본 연구는 간편화된 소성 접선 곡선을 적용하여 노측용 가드레일 시스템의 충격 성능을 평가하기 위한 유한요소 충돌해석을 수행하였다. 충돌해석은 Cowper-Symond 모델을 적용하여 변형률 속도 영향에 대한 결과의 정확성을 향상시켰다. 수치 해석 결과는 소성 접선 곡선을 고려한 향상된 모델의 중요성을 보여준다. 다양한 매개변수에 대한 해석 결과는 서로 다른 모델에 대하여 동적 응답 및 탑승자 안전지수를 중심으로 비교 검증하여 도출하였다.

This study suggests the tangent modulus Et associated with partially yielded section of steel member under axially compressed. The provisions for column strength does not provide a information about failure mode of structural system. So, designers can not evaluate that a failure comes from member buckling or material yielding. The material of the axially compressed column under inelastic behavior reaches yielding point before the axial force renders the column bent. If axial members yields not by buckling effect but gradually yielding effect of material, the design code should accept related tangent modulus Et which is based on gradual yielding effect of material. This study provides the new effective tangent modulus Et derived in the case that residual stress is 30 percent and 50 percent of yielding stress respectively. The study considers idealized I section of steel which ignores web and general I section of steel with web respectively and makes conclude that tangent modulus Et with idealized I section of steel is rational.

본 논문에서는 비선형 강성방정식의 정확성 향상에 관해 연구한다. 대공간 구조물은 대경간을 가볍게 만들기 위해 두께비를 얇게 만들어야 하므로, 구조설계시 구조불안정 검토가 중요하다. 쉘형 구조물의 구조불안정은 초기 조건에 매우 민감하게 반응하며, 이는 대변형을 수반하는 비선형 문제에 귀착하게 된다. 따라서 구조불안정을 정확히 알아보기 위해 비선형 강성방정식의 정확성이 향상 되어야 한다. 본 연구에서는 스페이스 트러스를 해석 모델로 하며 접선 강성방정식과 비선형 강성방정식의 두 이론을 프로그램으로 작성하여 비선형 해석을 수행한다. 두 이론의 해석 결과를 비교 고찰하여 비선형 강성방정식의 정확성 및 수렴성 향상에 대해 검토 한다.

급격한 기상변화로 인한 극한 강우와 집중폭우의 발생빈도 증가로 기존 수방시설의 한계 용량을 초과해 도심지 침수피해가 빈번하게 발생하고 있다. 최근 도시화 추세가 급격하게 빨라지면서 수방시설 등 사회기반시설에 대한 지하공간 개발의 필요성이 증가하고 있으며, 지하공간을 활용한 지하방수로와 지하저류지 기술이 급부상하고 있다. 본 연구에서는 지하유입시설의 대표적 형상인 접선식 유입구와 나선식 유입구에 대한 공기 배출 효과를 분석하기 위해 유입유량 변화에 따른 수직갱 내부 공기공동(air-core)의 형상 크기를 계측했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 유입조건에서 와류 유도 효과를 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입했다. 수직갱 내부 공기공동의 전체적인 평균 단면적의 경우, 다단식 나선 유입구가 접선식 유입구보다 10% 정도 크게 나타나 고유량 유입조건에서 높은 공기 배출 효과와 유입효율을 나타냈다. 접선식 유입구의 경우, 유입구가 가지는 고유 성능을 유지할 수 있는 최대 유량 조건을 초과하면서 공기 배출 효과가 감소하기 시작했다. 또한, 실험에서 사용된 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 활용 가능한 기초자료를 제공하기 위해 수직갱 내부 위치에 따른 공기공동 단면적에 대한 실험식(empirical formula)을 제시했다.

급격한 도시화와 산업화로 도심 재난 취약성이 증가하고, 전 세계적인 기후변화로 인한 극한 강우사상의 발생빈도가 증가하고 있다. 기존 방재시설의 용량한계를 넘어선 극한 강우사상의 발생으로 도심 지역의 침수피해 또한 증가하고 있다. 도심 침수피해를 예방하기 위해 지하공간을 활용한 지하저류 시설과 지하배수터널 활용이 급부상하고 있으며, 강우가 유입되는 지하유입구에 대한 수리학적 검토를 통한 성능 분석이 중요하다. 본 연구에서는 지하 유입구로 활용되고 있는 접선식(tangential) 유입구와 나선식(spiral) 유입구에 대해 유입유량 변화에 따른 유입부 수위를 계측하고 흐름 특성 변화를 분석했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 조건에서의 와류 유도 효과를 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입했다. 접선식 유입구 에서는 고유량 유입조건 아래 도수(hydraulic jump)가 발생하며 유량 배제 효과가 급격하게 감소했다. 다단식 나선(multi-stage) 유입구의 경우, 접선 식 유입구보다 유입유량 증가에 따른 수위 상승률은 높지만 저유량 및 고유량 유입조건에 대해 안정적인 유량 배제 효과를 유지했다. 또한, 실험에서 사 용된 유입구 모형이 활용될 수 있도록 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 대한 수위-유량 관계 실험식(empirical formula)을 제시했다.

최근 도심지역에 국지성 집중호우가 자주 발생하고 불투수층 증가로 인해 유출량이 급격히 증가하면서 도심지역의 침수피해는 불가피한 상황이 되었다. 따라서 침수피해를 저감시킬 수 있는 대심도 배수터널의 필요성이 제기되고 있으나, 실제로 활용할만한 기술적 연구결과가 부족한 실정이다. 특히 대심도 터널의 구조 중 유입유량의 흐름특성을 결정하는 중요한 구조인 유입부의 경우 대심도 터널 설계 시 경제 및 시공적으로 우수하며, 유량배제효율이 양호한 유입구룰 선택하는것이 중요하다. 따라서 유입부 형태 중 설계인자가 적고 구조물 크기가 작아 시공 및 경제성이 우수한 접선식(Tangential) 유입구가 최근 대심도 배수터널의 유입구조물로서 많이 사용되고 있다. 하지만 접선식 유입구에 대한 효율검토 및 유량배제효율을 증가시킬 수 있는 실질적인 연구는 이루어지고 있지 않은 실정이다. 따라서 접선식 유입부의 흐름특성 분석을 실시하고, 접선식 유입부의 유량배제효율을 더 증대시킬 수 있는 구체적인 연구가 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 접선식(Tangential) 유입부의 흐름특성 분석을 통해 유량배제효율을 증가시킬 수 있는 구조적 개선안을 제안하여 개선안 적용에 따른 흐름특성 분석을 실시하였다. 유입부에 편경사를 고려한 접선식 유입부 구조를 제안하였고, 유입부의 편경사를 단계적으로 증가시킴으로서 수치모의를 수행하여 그 모의결과를 비교하였다. 유입부 내의 복잡한 흐름특성을 분석하기 위해 유체거동의 특성분석에 많이 사용되는 범용 CFD(Computational Fluid Dynamics)모형인 FLUENT 6.3모형을 선택하였으며, 유량 배제효율을 판단하는데 척도가 되는 접근수로에서의 평균수위와 수직 낙차부 내의 공기핵 크기를 계산하였다. 유입부 구조물의 격자망은 사면체와 다면체 격자 형태로 조밀하게 구성하였으며, 다상유동을 위해 VOF(Volume of Fluid)방법을 적용하였다. 수치해석 방법으로는 비정상류, 난류모형으로는 standard κ-ε모형을 적용하였다. 구조적 개선안 적용에 따른 접선식 유입부의 흐름특성을 수치 모의한 결과 접근수로의 평균수위는 구조 개선안 적용 전에 비해 유입부 편경사가 증가할수록 약 9.2%에서 25%의 수위감소 효과를 나타냈으며, 공기핵 크기는 약 15.6%에서 58%의 증가효과를 나타냈다. 이는 본 연구에서 제안한 구조적 개선안이 접선식 유입부의 구간평균수위를 낮추고 공기핵 크기를 증가시켜 접선식 유입부의 유량배제효율을 효과적으로 증가시킨다는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 수치모의 조건하에서는 제안한 구조 개선안이 접선식 유입부의 유량배제효율 및 흐름안정성을 확보할 수 있으므로, 접선식 유입부에 본 연구에서 제안한 구조 개선안을 적용시키는 것이 용이하다고 판단된다.

보 요소를 사용한 비선형 해석법으로는 소성영역법과 탄소성힌지법, 그리고 개선소성힌지법이 있다. 그 중, 적은 계산량과 단면의 비탄성화의 진전을 고려 할 수 있는 개선소성힌지법은 현재 많은 연구자들에 의해 사용되고 있으며, 특히 축력 작용 시 잔류응력으로 인하여 단면이 점진적으로 소성화 되는 과정이 CRC 접선탄성계수로 표현되어 사용되고 있다. 하지만 기존의 식은 부재에 압축력이 재하 될 때 발생하는 좌굴과 그에 따른 임계하중, 세장비의 관계로 유도된 식이지만 축력을 받는 부재에서도 동일한 식이 사용되고 있다. 따라서 축력을 받는 I형 단면의 재료 비선형해석에 대한 적용성에 한계가 있고 이는 유한요소해석 프로그램을 이용하여 기존식의 한계를 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 I형 단면의 축력을 받는 부재의 잔류응력 분포를 포물선으로 고려하였으며, 단면형상에 의한 최대잔류응력크기 변화를 고려하여 합리적인 유효접선탄성계수 식을 유도하였다. 유도된 식은 ABAQUS V6.10을 이용한 비탄성 해석을 통해 검증되었다.