본 논문에서는 인장 좌굴 현상을 소개하고 이를 이용한 음의 포아송 효과를 가지는 구조물에 대한 분석을 다룬다. 일반적으로 널리 알려진 좌굴은 압축하중 하에서의 안정성 문제임에 반하여, 인장 좌굴은 인장에 의해 국소적으로 압축력이 생겨 발생하는 좌굴이다. 고전적인 좌굴에 비하여 비교적 최근의 연구이기 때문에 상대적으로 잘 알려지지 않았다. 이에 인장 좌굴 현상을 에너지 관점에서 고 찰하고, 해석을 위하여 비틀림 스프링을 가지는 비선형 트러스 유한요소의 정식화를 수행하였다. 비선형해석을 통해 후좌굴 거동을 분석하고 비틀림 스프링이 주요 인자임을 확인하였다. 이러한 후좌굴 거동은 음의 포아송 비를 가지는 구조물에 적용할 수 있으며, 기 계적 스위치 등의 장치에 적용할 가능성을 보였다. 얻어진 결과들의 정확성 확인을 위하여 해석해와 상용 유한요소해석 결과들과 비 교하여, 개발된 유한요소 모델이 기초 설계에 유용함을 보였다.

For a member model in nonlinear structural analysis, a lumped plastic model that idealizes its flexural bending, shear, and axial behaviors by springs with the nonlinear hysteretic model is widely adopted because of its simplicity and transparency compared to the other rigorous finite element methods. On the other hand, a challenging task in its numerical solution is to satisfy the equilibrium condition between nonlinear flexural bending and shear springs connected in series. Since the local forces between flexural and shear springs are not balanced when one or both springs experience stiffness changes (e.g., cracking, yielding, and unloading), the additional unbalanced force due to overshooting or undershooting each spring force is also generated. This paper introduces an iterative scheme for numerical solutions satisfying the equilibrium conditions between flexural bending and shear springs. The effect of equilibrium iteration on analysis results is shown by comparing the results obtained from the proposed method to those from the conventional scheme, where the equilibrium condition is not perfectly satisfied.

In this paper, nonlinear finite element analysis was conducted based on the experimental results on buckling restrained brace. The reliability of the analytical model was verified by comparing the results of experimental studies with hysteresis loop, bi-linear curve, cumulative energy dissipation capacity, and equivalent viscous damping. A valid finite element model has been secured and will be used as basic data for finite element analysis of buckling restrained braces in the future.

본 연구는 지진에 저항하는 부재인 비보강 조적벽체로 구성된 건물의 내진성능평가에 활용되는 비선형 정적해석을 위한 비보강 조적벽체의 해석모델을 수립하고자 하였다. 본 연구의 해석모델은 비보강 조적벽체의 휨거동을 모사하기 위한 파이버 요소와 비보강 조적벽체의 전단에 대한 응답을 예측하기 위한 전단스프링 요소로 구성된다. 본 논문은 먼저 제안하고 있는 모델의 형상에 대해서 설명하고, 기존에 행해진 조적조 프리즘의 실험결과로부터 얻은 응력-변형률 곡선을 근거로 파이버와 전단스프링 요소의 물성치에 대한 결정 방법을 설명한다. 제시하고 있는 모델은 비선형 정적 해석결과와 다른 연구자들에 의해 수행된 실험결과를 비교하여 타당성을 검증한다. 해당 모델은 최대강도, 초기강성, 그리고 이들로부터 얻어지는 비보강 조적벽체의 하중-변위 곡선을 적절하게 모사하고 있다. 또한, 해석모델이 비보강 조적벽체의 파괴모드를 예측할 수 있는 것으로 나타난다.

In this study, a numerical approach based on mid-point integrated finite elements and a viscous boundary is proposed for time-domain wave-propagation analyses in infinite poroelastic media. The proposed approach is accurate, efficient, and easy to implement in time-domain analyses. In the approach, an infinite domain is truncated at some distance. The truncated domain is represented by mid-point integrated finite elements with real element-lengths and a viscous boundary is attached to the end of the domain. Given that the dynamic behaviors of the proposed model can be expressed in terms of mass, damping, and stiffness matrices only, it can be implemented easily in the displacement-based finite-element formulation. No convolutional operations are required for time-domain calculations because the coefficient matrices are constant. The proposed numerical approach is applied to typical wave-propagation and soil-structure interaction problems. The model is verified to produce accurate and stable results. It is demonstrated that the numerical approach can be applied successfully to nonlinear soil-structure interaction problems.

