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XFINAS 계면요소와 고체요소를 이용한 콘크리트-강재 합성구조물의 비선형 거동해석
김기두,수타스트라디트 송삭,박종화,박재균,Kim, Ki-Du,Suthasupradit, Songsak,Park, Jong-Hwa,Park, Jae-Gyun 한국전산구조공학회 2010 한국전산구조공학회논문집 Vol.23 No.3
합성구조는 전체가 동일한 재료 특성을 가지는 구조와는 달리 서로 다른 특성 즉 강재와 콘크리트의 구조로 결합되어 있다. 따라서 실제 모델링 시 이러한 재료 특성을 반영하지 않으면 실제 거동을 예측할 수 없으므로 콘크리트와 강재 사이에 인터페이스 요소를 연결하여 강재와 콘크리트의 슬립을 예측할 수 있게 한다. 인터페이스 요소는 일반적으로 사용되는 구성방정식은 적합하지 않고 실제 부착 및 슬립을 고려한 비선형 구성 방정식을 사용하여야만 적절히 사용할 수 있다. 이 계면요소를 이용하여 판형 강재 박스와 콘크리트의 접촉면을 묘사하였다. 그리고 강재 박스의 휨-좌굴 거동을 묘사하기 위해서는 일반적인 8절점 적합 요소의 사용은 부적절하므로 판형 강재 박스는 보강 변형도(Enhanced Assumed Strain) 고체요소를 사용하여 휨거동을 묘사할 수 있게 하였다. Unlike the structure which has a homogeneous material property, a composite structure is coupled with materials which have different properties, namely, steel and concrete. At actual modeling, the real behavior cannot be predicted without consideration of those material characteristics. Therefore, by putting the interface element between concrete and steel, a slip of steel and concrete is made predictable. Interface element can be used properly not by an ordinary constitutive relation, but by a non-linear constitutive relation considering actual adhesion and slip. A contact surface between plate-shape steel box and concrete is described by using this interface element. Furthermore, because the general 8 node conforming element is inappropriate for describing a bending buckling behavior of steel box, the EAS(Enhanced Assumed Strain) solid-shell element is used to describe a bending behavior of plate-shape steel box.
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PSC 교량의 3차원 시공 중 해석기법을 위한 준적합 쉘 요소 개발
김기두,변윤주,김현기,롬보이,송삭,김영회,Kim, Ki-Du,Byun, Yun-Joo,Kim, Hyun-Ky,Lomboy, Gilson R.,Suthasupradit, Songsak,Kim, Young-Hoe 한국전산구조공학회 2007 한국전산구조공학회논문집 Vol.20 No.3
PSC 박스 교량은 콘크리트, 철근과 텐던으로 구성된 구조물로서 콘크리트의 인장 균열, 철근의 비선형 거동 등 재료의 비선형성 거동 특성 및 콘크리트의 시간 의존적 특성을 가지고 있는 복합 구조물이다. PSC 박스 교량의 시공 중 거동 특성을 고려하기 위하여 뼈대 요소(프레임 요소)를 이용한 시공단계의 설계가 수행되고 있다. 그러나 PSC 박스 교량 중 곡선램프교 등의 경우는 교량의 외측 및 내측의 변위 및 응력 값이 현저히 다르다. 따라서 PSC 박스 교량의 텐던량 및 시공 중 긴장력이 외측 및 내측에서 다르게 산정되어야 함에도 불구하고 현실적으로는 계산이 불가능하여 같은 양의 텐던과 부적절한 긴장력을 사용하고 있어 시공 중 항상 안전사고에 노출되고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 3차원 해석이 필수적으로 요구되고 있으며 본 연구에서는 PSC 박스 교량의 해석 기법에 필요한 준 적합 쉘 요소를 제안하고자 한다. The PSC box bridge constructed of concrete, reinforcing bar and tendon is a complex structure that exhibits tension cracks, nonlinear behaviour of steel and time dependent behaviour of concrete. The frame element is commonly used for construction stage analysis PSC bridges. However, the frame element does not show sufficient information when in the curved PSC box bridges. For the case of curved PSC bridges, the deformations in the inner and outer web are different. In this case, different jacking forces are required in the inner and outer webs. However, it is impossible to calculate different jacking forces if we use the frame element for construction stage analysis. In order to overcome this problem, the use of the shell element is essential for a three-dimensional construction stage analysis of PSC bridges. In the following, the formulation of a Quasi-conforming shell element and its application of PSC box girder bridge analysis are presented.
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Finite Element Modelling of Axially Compressed GFRP Cylindrical Panels
김기두,Kim, Ki Du Korean Society of Civil Engeneers 1993 대한토목학회논문집 Vol.13 No.4
복합재료를 효과적으로 사용하기 위하여 복합재료 구조물의 설계기준 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 금속 셀의 좌굴에 대한 설계시에는 초기 결함의 영향과 탄성임계좌굴응력을 근거로 한 녹다운계수(Knock-down factor)를 정의하는 것이 중요한 과정이나 복합재료 쉘의 좌굴에 대한 설계시에는 초기 결함에 대한 민감도가 거의 연구되어 있지 않은 실정이다. 복합재료 쉘의 좌굴거동에 영향을 주는 설계변수는 많기 때문에, 쉘의 설계시 이 변수들로 인한 초기 결함 민감도를 분석하기 위하여 많은 실험을 필요로 하고 있으며 실험 이외의 다른 방법으로서는 이미 검증된 수치모델을 사용하는 것이다. 본 논문에서는 복합재료 쉘요소를 개발하는데 사용된 이론을 요약, 정리 하였으며 수치예제를 통하여 본 연구에서 제안한 쉘요소의 정확성을 검증하였다. 그리고 축방향으로 압축을 받는 GFRP 곡선형 판넬의 설계시 고려해야 하는 각 변수들을 다양하게 변화시키면서 좌굴거동에 미치는 영향을 유한요소 모델링에 의해 고찰하였다. 방법으로서 초기 결합 및 두께의 진폭을 고려한 비선형 해석과 고유치 해석을 수행하였으며 이 결과를 이용하여 녹다운 계수를 산출하였다. In order to promote the efficient use of composite materials, effort is currently being directed at the development of design criteria for composite structures. Insofar as design against buckling is concerned, it is well known that, for metal shells, a key step is the definition of 'knockdown' factors on the elastic critical buckling stress accounting mainly for the influence of initial geometric imperfections. At present, the imperfection sensitivity of composite shells has not been explored in detail. Due to the large number of parameters influencing buckling response (considerably larger than for isotropic shells), a very large number of tests would be needed to quantify imperfection sensitivity experimentally. An alternative approach is to use validated numerical models for this task. Thus, the objective of this paper is to outline the underlying theory used in developing a composite shell element and to present results from a validation exercise and subsequently from a parametric study on axially loaded glass fibre-reinforced plastic (GFRP) curved panels using finite element modelling. Both eigenvalue and incremental analyses are performed, the latter including the effect of initial geometric imperfection shape and amplitude, and the results are used to estimate 'knockdown' factors for such panels.
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대형 디젤 엔진의 연료 분사 노즐 형상이 NOx 발생량 및 연료소비율에 미치는 영향 연구
김기두,하지수,윤욱현,Kim Ki-Doo,Ha Ji-Soo,Yoon Wook-Hyeon 한국마린엔지니어링학회 2004 한국마린엔지니어링학회지 Vol.28 No.7
Numerical simulations have been carried out to investigate the effect of nozzle hole geometry on the combustion characteristics of the large diesel engine. 6S90MC-C. Spray and combustion phenomena were examined numerically using FIRE code. