Finite Element Solution of Helmholtz Equation for Free Harbor Oscillation

류연선,이병걸,Ryu, Yeon Sun,Lee, Byung Gul Korean Society of Civil Engeneers 1993 대한토목학회논문집 Vol.13 No.1

일반적인 기하학적 경계와 해저 지형을 가진 항만에서 해수 고유 진동 특성의 수치해석을 위하여 유한요소법이 응용되었다. 지배 방정식인 Helmholtz방정식을 일반화된 매트릭스 고유치문제로 변환하는데 표준유한요소과정을 사용하였다. 고유주기와 고유진동모우드의 수치해를 얻기위한 컴퓨터 프로그램이 개발되었고, 고유치의 수치해석과정에서 수치적 특이성을 취급하기 위해 고유치 이동기법이 고안되었으며, 수치적 악조건을 극복하기 위해서는 행렬원소의 축척화가 효과적임을 알았다. 수치예로서 먼저 해석해를 알 수 있는 경우를 해석하여 수치해와 해석해를 비교해 봄으로써 작성된 컴퓨터 프로그램의 유용성을 확인하였고, 일반적인 경계 조건과 임의 수성의 실제 항만에 유한요소 해법을 적용하여 성공적으로 고유진동의 해를 구하였다. For the numerical analysis of free oscillation characteristics in a harbor with general boundary and bottom topography, finite element method is applied. The governing Helmholtz equation is transformed into a generalized matrix eigenvalue problem using the standard finite element procedure. A computer code is developed for the numerical evaluation of natural frequencies and free oscillation modes. In the eigensolution process, a shifting strategy is devised for the treatment of numerical singularity. Scaling of coefficient matrix is also found to be effective for the alleviation of numerical ill-conditioning. For the test problems, firstly, analytical and numerical solutions are compared and validity of the code is obtained. Hence the method is successfully applicable for the real-world problems with general geometric boundaries and bottom topography.

Probabilistic Seismic Damage Assessment of Structures

이성로,오병환,Lee, Seong Lo,Oh, Byung Hwan Korean Society of Civil Engeneers 1994 대한토목학회논문집 Vol.14 No.5

구조물은 그 수명기간동안 여러 하중을 받게 되고 이로 인해 손상을 입을 수 있으며 때로는 극심한 외부하중에 대해 구조물이 제기능을 상실하거나 파괴에 도달하게 되므로 구조물 설계과정에서 이에 대한 안전성확보가 중요한 요건이 된다. 지진하중을 받는 철근 콘크리트 구조물은 비선형 이력거동을 하게 되며 심한손상을 받을 수 있다. 본 연구에서는 지진하중을 받는 구조물의 추계적 응답특성을 이용하여 손상에 대한 확률적 누적방법을 제안하고 지진하중에 대한 구조물의 손상상수준을 손상지수로서 표현하여 안전성평가에 이용하고자 하였다. The external loads applied to a real structure may cause a severe damage and may eventually lead to total failure. It is thus the requirement that the structure must be designed to fulfil its safe function under any anticipated loads and must have the desired level of safety. The purpose of the present study is to propose a method of damage accumulation under seismic loadings to utilize it in the safety assessment of a reinforced concrete structure. To this end, the nonlinear hysteretic behavior of reinforced concrete structures is first modeled and the equivalent linearization technique is employed to solve numerically the probabilistic characteristics of response under random seismic loadings.