폴리머 폼은 다공성을 가장 큰 특징으로 하는 재료이기 때문에, 본 연구에서 비가역 열역학 관점을 기반으로 폴리머 폼의 기공 성장 및 합체를 고려한 손상 탄성 구성방정식을 개발하였으며, 개발된 구성방정식은 unilateral 손상의 효과를 고려하였다. 유한요소해석의 적용을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS의 사용자 서브루틴 UMAT을 이용하여 제안된 구성방정식을 수치적으로 구현하였다. 비선형 유한요소해석 결과와 폴리머 폼의 인장 시험 결과와 비교를 통해 제안된 손상 모델의 유효성을 검증하였으며, 제안된 구성방정식의 재료모델상수가 손상에 미치는 영향에 대해 분석하였다.

PURPOSES : This paper presents a comparison study between dynamic and static analyses of falling weight deflectometer (FWD) testing, which is a test used for evaluating layered material stiffness. METHODS: In this study, a forward model, based on nonlinear subgrade models, was developed via finite element analysis using ABAQUS. The subgrade material coefficients from granular and fine-grained soils were used to represent strong and weak subgrade stiffnesses, respectively. Furthermore, the nonlinearity in the analysis of multi-load FWD deflection measured from intact PCC slab was investigated using the deflection data obtained in this study. This pavement has a 14-inch-thick PCC slab over finegrained soil. RESULTS: From case studies related to the nonlinearity of FWD analysis measured from intact PCC slab, a nonlinear subgrade modelbased comparison study between the static and dynamic analyses of nondestructive FWD tests was shown to be effectively performed; this was achieved by investigating the primary difference in pavement responses between the static and dynamic analyses as based on the nonlinearity of soil model as well as the multi-load FWD deflection. CONCLUSIONS : In conclusion, a comparison between dynamic and static FEM analyses was conducted, as based on the FEM analysis performed on various pavement structures, in order to investigate the significance of the differences in pavement responses between the static and dynamic analyses.

현재 많은 산업에서 구조물의 온도환경 유지를 위한 단열재로 폴리우레탄 폼이 사용되며, 수명 동안 정적 및 동적의 다양 한 하중이 이에 부과된다. 폴리우레탄 폼은 고분자재료로써 다공성이며, 단열성능은 내부기공의 크기에 크게 의존한다. 또 한, 폴리우레탄 폼의 기계적 거동은 변형률 속도 및 온도에 대한 의존성이 큰 동시에 압축에 대하여 큰 비선형 연성거동을 보인다. 이러한 비선형 연성 압축거동 중에 폴리우레탄 폼은 변형률의 증가에 따라 기공율과 탄성계수의 감소를 보인다. 따 라서 본 연구에서는 상기 특성들을 포함한 폴리우레탄 폼의 변형률 속도 및 온도 의존 비선형 압축거동을 모사하기 위하여 온도 의존 손상 점소성 구성방정식이 개발되었다.

PURPOSES: The nonlinear model of fatigue cracking is typically used for determining the maintenance period. However, this requires that the model parameters be known. In this study, the particle filter (PF) method was used to determine various statistical parameters such as the mean and standard deviation values for the nonlinear model of fatigue cracking. METHODS: The PF method was used to determine various statistical parameters for the nonlinear model of fatigue cracking, such as the mean and standard deviation. RESULTS : On comparing the values obtained using the PF method and the least square (LS) method, it was found that PF method was suitable for determining the statistical parameters to be used in the nonlinear model of fatigue cracking. CONCLUSIONS : The values obtained using the PF method were as accurate as those obtained using the LS method. Furthermore, reliability design can be applied because the statistical parameters of mean and standard deviation can be obtained through the PF method.

