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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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제27권 5호 (2014년 10월) 15건
1.
2014.10
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본 논문에서는 재생 커널 기법을 사용하여 혼합모드 균열진전 문제에 대한 연속체 기반의 형상 설계민감도 해석을 수행하였다. 재생 커널 기법은 기존의 유한요소법과 달리 요소망을 재구성할 필요가 없어, 커널 함수의 연속성을 증가시켰을 때 높은 정밀도의 형상함수를 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 균열선단 주변에서 J-적분을 수행하기 위해 선형탄성 조건이 고려되었다. 변위장과 응력 확대 계수의 설계변수에 대한 감도해석을 위하여 물질도함수를 도입하였으며 직접 미분법보다 효율적인 애조인 방법을 사용하여 설계민감도를 유도하였다. 수치 예제들을 통해서 재생 커널 기법을 이용한 균열진전 해석결과의 타당성을 확인하였으며 애조인 방법을 이용한 형상 설계민감도 해석 결과를 유한차분법과 비교하여 매우 정확하고 효율적인 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 간단한 모델에 대하여 형상 최적설계를 수행하여 균열이 발생될 수 있는 구조물에 대해서 균열에 의한 피해를 최소화할 수 있도록 균열을 제어할 수 있는 최적의 형상을 도출하였다.
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2.
2014.10
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본 논문에서는 아이소-지오메트릭 형상 최적설계 기법에서 얻은 CAD 정보를 직접 활용하여, 3D 프린터를 활용한 실험적 검증을 위한 시편을 제작하였다. 유한요소법에서는 요소망에 내재하는 기하학적인 근사가 응답과 설계민감도 해석에서 정밀도 문제를 발생시킨다. 더욱이 유한요소 기반 형상 최적화 과정에서는 CAD와의 정보교환이 필수적이나 그 과정에서 최적설계 정보의 손실이 발생할 수 있다. 아이소-지오메트릭 기법은 CAD에서 사용된 동일한 NURBS 기저함수와 조정점을 사용하므로 법선벡터와 곡률과 같은 엄밀한 기하학적 정보를 응답해석과 설계민감도 해석에 사용할 수 있다. 또한 최적설계 과정에서 CAD와 정보교환 없이 복잡한 형상을 손쉽게 변경할 수 있다. 그러므로 최적의 설계의 재료량을 실험적 검증을 위한 시편제작에 엄밀하게 반영할 수 있다. 굽힘 하중을 받는 단순지지 구조물에 대한 최적설계 및 실험적 검증을 통해 최적형상이 초기 형상에 비해 더 큰 강성을 가지며 실험결과와 수치 해석결과가 매우 잘 일치함을 보였다. 또한 인장력을 받는 유공판에 대한 형상 최적설계를 수행하였으며, 비접촉식 3차원 변형 측정 장치를 이용하여 초기설계에 비해 최적설계에서 구멍주변에서의 응력집중 현상이 완화됨을 확인하였다. 따라서 수치적인 방법을 활용한 최적설계가 실제 구조물에 대한 실험에서도 유효함을 입증하였다고 할 수 있다. 또한, 아이소-지오메트릭 최적설계 방법론이 기존의 유한요소법에 비해서 최적설계 결과를 제작하여 활용하는데 있어서도 훨씬 효율적이고 엄밀한 방법임을 보였다.
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3.
2014.10
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본 논문에서는 국내 선박해양플랜트연구소에 구축된 빙해수조의 빙특성 중에서 모형빙의 두께와 유효탄성계수 산출과정이 소개되었다. 수조에서 결빙되는 빙판은 크기가 가로 세로각각 30 m 정도에 두께는 40mm정도이다. 모형선의 실험결과를 쇄빙선 설계에 사용하기 위하여 빙 특성 정보가 필요하다. 사람이 빙판을 일부 절개하고 일일이 손으로 두께를 측정하는 것을 지양하기 위하여 초음파 기기를 사용하였는데 저주파 장비를 사용하여 작은 샘플 모형빙에 대한 두께는 계측되었다. 하지만 완벽한 계측을 위해서는 송수신 일체형 저주파 센서나 정확한 위치가 설정된 분리형 센서 혹은 고가의 특수 장치가 필요함을 확인하게 되었다. 한편 빙판의 처짐량을 간이식 LVDT로 계측하고 이를 탄성체 위에 놓인 무한 판의 특성길이 관계식에 대입하여 빙의 유효탄성계수를 산출하였는데 외국의 결과와 유사함이 입증되었다.
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4.