Design Optimization of Blade Stiffened Laminated Composite Plates

신영석,Shin, Yung Seok Korean Society of Civil Engeneers 1993 대한토목학회논문집 Vol.13 No.1

중립축에 대하여 대칭인 보강된 적층평판의 좌굴하중을 극대화 하는 최적설계를 시도하였다. 전체 평판의 무게가 일정한 가운데 적층평판을 이루는 각기 판의 두께와 보강재의 단면을 이루는 두께와 높이를 설계변수로 취하였다. 유한요소법을 이용하여 평판의 좌굴하중이 계산되었으며 최적설계는 IMSL program routine을 사용하였다. 최적설계시 나타나는 optimality condition이 고도의 비선형 연립방정식이 되므로 이경우 여러개의 국부 최적점이 발견되었다. 보강재와 평판의 각층에서의 보강섬유의 방향을 달리하며 각자의 효율성을 연구 조사하였으며 이중($0^{\circ}Beam/0^{\circ}/90^{\circ}$)s인 경우에 사장 우수한 설계를 할수 있는것으로 나타났다. The buckling load of a blade stiffened laminated composite plate having midplane symmetry is maximized for a given total weight. The thicknesses of the layers and the width and height of the stiffener are taken as the design variables. Buckling analysis is carried out using a finite element method. The optimization problem is solved using an IMSL subroutine. Due to the highly nonlinear nature of the optimality equations, several local optimum solutions are found. Various combinations of fiber orientation for the laminate layers and the blade stiffener are investigated to examine their relative efficiency. Out of several cases examined, the best design was produced from the combination of ($0^{\circ}Beam/0^{\circ}/90^{\circ}$)s.

Allowable Bearing Capacity of Shallow Foundation on Geogrid-Reinforced Sand

여병철,신방웅,다스 부라자,퓨리 비제,Yeo, Byung Chul,Shin, Bang Woong,Das, Braja M.,Puri, Vijay K. Korean Society of Civil Engeneers 1994 대한토목학회논문집 Vol.14 No.2

본 논문은 Geogrid로 보강된 사질토층에 지지되고 있는 정방향 얕은 기초 지지력에 대한 실내 모형실험 결과를 제시하였다. Geogrid의 사용은 연약 지반의 강도 특성 및 하중-침하 관계에서의 개선을 위한 경제적이면서도 시간 절약의 효과를 가져올 수 있다. 특히 Geogrid로 보강된 지반은 기계 기초, 철로 제방, 그리고 지진 예상 지역의 구조물 기초 등에 필수적이다. 모형 실험결과 얕은 기초의 한계 침하에서 극한 지지력에 대한 지지력 비율이 결정되었다. 또한 상대 밀도가 중간 정도인 사질토층에 보강재를 설치하였을 때 극한 지지력이 상당량 증가됨을 알 수 있었으며, 향후 현장에서 유용하게 사용될 새로운 보강토 방법을 제시하였다. Laboratory model test results for bearing capacity of a square shallow foundation supported by a sand layer reinforced with layers of geogrid have been presented. Use of geogrids provides an economical and time efficient method for improving load-settlement, and strength characteristics of weak soils. Especially the geogrid reinforced soil will be necessary in the case of foundations supporting machines, embankments for railroads, and foundations of structures in earthquake-prone areas. Based on the present model test results, the bearing capacity ratio (BCR) with respect to the ultimate bearing capacity (UBC), at levels of limited settlement of the shallow foundation. has been determined. Also, it appears that significant improvement in the UBC of medium sands can be achieved by reinforcing elements which shows promise for future work.

A Screening Procedure for the Development of Small-Scale Hydropower

심명필,Shim, Myung Pil Korean Society of Civil Engeneers 1985 대한토목학회논문집 Vol.5 No.4

소규모(小規模) 수력발전(水力發電) 시스템은 주요 에너지원(源)으로써 여러 가지 이점(利點)을 가지고 있다. 본(本) 연구(硏究)는 소규모(小規模) 수력발전(水力發電)의 계획(計劃) 및 개발(開發)을 위한 예비조사(豫備調査)로서, 체계적인 기준(基準) 및 절차(節次)를 제안(提案)한다. 이러한 조사방법(調査方法)은 후보지(候補地)의 공학적(工學的) 특성(特性)은 물론, 사회(社會) 환경(環境) 경제적(經濟的)인 면도 초기단계에서 고려(考慮)되어야 한다. 본(本) 논문(論文)에서 개략적(槪略的)으로 소개된 방법(方法)은 불충분(不充分)한 자료(資料)에도 적용(適用)할 수 있고, 결과적으로 막대한 시간(時間)과 비용(費用)을 절감(節減)할 수 있다. Small-scale hydropower systems offer several advantages compared to other alternatives as an important source of energy in both developed and developing countries. This study proposes systematic criteria for screening of small-scale hydropower sites to determine their potential for farther study, and demonstrates the general procedure. These criteria are based on the physical characteristics of the sites and their social, environmental and economic aspects. The procedure presented shows great flexibility for screening based on the availability of information and situation at the site.

