간행물
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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제30권 4호 (2017년 8월) 12건
1.
2017.08
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본 논문에서는 변형에 의해 유발된 패턴변화(pattern transformation)에 기반하여 압축(compression)과 인장(tension) 하중 모두에서 음의 포아송 비(negative poisson’s ratio)를 나타내는 다공성(porous) 구조를 제안한다. 기존에 개발된 원형 구멍을 이용한 구조는 연결선(ligament)의 회전 모멘트 부족으로 인해 인장 시 양의 포아송 비를 나타내는 한계점이 있었으며, 타원 형 구멍을 이용한 구조는 응력집중 현상으로 인하여 내구성(durability)이 약한 문제점이 있었다. 이에 본 연구에서는 휘어진 연결선의 배열을 통하여 인장하중 하에서의 회전 모멘트를 증가시키는 동시에 응력집중 현상을 완화하고 변형에너지(strain energy)를 구조물 전반에서 고르게 흡수하도록 설계하였다. 이를 통해 10%의 공칭 변형률(nominal strain) 범위 내의 압축 과 인장 모두에서 음의 포아송 비를 가지며, 기존 모델에 비하여 강성(stiffness)과 내구성이 개선된 구조를 개발하였다. 비선 형 유한요소해석을 통하여 기존 타원형 구멍 모델과의 비교를 수행하였으며 제안된 모델이 구조의 강성과 내구성 측면에서 현저히 개선됨을 확인하였다.
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2.
2017.08
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스폿 용접 접합의 삼차원 모델링을 위하여 강한 불연속이 내장된 유한요소를 사용하였다. 스폿 용접의 기하학적 형상을 유한요소망 대신 요소에 내장된 불연속 면에서의 특수한 응집 법칙을 이용하여 표현하였다. 이를 통하여 기존의 적응적 유 한요소망을 이용하는 접근법과 달리 스폿 용접의 국부적인 형상에 독립적인 유한요소망을 구성할 수 있다. 또한, 스폿 용접 의 형상을 명시적으로 고려하여 모델링함으로써 기존의 점 구속조건을 이용하는 접근법과 달리 망 독립적인 해를 얻을 수 있다.
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3.
2017.08
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본 논문에서는 곤충 모방 날갯짓 초소형 비행체에 적용될 끈을 이용한 날갯짓 구동 장치의 구동 원리와 그 최적화 과정이 소개된다. 이 날갯짓 구동 장치는 끈을 이용하여 구조의 경량화와 관성력 감소로 인한 에너지 효율 상승을 목적으로 설계되 었다. 먼저 장력만 전달할 수 있는 끈의 특성을 고려하여 운동학적인 수식이 정립되었으며, 이를 통해 구동 장치의 거동 특 성을 파악할 수 있었다. 이 수식들은 수정된 패턴 검색 최적화 과정에 포함되어 메커니즘의 운동학적 최적화를 가능하게 만 들었다. 최적화된 형상으로 제작된 시제품은 설계의 구동 원리에 맞게 운동하였으며, 그 날갯짓 폭은 목표한 날갯짓 폭을 만 족시켰다. 수치적 시뮬레이션과 실험 결과는 잘 일치하여 제시된 구동 장치가 실제로 활용될 수 있음을 보였다.
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4.
2017.08
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국내 고속도로 콘크리트 중앙분리대는 SB5-B(270kJ)의 충돌등급에 저항하도록 설계되어 있다. 그러나 최근 대형 화물차 량의 충돌사고가 지속적으로 증가하는 경향을 보이고 있어 SB6(420kJ) 등급으로의 상향이 필요하다. 충돌등급 상향을 위한 새로운 중앙분리대 단면을 제시하기 위해서는 실제 충돌시험을 수행하여 기준 통과여부를 결정하며, 충돌시험 수행을 위한 적정 단면을 제시하기 위해서는 충돌해석을 통해 선정한다. 이러한 충돌해석의 정확도 향상을 위해서는 차량 모델, 콘크리트 단면 열화상태, 콘크리트 피복 두께 등 다양한 변수에 대한 정확한 변수 선정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 공차 중량, 단면 열화, 콘크리트 피복 두께에 대한 변수연구를 수행하여 충돌저항성능 저감을 확인하였다. 전체 중량뿐만 아닌 공차 중 량에 따라 중앙분리대의 충돌저항성능에 차이가 있는 것으로 확인되었으며, 10cm 이하의 콘크리트 피복 두께에서는 충돌저 항성능이 민감하게 증가 또는 감소한다. 단면 열화가 발생할 경우 중앙분리대의 충돌저항성능의 감소가 발생하여 열화정도 에 따른 보수 및 보강이 이루어져야 하는 것으로 판단된다. 따라서 콘크리트 구조물과 차량의 충돌해석을 수행할 경우 트럭 의 공차중량 비율, 콘크리트의 피복두께 및 열화에 대한 영향이 상세하게 고려될 필요가 있음을 확인하였다.
