복합적층구조해석을 위한 1차전단변형이론의 간단한 수정방안

천경식,지효선,Chun, Kyoung-Sik,Ji, Hyo-Seon 한국강구조학회 2011 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.23 No.4

본 논문에서는 1차전단변형이론의 횡방향 전단응력과 전단변형률을 개선한 간단한 수정방법을 제시하였다. 고차전단변형이론, 층별이론과 같은 기존의 많은 제정된 방법들과 비교해서 본 방법은 매우 간단하게 $C^0$ 연속성만이 요구되는 유한요소에 적용할 수 있으며, 그 방정식 구성도 매우 간단하다. 본 방법의 기본 개념은 고차전단변형이론에 의한 수식으로 부터 두께방향에 따른 횡방향 전단응력과 전단변형률의 분포를 수정하는 것이다. 그러므로 1차전단변형이론처럼 전단보정계수는 더 이상 요구되지 않는다. 제안한 수식의 타당성을 검증하기 위하여 수치해석을 수행하였으며, 본 수정방법에 의한 해는 고차전단변형이론을 고려한 결과와 잘 일치하였다. In this study, a simplified method of improving not only transverse shear stress but also shear strain based on the first-order shear deformation theory was developed. Unlike many established methods, such as the higher-order shear deformation and layerwise theories, this method can easily apply to finite elements as only $C^0$ continuity is necessary and the formulation of equations is very simple. The basic concept in this method, however, must be corrected:the distribution of the transverse shear stresses and shear strains through the thickness from the formulation based on the higher-order shear deformation theory. Therefore, the shear correction factors are no longer required, based on the first-order shear deformation theory. Numerical analyses were conducted to verify the validity of the proposed formulations. The solutions based on the simplified method were in very good agreement with the results considering the higher-order shear deformation theory.

대변형 효과를 고려한 비등방성 원통형 쉘의 거동에 관한 연구

천경식,손병직,장석윤,Chun, Kyoung Sik,Son, Byung Jik,Chang, Suk Yoon 한국강구조학회 2002 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.10 No.4

구조물이 거대해지고 복잡해지면서 미소변현을 전제로 한 선형이론으로는 해석이 불가능한 대변형 및 비선형 거동이 발생하는 경우가 많아지고 있다. 또한 고성능 컴퓨터의 등장과 다양한 수치해석 기법의 개발 등으로 보다 엄격한 설계기준에 따른 구조의 최적화 설계가 절실히 요구되고 있다. 그로 인해 선형 영역내에서 한정되었던 구조공학적인 문제를 비선형 영역까지 확대시켜 구조물의 거동을 보다 정확히 분석하고, 예상 가능한 문제점을 사전에 파악하여 효율적이고 경제적인 최적의 구조물을 설계해야 한다. 본 연구에서는 비등방성 원통형 쉘 구조물의 기하학적 비선형 문제를 해결하였다. 원통형 쉘의 반경방향 길이와 원통방향의 길이비인 형상비 변화, 부분 원통형 쉘의 중심각 변화, 화이버 각도 변화, 적층수와 배열조건 변화 등의 다양한 조건에 따라 비등방성 원통형 쉘 구조의 기하학적 비선형 거동특성을 분석하였다. Nonlinear behavior and large deformation cannot be analyzed using techniques based on linear theory. Nonetheless, they are emerging as gradually huge and complex structures. In addition, the optimum design of structure is necessary in the development of high-performance computation and numerical methods. as well as stricter design-criterion. Therefore, the structural problems in engineering that are limited to the linear region must be extended to the nonlinear region. Likewise, structural behavior must be accurately analyzed. In turn, this requires considering the expected problems beforehand. Only then can an efficient, economical, and optimized structure be designed. This paper presents the solution of the geometrical nonlinear problem of anisotropic cylindrical shell. The characteristics of the geometrical nonlinear behavior of anisotropic circular cylindrical shells may vary according to several causes. e.g., change of fibers, curvature in the circumferential direction, subtended angle, aspect, etc. Parametric studies were conducted to determine the effect of factors on the large deflection behavior of laminated shells, with interesting observations.

