대한 형상 설계민감도 해석법을 제시하였다. 아이소-지오메트릭 기법은 정확한 기하학적 형상의 표현, 요소 사이의 높은 연속성 등 바람직한 강점들을 가지고 있으며 궁극적으로는 해석해로의 빠른 수렴성과 정확한 설계민감도를 제공한다. 선형 형상함수를 사용하는 유한요소법과는 달리 아이소-지오메트릭 기법에서는 높은 차수의 NURBS 기저함수를 활용하여 CAD 형상의 법선벡터와 곡률을 정확하게 고려한다. 전단 잠김(Shear locking) 현상을 극복하기 위해서 선택적 감소적분(Selective reduced integration) 기법을 사용하였다. 이 간단한 방법은 복잡한 정식화 과정 없이 정확한 아이소-지오메트릭 형상 설계민감도 해석을 수행한다. 굽힘 문제에 대한 수치예제를 통하여 제안된 아이소-지오메트릭 해석과 유한요소 해석을 비교하였으며, 유한차분 설계민감도와 비교하여 아이소-지오메트릭 형상 설계민감도는 매우 정확함을 확인하였다.
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7.
2013.08
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본 논문에서는 건물의 횡방향 구조반응을 평가하기 위한 변형률 기반의 모니터링 기법이 제시되고, 이에 대한 기초 연구로써, 구조해석을 통해 제안된 기법을 검증한다. 광섬유 격자 센서(fiber Bragg grating, FBG)는 일반 변형률 센서와 비교하여 내구성이 뛰어날 뿐 아니라 높은 샘플링 수와 여러 지점을 동시에 계측할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특성 때문에 FBG 센서는 구조 모니터링을 위해 많은 센서가 요구되는 건물의 모니터링에 적합하다. 본 연구에서 FBG 센서는 수직 부재의 변형률을 계측하며, 이는 해당 부재의 곡률을 평가한다. 이러한 곡률은 횡변위와 횡가속도를 평가하는데 사용된다. 추가적으로 횡방향 가속도는 frequency domain decomposition(FDD) 기법을 이용하여 구조물의 고유진동수와 모드형상을 추정하는데 사용된다. 9층 철골모멘트 골조 예제의 적용을 통해, 제시된 기법이 건물의 다양한 횡방향 구조 반응과 동적 특성을 평가하는데 적절함을 확인하였다.
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8.
2013.08
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경사계 센서는 여러분야에서 널리 적용되고 있는 센서 중의 하나이다. 특히 건축분야에서는 초고층 건물의 수직도와 수평도를 계측하고 모니터링하는데 적용되어 왔다. 최근 미소전기기계 시스템(MEMS: Micro Electro-Mechanical System)기술의 발달로 인해 많은 센서들이 개발되었다. 본 논문에서 논하고자 하는 MEMS형 경사계는 MEMS형 가속도계를 기반으로 한다. 정지한 상태에서 가속도계로 계측되는 정적 가속도와 중력가속도 사이의 관계를 이용하면 센서에 발생하는 경사를 계측할 수 있기 때문이다. 이러한 원리 때문에 좀 더 정확하고 이점을 갖는 경사계가 개발되었다. 보 실험을 통하여서 레이저 변위계와의 차이를 검증하였다. 실험결과 무선 MEMS형 경사계 센서 시스템은 높은 정확도, 안정성, 장기모니터링에 대한 경제성을 갖는 유용한 시스템임을 확인할 수 있었다. 결론적으로 무선 MEMS형 경사계 센서 시스템은 건축분야에서 그리고 다른 여러 산업분야에서 정확하고 편리한 모니터링 시스템으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
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9.
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본 논문에서는 유전알고리즘을 사용하여 철근콘크리트 구조물의 최적 지진설계를 효율적으로 수행하기 위해 클러스터를 사용하는 경우 확장성을 확인하였다. 클러스터를 구성하는 코어프로세서의 개수를 증가시키면서 유전알고리즘의 각 세대에 소요되는 시간의 감소를 관찰하였다. 단일 퍼스널 컴퓨터의 구성을 분류한 후, wall-clock time과 암달의 법칙으로 예상된 값을 비교하여 예상되었던 병목현상을 확인하였다. 이에 클러스터의 확장성에서 복합적인 요인에 의한 경향을 확인할 수 있었다. 병목현상의 물리적인 요인과 알고리즘 측면에서의 요인을 구분하기 위해 유전알고리즘의 개채수를 나누어 실험을 수행하여 결과를 확인하였다.
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10.