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5.
2017.08
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본 연구는 철도 시설의 선로를 대상으로 하여, Building Information Modeling(BIM)을 위한 데이터 모델인 Industry Foundation Classes(IFC)의 유지관리관점의 부분집합인 Construction Operations Building information exchange(COBie)를 통해 철도 시설물 유지관리문서를 생성할 수 있는 방안을 제시하였다. 철도 선로유지관리 문서 생성에 필요한 항목을 정의 하기 위해 국토교통부의 선로유지관리지침 분석을 수행하였고, 이를 COBie 스프레드시트에서 참조하기 위한 방식을 정의하 였다. 철도 시설물 선로의 유지관리정보 항목을 반영한 정보모델 생성을 위하여 IFC 프레임워크 내의 사용자 정의 속성집합 을 활용하였으며, 이를 통해 IFC에서 지원하지 않는 철도 선로에 대한 추가 항목을 생성하였다. BIM 소프트웨어를 통해 추 가적으로 생성한 사용자 정의 속성집합을 반영한 IFC 기반의 정보모델을 생성하였고, 이를 정의된 참조방식에 따라 선로 유 지관리 정보항목을 COBie 스프레드시트에 전달하고 그 결과를 확인하였다. 이를 통해 IFC 기반의 As-built 모델로부터 COBie 스프레드시트로 정보를 전달함으로써 철도 시설물 유지관리업무를 위해 필요한 문서 생성에 활용할 수 있음을 확인 하였다.
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6.
2017.08
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본 연구는 진동에너지를 흡수하기 위한 진동 금속 댐퍼의 구조 해석과 최적 설계를 수행한다. 고무 베어링, 마찰 또는 점성 댐퍼와 같은 다른 댐퍼와는 달리 이 금속제진장는 금속의 소성 변형과 그에 따른 히스테리시스 현상을 이용하여 구조물의 진동을 감소시킨다. 이 금속제진장치를 최적화 하려면 댐퍼를 통해 소성 변형을 얻는 것이 중요하다. 금속제진장치의 최적화 된 형상을 찾기 위해 형상 최적화 방법을 적용하였다. 또한 매개 변수화 체계에 따라 일부 최적의 모양을 찾을 수 있다.
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7.
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본 연구에서는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하여 그 거동 특성을 파악한다. 전체 시스템을 RNA, 타워, 지지구조물로 구성된 구조계와 이에 접하고 있는 유체 및 지반의 부분구조로 분리하여 운동방정식을 유도한다. 구조계에 작용하는 유체의 동수압과 지반의 상호작용력을 산정하고, 이를 구조계의 운동방정식과 결합하여 전체 시스템의 지배방정식을 도출한 후, 이 방정식의 해를 구하여 해상풍력발전시스템의 지진응답을 계산한다. 해 석 결과로부터 지반-구조물 상호작용은 콘크리트 석션식 지지구조물에 의해 지지된 해상풍력발전시스템의 지진응답을 크게 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 지반의 유연성으로 인해 시스템의 고차 고유모드 응답이 증가할 수 있으므로, 해 상풍력발전시스템의 동적거동 산정 시에는 반드시 지반-구조물 상호작용의 효과를 고려하여야 할 것이다.
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8.
2017.08
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다양한 산업 분야의 구조물은 여러 부구조의 조합으로 구성되며, 시스템의 자유도 또한 무수히 많다. 높은 복잡성을 가지 는 구조물의 해석 및 계산 효율을 향상시키기 위해서 해석 모델의 단순화 및 자유도 축소가 요구된다. 지난 50여 년 동안 규 모가 큰 공학적 문제를 단순화하기 위해 다양한 부분구조화 기법들이 개발되어 왔다. 이러한 부분구조화 기법들은 Newton-Raphson 알고리즘 등과 같은 반복계산을 동반하는 비선형 구조해석 문제 해석에 매우 효과적이다. 본 논문에서는 기 개발된 비선형 부분구조화 기법 중의 하나인 모드미분(modal derivatives)을 이용하여 기하비선형 보의 모델 축소에 적용 하고자 한다. 모드미분은 모드 기반 축소 기저의 2차항의 형태로, 선형모드의 조합으로 근사 가능한 변위벡터를 미소변위에 대한 Taylor 급수를 통해 확인할 수 있으며, 시스템의 고유치 문제를 모드 좌표로 미분을 함으로써 얻어진다. 모드미분에는 비선형 접선 강성행렬의 미분을 포함하고 있으며, 이는 유한차분법 등의 근사를 통해 계산할 수 있다. 제안된 방법론은 기하 학적 비선형 문제에 우수한 성능을 보이는 동시회전 유한요소법에 적용하였다. 수치예제를 통해 보의 경계가 수평으로 움직 일 수 있는 문제에서는 기존의 모드축소기법이 매우 비효율적임을 알 수 있었다. 한편 모드미분을 이용한 축소기법은 다양 한 경계조건에 대하여 우수한 성능을 보임을 확인하였다.