개선된 추가변형률 4절점 평판휨 요소

천경식,박대용,장석윤,Chun, Kyoung Sik,Park, Dae Yong,Chang, Suk Yoon 한국강구조학회 2004 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.16 No.3

본 연구에서는 등방성 및 복합적층판 해석을 위해 추가변형률을 갖는 개선된 4절점 Reissner-Mindlin 평판휨요소를 제안하였다. 전단잠김현상과 가상적인 제로에너지모드를 제거하기 위해 비적합 변위모드와 Bubble 함수식에 근거한 새로운 형태의 전단변형률을 추가함으로써 횡방향 전단거동을 개선하였다. Andelfinger와 Ramm(1993)이 제시한 기본적인 추가변형률은 면내거동을 개선시키고자 그대로 적용하였다. 1차전단변형이론에 근거한 새로 개발된 4절점 평판요소를 '14EASP'라 명하였다. 14EASP 유한요소의 특징과 성능을 평가하고자 몇가지의 수치해석예제를 적용하였으며, 다른 유한요소 및 해석적인 해와 비교하였다. 그 결과 본 연구에서 제안한 14EASP는 보다 안정적이고, 수렴성이 빠르며, 특히 요소형상이 왜곡된 경우에도 정확한 결과를 도출하였다. In this paper, an improved four-node Reissner-Mindlin plate-bending element with enhanced assumed strain field is presented for the analysis of isotropic and laminated composite plates. To avoid the shear locking and spurious zero energy modes, the transverse shear behavior is improved by the addition of a new enhanced shear strain based on the incompatible displacement mode approach and bubble function. The "standard" enhanced strain fields (Andelfinger and Ramm, 1993) are also employed to improve the in-plane behaviors of the plate elements. The four-node quadrilateral element derived using the first-order shear deformation theory is designated as "14EASP". Several applications are investigated to assess the features and the performances of the proposed element. The results are compared with other finite element solutions and analytical solutions. Numerical examples show that the element is stable, invariant, passes the patch test, and yields good results especially in highly distorted regimes.

다층 대칭배열된 타원형 적층관의 좌굴하중 및 모드해석

천경식(Chun Kyoung Sik),손병직(Son Byung Jik),지효선(Ji Hyo Seon) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 A Vol.26 No.3A

Fiber-reinforced composite materials due to their high specific strength, high stiffness and light weight are becoming increasingly used in many engineering industry, especially in the aerospace, marin and civil, etc. In this paper, the buckling load and mode shapes of composite laminates with elliptical cross-section including transverse shear deformations are analyzed. For solving this problems, a versatile flat shell element has been developed by combining a membrane element with drilling degree-of-freedom and a plate bending element. Also, an improved shell element has been established by the combined use of the addition of enhanced assumed strain and the substitute shear strain fields. The combined influence of shell geometry and elliptical cross-sectional parameter, fiber angle, and lay-up on the buckling loads of elliptical cylinder is examined. The critical buckling loads and mode shapes analyzed here may serve as a benchmark for future investigations. 화이버로 보강된 복합재료는 비강성과 강도가 높을 뿐만 아니라 경량화를 위한 작업이 가능한 재료로써, 항공, 선박 그리고 토목분야와 같은 많은 산업분야에서 계속적으로 사용이 증대되고 있다. 본 연구는 전단변형을 고려한 타원단면을 갖는 복합적층 구조물의 좌굴하중 및 모드형상을 분석하였다. 좌굴해석을 수행하기 위해, 면내회전자유도를 갖는 평면응력 요소와 휨 요소를 결합하여 무결점 4절점 쉘요소를 작성하였다. 이때 추가변형률과 대체전단변형률을 도입함으로써 요소의 거동을 개선하였다. 해석모델에 대해 쉘의 기하학적 형상, 종횡비, 화이버 보강각도, 그리고 적층배열에 따른 영향을 고찰하였다. 본 연구에서 제시한 타원단면을 갖는 적층관의 임계좌굴하중과 모드형상은 여러 가지 설계변수에 의한 거동에 대한 정확한 이해로부터 효율적인 설계방향을 제시하고자 하였으며, 추후 적층관의 좌굴해석시 좋은 참고자료로 활용할 수 있으리라 기대된다.

설계VE의 성능 및 가치평가 시 문제점 및 해결방안

천경식(Kyoung-Sik Chun) 대한토목학회 2007 대한토목학회지 Vol.55 No.2

대변형 효과를 고려한 비등방성 원통형 쉘의 거동에 관한 연구

천경식(Kyoung Sik Chun),손병직(Byung Jik Son),장석윤(Suk Yoon Chang) 한국강구조학회 2002 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.14 No.4

Nonlinear behavior and large deformation cannot be analyzed using techniques based on linear theory. Nonetheless, they are emerging as gradually huge and complex structures. In addition, the optimum design of structure is necessary in the development of high-performance computation and numerical methods, as well as stricter design-criterion. Therefore, the structural problems in engineering that are limited to the linear region must be extended to the nonlinear region. Likewise, structural behavior must be accurately analyzed. In turn, this requires considering the expected problems beforehand. Only then can an efficient, economical, and optimized structure be designed. This paper presents the solution of the geometrical nonlinear problem of anisotropic cylindrical shell. The characteristics of the geometrical nonlinear behavior of anisotropic circular cylindrical shells may vary according to several causes, e.g. , change of fibers, curvature in the circumferential direction, subtended angle, aspect, etc. Parametric studies were conducted to determine the effect of factors on the large deflection behavior of laminated shells, with interesting observations.