2014.10
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본 연구에서는 테이퍼 보에 대한 미분방정식의 일반해에 캔틸레버 보의 경계조건을 적용하여 모드특성을 추정한다. 또한, 휨을 받는 테이퍼 원형강관 캔틸레버 보에 발생하는 관통균열을 모델링하기 위하여 에너지 방법을 이용하여 균열보에 대한보 길이방향 휨강성을 구한 후 이를 이용하여 테이퍼 원형강관 캔틸레버 균열보에 대한 고유주파수와 모드형상을 추정한다. 보 길이에 따른 균열보의 휨강성 변화는 기존 연구에서 밝혀진 현상과 유사하게 합리적인 양상을 보였으며, 유도한 휨강성을 적용하여 산정한 균열보의 고유주파수는 균열 크기가 증가할수록 감소함을 확인하였고, 모드형상은 균열발생에 의해 변화함을 알 수 있었다. 연구결과는 향후 테이퍼 원형강관 캔틸레버 보 형태의 타워 구조물에 대한 진동기반 균열탐지에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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5.
2014.10
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본 논문에서는 해중터널와 수중운항체의 충돌거동을 파악하기 위하여 두 구조체를 모델링하고 해석을 수행하였다. 충돌이 일어나는 해중터널은 원통형으로 단면을 가정하고 콘크리트와 라이닝강판을 가진 구조로 가정하였다. 충돌부위를 제외한 인접부분은 탄성거동을 하는 보요소로 모델링하고 계류라인은 장력을 받는 케이블로 모델링하였다. 수중운항체는 1800톤급 잠수함을 가정하였으며 수리동역학적 부가질량을 고려하여 충돌질량을 산정하였다. 해중터널에 작용하는 부력은 동적완화방법을 사용하여 초기조건에 포함시켰다. 부력비의 변화와 충돌속도의 변화를 고려하여 충돌해석을 수행한 결과, 충돌에너지의 소산은 주로 해중터널에서 발생하고 수중운항체에 의한 에너지 소산은 미미한 것으로 나타났다. 또한 계류라인의 장력과 부력비의 변화에 따라 해중터널의 충돌거동은 큰 영향을 받았다. 특히 충돌력은 기존의 설계기준의 선박충돌력과는 상이한 경향을 보이는 것으로 나타났다.
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6.
2014.10
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본 논문은 갠트리 크레인의 설계를 위해 컨테이너 하역작업 시 특정하중 조건하의 RTGC(Rubber Tired Gantry Crane)의 동적거동과 그에 따른 윤하중을 분석한 내용을 기술하고 있다. 먼저 RTGC의 동적거동을 살펴보기 위해 거대 구조물인 크레인의 유한요소 모델을 개발하고 고유진동수와 고유모드의 모달시험결과를 이용하여 유한요소모델을 검증하였다. RTGC의 기타 부속품은 3차원 CAD모델링을 통해 다물체 동역학해석 소프트웨어인 ADAMS에서 강체로 모델링하였다. 본 연구에서 하중 조건은 일반적인 컨테이너의 이송조건(OP1)과 외부부하조건 없이 단순히 트롤리를 이용하여 컨테이너를 하역하는 2가지 경우로 고려하였다. 해석 결과 RTGC의 컨테이너 작업 시 발생하는 크레인의 진동은 거대 구조물의 강성과 변형에 주로 기인함을 확인하였으며 이러한 크레인의 진동은 RTGC의 움직임을 발생시켜 컨테이너 하역작업 불능 등의 거동을 발생시킬 수 있음을 분석할 수 있었다.
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7.
2014.10
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면진장치는 지진력을 감소시키기 위하여 사용되어왔다. 원자력발전소에 면진장치가 적용된다면, 운영기간동안 구조물과 기기들은 동일한 내구성 및 성능이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 면진된 원전의 지진에 대한 안전성을 확보하기 위하여 면진구조물의 장기거동을 해석적으로 분석하였다. 경년열화에 의한 면진장치 특성을 분석하였고, 다른 온도환경에서 면진장치의 경년열화에 의한 구조물의 지진응답을 분석하였다. 해석결과에 의하면 면진장치의 경년열화에 의하여 면진구조물의 고유진동수는 증가하였다. 그러나 면진 구조물의 최대가속도와 최대변위는 온도에 따라 크게 변하지 않았다. 면진장치의 열화에 의하여 구조물의 손상은 발생하지 않았지만 목표진동수 영역에서 스펙트럼가속도는 온도에 따라 증가하였다. 따라서 면진구조물에서 면진장치는 온도에 따른 지진응답의 증가를 고려하여 설치 및 제작해야 할 것으로 판단된다.