Dynamic Response of Tension Leg Platform

여운광,편종근,Yeo, Woon Kwang,Pyun, Chong Kun Korean Society of Civil Engeneers 1985 대한토목학회논문집 Vol.5 No.1

Tension Leg Platform (TLP)이란 평행위치로부터 일정 범위내에서 움직임으로 인하여 외 력의 효과를 완화시키는 compliant 구조물인 동시에, 기인장력을 받고 있는 연직 anchor cable 이 있으므로 부력이 자중을 초과하게 되는 안정한 platform 이다. 일반적으로 부체는 해상조건이 험할수록, 그리고 수심이 깊어질수록 동요가 심해지는데 TLP는 기인장 cable로 인하여 심해에서도 비교적 동요가 작아서 최근 대수심구조물의 총아로 각광받고 있다. 일찌기 Paulling 등이 TLP 거동의 예측을 위하여 수정된 Morison 방정식을 사용하는 선형동유체력합성방법을 발표하였다. 그러나 만일 TLP의 각 부재가 Morison 방정식의 가정이 성립할 수 없을 정도로 크다면 새로운 해석이 필요하다 하겠다. 일본의 Tanaka는 이런 경우에 McCamy-Fuchs 이론의 결과치를 이용하였으나, 완전한 해석이라기 보다는 일종의 간편법이라 하겠다. 본고에서는 큰 배수용적을 가진 연직부체가 있고, 이론적 해석의 결과를 검토해 볼 수 있는 수리모형 실험 결과가 있는 Deep Oil Technology (DOT) 회사의 TLP를 대상으로 하였다. 이 TLP는 부력을 전담하고 있는 연직축대칭 원통과 이들을 연결하고 있는 세부재로 이루어져 있어 축대칭부분에는 축대칭 Green 함수를 사용하여 동유체력을 구하고 세부재는 종래의 수정된 Morison 방정식의 항력항을 선형화하여 동유체력을 구하였다. 그리하여 부재의 각 미소부분에서 구한 힘들을 TLP의 중심에 원점을 둔 좌표계로 옮겨 동적응답을 구한 것이다. 본 해석에서 부재 상호간의 작용은 무시하였으며 단지 부재간의 거리효과만 고려하였다. 따라서 사용된 좌표계는 전체 (Global) 좌표계, 지점 (Local) 좌표계 및 파랑 (Wave) 좌표계 등이었고 각 좌표계간의 변환식이 필요하였다. 전체적인 해석정도는 선형이론으므로 케이블의 강성도 역시 선형적으로 구하였으며, 앞서 언급했다시피 Morison 방정식의 비선형항인 항력항은 Fourier 해석으로 선형화 하였다. 이러한 Fourier 해석은 잘 알려져 있는 Lorentz 원리와 같다고 볼 수 있다. 세부재의 경우 접선력은 무시하였고 수입자의 운동에 의한 부채에 대한 수직력만 고려하였다. 여기서 파랑좌표계에서 지점좌표계로의 좌표변환이 주의를 요하고 있다. 이제 이렇게 구한 각 힘들을 전체좌표 계에서 6개의 자유도별로 운동방정식에 대입하면 각 자유도별 동적응답이 구하여지는 것이다. DOT TLP의 Surge mode에 대한 동적응답을 실험치와 비교하여 본 결과, 세부재에 대한 고려를 뺄 수 없음을 알 수 있었다. 이는 연직축대칭 부체의 크기가 그리 크지 않으므로 인한 것이며, TLP의 원형의 경우에는 보다 더 관성력이 지배적일 것으로 사료된다. The tension leg platform (TLP) is a kind of compliant structures, and is also a type of moored stable platform with a buoyancy exceeding the weight because of having tensioned vertical anchor cables. In this paper, among the various kinds of tension leg structures, Deep Oil Technology (DOT) TLP was analyzed because it has large-displacement portions of the immersed surface such as vertical corner pontoons and small-diameter elongated members such as cross-bracing. It also has results of hydraulic model tests, comparable with theorectical analysis. Because of the vertical axes of symmetry in the three vertical buoyant legs and because there are no larger horizontal buoyant members between these three vertical members, it was decided to develop a numerical algorithm which would predict the dynamic response of the DOT TLP using the previously developed numerical algorithm Floating Vessel Response Simulation (FVRS) for vertically axisymmetric bodies of revolution. In addition, a linearized hydroelastic Morison equation subroutine would be developed to account for the hydrodynamic pressure forces on the small member cross bracing. Interaction between the large buoyant members or small member cross bracings is considered to be negligible and is not included in the analysis. The dynamic response of the DOT TLP in the surge mode is compared with the results of the TLP algorithm for various combinations of diffraction and Morison forces and moments. The results which include the Morison equation are better than the results for diffraction only. This is because the vertically axisymmetric buoyant members are only marginally large enough to consider diffractions effects. The prototype TLP results are expected to be more inertially dominated.