8절점 Hybrid/Mixed 평면응력요소

천경식(Chun Kyoung Sik),박원태(Park Won Tae),임성순(Yhim Sung Soon) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 A Vol.26 No.2A

본 논문에서는 가정응력장과 수정된 형상함수를 이용한 새로운 8절점 hybrid/mixed 평면응력요소를 제시하였다. 가정응력장은 비적합 변위모드로부터 유도하였으며, 이는 요소의 찌그러짐에 대한 민감도를 완화시켜준다. 그리고 Cartesian 좌표계에서 9절점 등매개변수 요소와 동일한 조건하에서 2차 변위를 정확히 보간하도록 수정한 형상함수를 시용하였다. 제시한 8절점 hybrid/mixed 평면응력요소(HQ8-14β)의 수치해석에 대한 정확성과 효율성을 검증하기 위해 기존의 참고문헌들과 비교, 분석하였다. 그 결과 본 논문에서 제시한 요소는 요소가 왜곡된 경우를 포함하여 우수한 성능을 보였다. A new enhanced 8-node hybrid/mixed plane stress elements based on assumed stress fields and modi fed shape functions has been presented. The assumed stress fields are derived from the non-conforming displacement modes, which are less sensitive to geometric distortion. Explicit expression of shape functions is modifed so that it can represent any quadratic fields in Cartesian coordinates under the same condition as 9-node isoparametric element. The newly developed element has been designated as 'HQ8-14β'. The presented element is compared with existing elements to establish its accuracy and efficiency. Over a wide range of mesh distortions, the element presented here is found to be exceptionally accurate in predicting displacements

다양한 Serendipity 유한요소에 따른 복합적층판의 정적, 좌굴 및 자유진동해석 비교연구

천경식(Chun Kyoung Sik),최회권(Choi Hoi Kwon),장석윤(Chang Suk Yoon) 대한토목학회 2003 대한토목학회논문집 A Vol.23 No.5A

BIM 기반 사장교의 개념설계 및 예가분석 시스템 개발

천경식(Chun, Kyoung-Sik),박원태(Park Weon-Tae) 한국산학기술학회 2015 한국산학기술학회논문지 Vol.16 No.10

본 연구는 2주탑 3경간 사장교의 사업기획 단계에서 3차원 모델정보에 기반하여 신속한 개략 공사비 및 물량 산정을 지원하는 시스템을 개발하였다. 우선, 기 설계된 사장교 설계정보(구조계산서, 도면, 수량)를 분석하여 설계변수를 도출하였 다. 도출된 설계변수를 기반으로 매개변수적으로 사장교를 3차원 모델링하는 BIM Wizard를 개발하였다. BIM Wizard를 이용 해 작성된 3차원 모델로부터 사장교의 주요 재료에 대한 수량을 직접 산출하며, 케이블 교량에 대한 단가 D/B와 산출된 수량 을 연계하여 개략공사비를 산정할 수 있다. 결과적으로, 사업 초기단계에서 m당 혹은 m2당 실적 평균공사비를 산출하는 재래 적인 방식보다 더 구체화된 공사비를 산출할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이로써, 우리는 사장교에 대해 입찰단계에서 가능 한 신속하게 다양한 대안을 검토할 수 있을 것이다. This paper has developed the system for supporting the approximate construction cost and the quantity estimation based on 3D model information in the pre-project planning phase of 3-span continuous cable-bridge with 2-pylons. First of all, we’d analyzed the design information (structural design report, blueprint and quantity) of the existing cable-stayed bridges and derived the design variables of cable-stayed bridges. We developed the BIM wizard that generates a cable-stayed bridge model parametrically based on derived design variables. The principle material quantities of cable-stayed bridge are calculated directly from 3-dimensional bridge model built by using the BIM wizard. Then, we can estimate the construction cost in relation to its quantities and unit cost of cable-stayed bridge. In a result, we have established the system that the construction cost can be estimated more specific than the conventional method (construction estimates per meter or square meter). We hereby will be able to review various alternatives as soon as possible in bidding process.

일반철근(SD400) 용접 겹침이음에 관한 국내외 관련기준 및 인장실험

천경식(Chun, Kyoung Sik),송수용(Song, Su Yong),천성철(Chun, Sung Chul) 한국콘크리트학회 2017 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 Vol.29 No.1