엘니뇨와 남방진동(엔소)은 변동 주기가 2-8년으로 넓게 걸쳐있으며 그 진폭과 주기 또한 천천히 변하는데 이런 특징을 각각 엔소 불규칙성과 엔소 변조라 한다. 이 연구는 비선형 대기 변동성을 나타나는 Lorenz-63 모형과 간단한 충전 진동자 모형을 결합함으로써 비선형 저차 기후모델을 개발하였다. 이 모델은 동태평양의 해수면 온도 변동의 중심 주기, 넓은 주기성, 강도의 수십 년 변동 등과 같은 관측에서 보이는 엔소 특징을 잘 재현하였다. 이것은 대기 카오스 강제력이 엔소의 불규칙성과 변조를 이끌 수 있음을 보여준다. 덧붙여 모델은 서태평양 온난역의 대류활동이 강해지면 라니냐 발생 가능성이 높아지는 것을 제시하였다. 이 모델은 간단하면서도 적도 태평양의 대기-해양 비선형 상호작용을 잘 모사하고 있기에 향후 장기 기후변화 연구에 활동될 것으로 기대된다.

본 논문에서는 CFT 구조의 강관과 내부 충전 콘크리트 간 복합거동을 유한요소해석 시 적절하게 반영하기 위해 강관과 콘크리트 간 부착 슬립관계 묘사를 위한 알고리즘을 제시하였다. 내부 충전 콘크리트에 축방향 하중 발생 시, 강관과 콘크리트 간 마찰로 인해 강관으로 하중이 전달되며, 이에 따른 강관 슬립량과 힘의 평형관계를 통해 등가강성을 통해 부착관계를 파악할 수 있다. 실제 원형 CFT 부재의 부착응력 실험을 통해 측정된 수직 및 수평 방향 응력 분포 결과와 제안된 해석 기법을 통해 산정된 응력 분포의 비교를 통해 제안된 해석 기법의 타당성을 검증하였다. 또한 비선형 유한요소해석 시 강관과 콘크리트의 부착 거동 묘사에 따라 CFT 기둥의 거동 특성에 영향을 미치게 되므로 축방향 하중이 작용하는 CFT 부재 실험결과와 제안된 부착-슬립 모델을 반영한 유한요소해석 결과의 하중-변위 곡선 관계 비교를 통해 제안된 기법의 적합성을 검증하였다.

이 논문에서는 곡선 프리스트레스트 콘크리트 사장교의 풍하중에 의한 정적 횡방향 휨거동 해석에 비선형 해석 모델 특성들이 미치는 영향을 검토하여 곡선 프리스트레스트 콘크리트 사장교의 풍하중에 의한 정적 휨거동을 정당하게 예측할 수 있는 해석방법을 제시하였다. 곡선 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 사장교의 시공단계별 풍하중에 의한 횡방향 휨거동 해석 시 재료의 비선형성은 물론 기하학적 비선형성을 모두 고려하였고 재료의 시간의존적 특성의 영향으로 콘크리트의 크리프, 건조수축, 강도증가와 프리스트레싱(PS) 강재와 케이블의 이완을 고려하였다. 곡선 PSC 사장교의 풍하중에 의한 휨거동을 다양한 비선형 해석 모델 특성들을 조합해서 고려하여 해석을 수행한 결과, 교량 상판의 인장균열 및 이에 따른 처짐의 증가를 정확히 예측하기 위해서는 재료의 비선형 응력-변형률 관계는 물론 콘크리트의 인장균열을 모두 포함한 재료 비선형성과 기하강성도 매트릭스는 물론 대변위에 의한 변형률의 비선형항 및 부재의 위상변화를 모두 포함하는 기하학적 비선형성을 고려한 해석이 반드시 필요함을 확인하였다. 부가적으로, 콘크리트의 인장증강효과 및 뼈대요소의 축력에 의한 기하강성도 매트릭스의 고려여부는 교량의 풍하중에 의한 정적 휨거동을 예측하는 데 영향을 크게 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한 풍하중에 의한 곡선 PSC 사장교의 횡방향 휨거동은 상판의 횡방향 변위의 상당한 증가 및 거더 단면의 인장균열로 인해 상판이 폐합되기 직전단계가 폐합된 이후 단계보다 크게 불리함을 확인하였다.