Finite Element Analysis of Planar Effect on the Concrete Pavements

조병완,Jo, Byung Wan Korean Society of Civil Engeneers 1994 대한토목학회논문집 Vol.14 No.5

콘크리트 포장구조에 있어서 온도팽창과 건조수축으로 인한 평면 변위 거동은 차량 하중에 관계없이, 포장슬래브와 노반과의 마찰에 의한 줄눈의 개폐에 주로 기인하고 있다. 따라서 콘크리트 포장구조의 평면 변위 거동을 해석하기 위하여 한 절점에서 dx, dy, 2 자유도를 갖는 직사각형 평면요소의 강성행열과 마찰, 건조수축, 온도 등으로 인한 등가절점 하중을 유도하였다. 콘크리트의 건조수축으로 인한 포장슬래브의 구조해석결과, 슬래브 길이가 길거나 지반과의 마찰계수가 큰 경우를 제외하고는, 큰 응력은 발생하지 않았지만, 차량하중과 조합할때는 인장응력의 증가와 함께 포장 슬래브에 균열이 발생할 수 있음을 보여주고 있다. Since horizontal movements due to shrinkage and thermal gradients in concrete pavements involve no actual load, the stresses induced will be those due to closing of the pavement joints and subbase friction. Consequently, complete derivations of stiffness matrix and equivalent nodal loads due to planar effects on the concrete pavements was throughly undertaken using the finite rectangular elements with two degrees of freedom at each node. The numerical example shows that the tensile stress induced in a pavement due to concrete shrinkage might be negligible except at very long slab and very high coefficient of frictions. However the stresses in conjunction with principal traffic loads might cause cracking problems.

An Experimental Study on the Unsteady Seepage

신방웅,Shin, Bang Woong Korean Society of Civil Engeneers 1985 대한토목학회논문집 Vol.5 No.1

비정상(非定常) 침투문제(浸透問題)에서 가장 중요하고 어려운 점은 자유수면(自由水面)의 위치(位置)와 그 변화(變化)를 어떻게 해석(解析)하느냐이다. 그러므로 본(本) 연구(硏究)는 특히 수위상승(水位上昇)에 따른 제체내(堤體內) 침투(浸透)와의 상관계수를 찾았으며(즉, 수위상승에 대해 $V_R=\frac{dH}{dt}$, 침투속도에 대해 $V_S=Ki=k\frac{H-d_1}{d}$), 또한 기(旣) 발표(發表)된 식(式)들을 분석(分析)하여 실험자료(實驗資料)와의 비교 정리(整理) 분석(分析)하였다. The most important and difficult part in the problem of unsteady seepage is, how to analyze a position and variation of free water level. Therefore, this paper found the relation between the rising water level and infiltration in the embankment by analyzing established equations and extrapolated the empirical equations from experimental data (For the seepage velocity; $V_S=Ki=k\frac{H-d_1}{d}$, For the rising velocity level; $V_R=\frac{dH}{dt}$) With the aid of these data, the necessary equations were compared with the experimental analyses.