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9.
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본 논문에서는 고차미분 연속성을 가지는 형상함수에 기초하여 오일러-베르누이 보 유한요소모델을 정식화하였으며, 다 양한 경계조건들에 대하여 그 성능을 평가하였다. 이러한 유한요소 모델들은 새로이 개발되는 고차 보 이론들과 논로컬 탄 성이론에 기초한 보 이론들의 유한요소해석에 필요하다. 그러나 고차 연속성을 가지는 유한요소에 대한 성능평가는 문헌에 서 찾아보기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 C2 및 C3 두 종류의 고차 유한요소들을 정식화하여 외팔보, 단순지지, 고정-힌 지 등의 경계조건들을 적용하고 정적해석을 수행하였다. 고전적인 경계조건들 이외에도 고차 경계조건들이 보의 거동에 미 치는 영향을 비교분석하였다. 경계조건에 따라서는 처짐의 미분 값들이 경계주변에서 진동하는 현상이 관찰되었으며, 이는 기하학적 경계조건들에 대하여 뚜렷이 나타난다. 특히 고정단과 같은 경계에서의 변위의 고차미분 조건은 이러한 불안정한 현상을 유발한다. 본 연구에서 얻어진 결과들은 고차 미분 연속성을 가지는 유한요소 이용에 가이드라인으로서 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
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10.
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RC 플랫 플레이트 시스템은 공기단축, 시공성 향상, 층고 절감 등의 장점이 있으나, 장스팬 적용 시 슬래브의 작은 휨강성 으로 인해 균열 손상 및 과다 처짐이 발생하는 경향이 있다. 특히, 시공 중 슬래브 자중에 의한 과하중의 작용이 슬래브의 장단기 처짐을 증가시킬 수 있다. 이러한 문제점은 자중 저감이라는 장점을 갖고 있는 중공 슬래의 사용을 통해 해결할 수 있다. 이 연구에서는 슬래브 처짐에 대한 중공 슬래브의 자중저감 효과를 분석하기 위하여 변수연구를 수행한다. 콘크리트 강도, 슬래브 시공주기, 동바리 지지층수, 압축철근비, 인장철근비 등의 변수조건들을 포함하여, 시공단계, 콘크리트 균열, 장 기 효과를 고려한 시공하중 및 처짐을 산정한다. 일반 슬래브와 중공 슬래브에 대한 시공 중 단기처짐과 완공 후 장기처짐을 비교하고, 슬래브 처짐에 대한 중공 슬래브의 효과를 분석한다.
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11.
2017.08
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본 연구에서는 다양한 변수를 갖는 병렬 RC 구조벽체시스템에 대한 성능기반설계의 타당성과 이에 따른 모멘트 재분배 개념의 적용성을 분석하기 위해 횡력을 지지하는 병렬 RC 구조벽체시스템에 대한 비선형해석을 수행하였다. 설계변수(철근 비, 콘크리트변형률, 벽체높이)가 병렬 RC 구조벽체시스템의 거동에 미치는 영향을 분석하였으며 이를 기반으로 병렬 RC 구조벽체시스템의 성능기반 설계를 위한 고려사항을 제안하였다. 비선형해석 결과, 병렬 RC 구조벽체시스템 성능기반 설계 와 모멘트 재분배 개념의 적용을 위해서는 연결보의 항복여부에 대한 고려가 필요한 것으로 나타났다. 높은 벽체의 경우, 연 결보가 항복하지 않고 탄성 상태로 거동할 수 있기 때문에 고층 병렬 RC 구조벽체시스템에 대해 성능기반 설계 및 모멘트 재분배 개념을 적용하기 위해서는 벽체에 높은 수준의 소성변형능력을 필요로 하며, 이를 위해 벽체 압축단부에 횡보강을 필수적으로 실시해야 한다.
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12.
2017.08
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본 논문에서는 원통형 혼합기를 대상으로 블레이드의 각도, 길이, 개수 및 블레이드와 탱크 바닥과의 간극을 설계변수로 선정하고, 각각의 설계변수가 혼합성능에 미치는 영향을 분석하였다. 이산요소법을 이용하여 임펠러 회전에 의한 고체 입자 의 혼합공정을 해석하였으며, 혼합지수를 도입하여 혼합성능을 정량적으로 평가하였다. 다양한 설계변수의 조합을 고려한 실험계획법으로 설계변수의 주효과와 교호작용을 분석함으로써, 블레이드 각도가 입자의 혼합성능에 가장 지배적인 영향을 미치며 간극의 영향은 상대적으로 작다는 결론을 도출할 수 있었다. 또한 가장 우수한 혼합성능을 보이는 설계변수의 조합 을 제시하였다.
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