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8.
2014.10
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복합재료 구성성분은 수 마이크로미터 수준의 크기를 가지고 있으므로 시험을 통한 정확한 물성 측정이 매우 어렵다. 그러므로 본 논문에서는 역해석을 이용하여 복합재료 구성성분의 열팽창계수를 예측할 수 있는 기법을 제안한다. 복합재료에 대한 등가 열팽창계수를 예측할 수 있는 Mori-Tanaka 기법과 결합된 역해석기법을 이용하면, 라미나 수준의 목적함수를 최소화함으로써 구성성분의 열팽창계수를 효율적으로 구할 수 있다. 본 연구에서 제안한 기법을 검증하기 위하여 다양한 섬유(glass fiber, P75, P100, M55J)에 대한 열팽창계수를 예측하고 이를 시험결과와 비교하였다. 또한 라미나와 기지 물성치에 대한 불확실성이 섬유 물성치 예측에 미치는 영향을 분석하였다.
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9.
2014.10
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이 연구에서는 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리트 교각 시스템의 전용 설계프로그램과 소성설계 적용 결과를 제시하였다. 개발된 물량저감 철근상세는 경제성과 합리성을 갖으며 공사기간의 단축을 가져올 수 있다. 물량저감 중공 철근콘크리트 교각의 적용을 통해 경제성 평가를 수행하였다. 평가 결과 개발상세가 기존상세에 비해 구조적 합리성, 시공성, 그리고 경제성 등이 우수함을 확인하였다.
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10.
2014.10
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본 논문에서는 유공형 형상의 GFRP 판으로 전단 보강된 플랫 플레이트의 전단거동을 실험을 통해 평가하였다. GFRP 판은 개구부가 있는 판의 형태로서 콘크리트와의 일체화 거동을 위하여 콘크리트에 매립하여 시공하였다. GFRP 판으로 전단보강된 플랫 플레이트의 전단 성능 실험을 위하여 총 7개의 시험체에 대한 전단 실험을 수행하였다. 실험 변수로는 전단 보강량, 전단 보강 간격을 선정하였다. GFRP 판의 전단 보강량에 따른 비교결과, 전단 보강량이 증가할수록 전단강도도 증가하는 결과를 보여주었다. GFRP 전단 보강 간격에 따른 비교결과, 전단 보강 간격이 0.3d 일 때 가장 높은 전단강도를 확인하였다. 실험결과를 바탕으로 KCI에서 제시하고 있는 전단강도식을 수정하여 GFRP 판에 적용이 가능한지 평가하였다.
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11.
2014.10
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현실세계의 구조물은 대부분 동하중의 영향을 받고 있지만, 구조해석이나 구조 최적화를 수행할 때는 정하중이 작용하는 것으로 가정한다. 실제 하중인 동하중을 고려하게 되면 다양한 하중들을 고려해야 하기 때문에 전산자원과 시간비용 측면에서 많은 제약이 따르기 때문이다. 그러나, 단순한 정하중 조건만을 고려하면 구조안전성 측면에서 바람직하지 못하기 때문에 가중치를 적용하거나 동하중을 대체하는 등가정하중을 적용하여 관련 문제를 보완하려는 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 등가정하중을 적용하여 동하중을 받고 있는 구조물에 대한 구조최적화 기법을 제안한다. 본 연구에서 적용하는 등가정하중은 기존 연구에서 제안한 바 있는 주자유도를 기반으로 하여 등가정하중 부과 위치를 결정하고 최적화 과정을 통해 산출한다. 이 과정에서 지나치게 큰 하중이 구해지지 않도록 가중치를 고려한 구속조건을 추가하여 기존 연구의 등가정하중의 최적화 과정을 보완하였다. 수치예제에서는 동하중이 작용하는 트러스 구조물과 평판 구조물에서 최적화된 등가정하중을 적용하여 사이즈 최적화를 수행함으로써 제안된 최적화 기법의 신뢰성을 검증한다.
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12.