A Simplified Soil-Structure Interaction Analytical Technique of Embedded Structure and Structure on Layered Soil Sites

조양희,이용일,김종수,Joe, Yang Hee,Lee, Yong Il,Kim, Jong Soo Korean Society of Civil Engeneers 1987 대한토목학회논문집 Vol.7 No.2

지진하중(地震荷重)에 대한 구조물(構造物)의 동적(動的) 거동(擧動)은 지반(地盤)의 특성(特性)에 따라 현저한 차이(差異)를 나타내게 되는데 이러한 현상(現象)을 동적(動的) 지반(地盤)-구조물(構造物) 상호작용(相互作用)이라고 한다. 지반(地盤)-구조물(構造物) 상호작용(相互作用)의 해석방법(解析方法)은 크게 직접법(直接法)과 부분구조법(部分構造法)으로 구분되며, 이 중 부분구조법(部分構造法)은 직접법(直接法)에 비하여 해석방법(解析方法)은 간편하지만 매입구조물(埋入構造物)이나 층상지반상(層狀地盤上) 구조물(構造物)에 대한 해석 시 많은 제약(制約)을 받게 된다. 본 논문(論文)에서는 원친적으로 반무한탄성체지반상(半無限彈性體地盤上) 구조물(構造物)에만 효과적으로 적용(適用)할 수 있는 부분구조법(部分構造法)을 적절히 응용(應用)하여 매입구조물(埋入構造物) 혹은 층상지반상(層狀地盤上) 구조물(構造物)에도 적용할 수 있는 방법을 제시(提示)하였으며, 직접법(直接法)에 의한 해석프로그램인 FLUSH의 해석결과와 비교(比較) 검토(檢討)하여 그 타당성(妥當性)을 입증(立證)하였다. The dynamic behavior of a structure by earthquake is considerably affected by the flexibility of the base soil. This phenomenon is called dynamic soil-structure interaction effect. There are two broad categories of soil-structure interaction analytical technique: direct method and substructure method. Substructure method, in contrast to direct method, has many limitations in applying to embedded structures or structures on layered soil sites, while it is relatively simple. In this paper, a simplified soil-structure interaction analytical procedure using substructure method is proposed to eliminate its original limitations. The proposed method is well applicable to embedded structures or structures on layered soil sites with as good results as FLUSH.

An Investigation of the Causes of Filamentous Bulking at the Southerly Wastewater Treatment Plant in Columbus, Ohio

고광백,로버트 엠 싸?스,Ko, Kwang Baik,Sykes, Robert M. Korean Society of Civil Engeneers 1987 대한토목학회논문집 Vol.7 No.3

A series of bench scale activated sludge units were operated to find the causes of filamentous bulking(Schizothrix calcicola) at the Southerly Wastewater Treatment Plant. The results shows that the algal bulking problem is caused by the combination of fermented brewery waste and a low/high DO pattern in the aeration basin. The volatile fatty acids in the influent are not themselves the only cause of bulking but indicators of an unidentified substance that either suppresses zoogloeal growth or stimulates algal growth during low DO conditions, because the volatile fatty acids do not stimulate algal growth unless they are added to a sewage that already contains, some fermented brewery waste. 미국 오하이오주 콜럼버스시에 소재한 하수처리장(an conventional activated sludge treatment plant: 일 평균 처리 용량은 46.4 MGD)을 대상으로 filamentous bulking(Schizothrix calcicola)의 원인규명을 위한 연구가 수행되었다. 하수관거 및 하수처리장내에서의 실제 운영조건을 실험실에서 재현하기 위하여 주정폐수와 하수의 혼합액을 산화시키기 위한 산화조와 활성슬러지 처리조를 설치하여 산화조에서의 유출수를 활성슬러지 처리조에 유입수로 투입하였다. 실험결과로 sludge bulking의 주원인은 하수 관거내에서 혐기성으로 산화되어 유입원 주정폐수와 낮은 용존산소임이 밝혀졌다. 아울러 본 연구대상 하수처리장의 일차침전지에서 대량으로 검출된 volatile fatty acids는 sludge bulking의 지표일 뿐 유일한 원인이 아니며 주원인은 낮은 용존산소하에서 정상적인 슬러지의 성장을 억제하거나 혹은 filamentous microorganisms의 과대성장을 촉진시키나 아직은 그 실체가 규명되지 않은 유기물이라고 사료된다.