이 논문에서는 경계반력법을 이용한 비선형 지반-구조물 상호작용 해석을 위해 LS-DYNA나 MIDAS/Civil 등의 유한요소해석 프로그램과 연계하는 방법을 제시하였다. 경계반력법 적용시 유한요소프로그램에서 구조물과 지반은 선형 또는 비선형 유한요소를 이용하여 모델링하였다. 유한요소의 해석모델 외부의 무한영역으로 전달되는 탄성파를 최대한 흡수하기위해 유한요소 모델의 외측에 LS-DYNA의 경우에는 PML(Perfectly Matched Layer) 요소를, MIDAS/Civil의 경우에는 점성감쇠-스프링 요소를 적용하였다. 비선형 유한요소는 구조물영역에만 적용되는 것으로 가정하였다. 이 연구에서는 입사지진파에 의한 경계반력은 KIESSI-3D 프로그램을 이용하여 계산하였다. 선형 지반-구조물 상호작용 문제에 대해 일반적인 KIESSI-3D의 해석결과와 BRM해석결과를 비교하여 제시된 방법의 효율성을 제시하였다. 또한 수치적 비교를 통해 비선형 구조에 대해 보수적인 응답을 보이는 선형 SSI문제에 대하여 얻은 경계반력이 비선형 지반-구조물 상호작용해석에 효과적으로 적용 가능함을 알 수 있었다.

대기 모델링 연구에서 시간 간격을 적절하게 결정하는 것은 중요한 문제이다. 본 연구에서는 비선형 대기 모형에서 수치 해의 시간 간격에 대한 민감도를 조사하였다. 이를 위해 간단한 무차원화된 역학 모형을 사용하여 시간 간격과 비선형성 인자를 바꾸어가며 수치 실험을 수행하였다. 실험 결과, 비선형성 인자가 영향을 줄 만큼 크지 않고 절단 오차를 무시할 수 있는 경우에는 수치 해가 시간 간격에 민감하지 않았다. 그러나 비선형성 인자가 큰 경우에는 수치 해가 시간 간격에 민감한 것으로 밝혀졌다. 이 경우, 시간 간격이 감소할수록 공간 필터의 강도가 증가하여 작은 규모의 현상이 약하게 모의되었다. 이는 일반적으로 시간 간격이 감소하면 절단 오차가 감소하여 더 정확한 수치 해가 도출된다는 사실과 상충한다. 이러한 충돌은 비선형 모형의 수치 해를 안정하게 하기 위해 공간 필터가 반드시 필요하기 때문에 피할 수 없다.

경계요소를 가지는 철근콘크리트 전단벽의 비선형 해석을 위한 간편 모델을 제안하였다. 이 간편 모델은 전단벽의 휨 및 전단 거동을 스프링요소로 나타낸 거시적 모델이다. 휨거동은 벽체의 단면해석을 기초로 한 모멘트강도와 회전능력을 벽체 양단의 수직 스프링요소로 나타내었다. 경계요소를 가지는 전단벽은 휨거동에 의해 지배되므로 전단거동은 휨거동에 바탕하여 변수를 계산하였고 중앙부 수평 스프링요소로 나타내었다. 제안된 모델은 전단벽 정적이력시험 결과와 비교한 후 비선형동적해석을 수행하여 사용된 이력법칙 및 변수들의 타당성을 조사하였다. 비선형동적해석을 이용한 변수연구를 통하여 내진성능평가의 주요변수인 요구값과 성능값에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과 전단력-전단변형 관계에서 약간의 차이가 있지만 전단벽의 전체거동은 잘 일치하였으며, 주요 변수의 변화에 대해 요구값과 성능값도 일정하게 변화하므로 제안된 해석모델은 경계요소를 가진 철근콘크리트 전단벽에 알맞은 것으로 판단된다.

비선형 함수로 모델링되는 동적 시스템의 비선형 파라미터를 결정하기 위하여 주파수 영역 볼테라 모델을 적용하는 연구를 수행하였다. 시간영역의 1차, 2차, 3차 전달함수에 해당하는 주파수 영역의 볼테라 핵함수를 비선형 파라미터 산정 과정에 3차 비선형 항까지 포함시켰다. Schetzen의 방법으로 시스템의 비선형 미분방정식에 적합한 볼테라 급수 표현식을 정하고, 이로부터 유도되는 비선형 전달함수를 입력 출력 관계식에 사용하였다. 관찰된 입력을 비선형 주파수 영역 모델에 대입하여 계산한 출력과 관찰된 출력의 차이로 오차를 정의한 후 오차를 최소화 시키는 시스템 파라미터의 값을 구하였다. 예제를 통하여 선형 주파수 구간 뿐만 아니라 2차 혹은 3차 비선형이 지배적인 주파수 범위 대에서 볼테라 모델이 충분한 정확성과 수렴성을 가지며 인식된 파라미터는 실제 값과 잘 일치함을 확인할 수 있었다.