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본 논문은 교량 하부에서 발생된 화재에 대한 강-콘크리트 합성구조의 전반적·국부적 손상평가를 위한 수치해석적 연구이다. 수치해석의 정확성 및 효율성을 높이기 위해 구성재료의 과도 비선형 열적·열역학적 특성이 고려된 열-구조 연성병렬 화재해석 기법이 제안되고, ANSYS solver와 연결되어 해석이 수행되며, 표준화재시험과 비교·검증된다. 검증된 해석기법을 통해 국내에서 발생된 부천고가교 합성구조에 대한 화재손상해석이 수행된다. 해석결과 강박스 거더의 하부 플랜지 및 복부의 경우 임계온도를 초과하였고 구조적 처짐과 변형 형상이 화재사고 결과와 비교적 잘 일치하였다.
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11.
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본 논문에서는 앵커볼트의 체결력을 고려한 유한요소 모델을 제안함으로써 앵커볼트로 연결된 부재의 해석적 평가방법을 제안하였다. LS-DYNA를 사용한 유한요소 모델링은 복잡한 3차원 상세모델보다는 단순화된 앵커모델들을 적용함으로써 해석 효율성을 고려하였다. 앵커볼트는 Beam 혹은 Solid 요소로 토크 조임에 따른 앵커볼트 긴장상태를 반영하였고, 토크 조임에 따른 체결력을 고려하기 위해 너트면에 압축력을 도입하거나 너트를 Shell 혹은 Solid로 고려하여 작용 토크값으로 산정되는 체결력과 등가의 하중을 도입하였다. 외력 작용 시 체결력과 마찰력에 의한 앵커볼트의 하중전달은 nodal rigid 혹은 contact 조건으로 고려하였다. 체결력을 고려한 세 종류의 앵커모델을 적용한 해석결과, Model I과 Model III는 볼트 축력과 전단력이 매우 유사한 값으로 계산되었고, Model II의 경우, 볼트 축력과 전단력이 다소 과소평가되는 것으로 나타났다. Model I은 다른 두 모델에 비해 수치해석적으로 효율적인 것으로 분석되었다.
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12.
2013.08
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본 논문에서는 새로운 비중첩 영역 분할 기법을 바탕으로 한 병렬해석의 정확도 분석이 수행된다. Tak 등(2013)에 의해 제안된 이 방법에서 분할된 하위도메인들은 서로 중첩되지 않으며 계면요소(interfacial element)라 불리는 가상연결유한요소를 통해 서로 간의 관계가 결정된다. 이 접근법의 주요 장점은 영역 분할시 floating 도메인에서 발생할 수 있는 특이강성행렬(singular stiffness matrix)을 계면요소의 결합을 이용하여 가역행렬(invertible matrix)로 변환할 수 있다는 것과 기존의 FETI법에 비하여 해석시간과 스토리지(storage) 사용을 줄일 수 있다는 것이다. 반면에 3개 이상의 하위도메인들이 한 점에서 연결되는 경우를 의미하는 cross point에서는 해석의 정확도가 저하되는 경향이 나타났다. 따라서 본 논문에서는 새로운 비중첩 영역 분할기법에 대해 다양한 영역분할의 경우에 따라 발생하는 하나의 cross point에 접촉하는 하위도메인의 개수에 따른 정확도 분석이 수행되고 정확도가 저하되는 원인분석 및 대책이 논의된다.
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13.
2013.08
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본 논문에서는 일체식 교대 교량의 장대화 및 내진성능 향상을 위해 가장 중요한 역할을 하는 교대-H형 강말뚝 연결부의 성능을 향상시키기 위하여 기존의 연결부의 균열형상을 파악하고, 이를 기반으로 새로운 형태의 연결부를 제안하기 위하여 철근을 활용하여 강성을 증가시키는 방법과 강말뚝의 형상을 개선하여 연성을 개선시키는 방법을 모색하였다. 먼저, 기존 연결부의 성능을 향상시키기 위하여 연결부 주변에 PennDOT에 규정된 철근상세와 나선철근의 배치와 HSS 튜브를 사용하였으나, PennDOT의 철근 상세와 HSS 튜브는 연결부의 성능을 향상시키지 못 했으나, 나선철근은 균열을 효과적으로 차단시키는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 철근의 구속효과로 인해 강말뚝의 저항력이 변위에 선형적으로 비례하여 증가하므로 교량의 상부구조에 축력을 발생시키는 효과를 가져왔다. 따라서, 강말뚝의 형상을 개선하기 위하여 콘크리트 교대에 매입된 부분의 플랜지를 제거하는 방법과 콘크리트 외부에서 플랜지의 폭을 축소시키는 형태를 검토하였다. 두 가지 방안 모두 균열을 억제하는데 효과적인 방법이었으나, 플랜지를 제거하는 쪽의 연결부가 더욱 효과적이었다.
4,000원