2014.10
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본 논문은 철근콘크리트 구조물의 지진해석에 관한 국제 벤치마크 프로젝트인 SMART-2013을 통해 3차원 비대칭 철근콘크리트 건물의 고유진동수와 재료 비선형성을 고려한 지진응답을 계산한 결과를 제시한다. 이를 위해 콘크리트와 철근의 비선형 재료모델을 구성하고 대표부피요소에 대한 국부테스트를 수행하여 비선형 모델의 성능을 평가하였다. 이러한 SMART-2013 철근콘크리트 건물의 비선형 유한요소모델에 대해 모드해석과 저강도 지진하중에 대한 선형 시간이력해석을 수행한 결과, 구조물의 고유진동수, 변위 및 가속도 시간이력이 SMART-2013 프로젝트에서 제시한 실험값들과 유사하였다. 또한 Northridge 지진에 대한 변위 및 가속도 응답의 시간이력과 최대층간상대변위의 응답스펙트럼을 계산하여 고강도 지진 하중에 대한 이 철근콘크리트 건물의 거동을 평가하였다.
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13.
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원전의 항공기 충돌 리스크 평가에 사용되는 대표매개변수를 선정하기 위한 방법론을 개발하였다. 대상 원전은 국내의 대표적인 경수로형 원전 중 하나로 선정하여 3차원 유한요소 해석 모델을 구축하였다. 콘크리트 재료모델에는 소성손상모델이 적용되었으며, 강재는 다중선형곡선거동을 가지는 것으로 모델링하였다. 운동에너지, 전체 충격량, 최대 충격량, 최대 하중 등 4종의 대표매개변수 후보군을 선정하였다. 각각의 매개변수 후보군은 모두 충돌 속도와 질량의 함수로 표현되므로, 충돌속도 50~200m/s, 항공유량 30~90%의 범위에 대하여 매개변수값을 도출하고 충돌 해석을 수행하여, 충돌 시의 구조 응답과의 상관관계를 분석하였다. 모든 해석에서 항공기의 기종은 보잉767 기종으로 선정하였다. 충돌해석에는 Riera의 하중-시간이력 함수를 이용한 해석기법을 적용하였다. 매개변수와 충돌 시 응답의 상관관계 적합성은 결정계수값을 이용하여 분석하였다. 4 종의 대표매개변수 후보군 중 최대 하중값이 가장 직관적일 뿐만 아니라 본 연구에서의 해석 케이스에서는 응답과의 상관성도 가장 뛰어난 것으로 나타남에 따라, 항공기충돌 리스크 평가를 위하여 가장 적합한 매개변수라 할 수 있을 것으로 판단되었다.
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14.
2014.10
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본 연구는 초고층 건축물의 기본계획을 바탕으로 철근콘크리트 코어 벽체의 두께를 최적화하여 실시설계에 적용하는 과정에서, StrAuto를 통한 수많은 케이스의 반복해석을 통하여 최적 케이스를 찾아내어, 설계 방향과 한계에 대한 가이드라인을 설정하기 위한 프로세스를 구축하기 위한 실용화 연구이다. 코어 벽체의 두께와 강도를 변경하면서 StrAuto를 통해 반복해석을 수행하고 해석결과를 시각적으로 표현하여 설계자가 어떤 방향으로 설계를 진행할지를 결정하는데 중요한 참고자료로 활용하도록 프로세스를 정립하였다. 본 논문은 기본적인 구조설계가 완료된 상태에서 설계자가 원하는 방향에 대한 수많은 케이스를 빠르게 검토하여 올바른 실시 설계 방향을 설정하는 프로세스를 구축했다는 점에서 큰 의의를 찾을 수 있다.
4,000원
15.
2014.10
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ILM 교량은 압출되는 동안 상부의 단면이 지간의 중앙부와 지점부를 모두 통과한다. 따라서 발생되는 최대 정모멘트 및 최대 부모멘트를 효과적으로 제어하기 위해서 압출추진코를 이용한다. 이 연구에서는 압출중 상부구조물에 발생하는 휨모멘트를 계산할 수 있는 다이아프램이 고려된 단순 해석식을 개발하였다. 또한 다이아프램이 고려된 압출추진코의 최적설계조건에 관하여 분석하였다. 단순 해석식을 MIDAS Civil과 비교한 결과 대부분의 경우 0.5%이하의 오차를 가지는 정확성을 확인하였다. 다이아프램의 영향을 고려했을 경우와 고려하지 않았을 경우 사례교량에서 최대 13%의 휨모멘트 차이를 보였다. 또한, 단순 해석식에 적용시킬 등가 등단면의 단위중량 및 평균강성값을 결정할 수 있는 기준을 제시하였다. 이 연구에서는 ILM 교량의 압출중 역학특성으로 인하여 부모멘트 최소화 조건만을 사용하는 것이 압출추진코 최적설계를 위한 효과적인 방법으로 판단하였다.
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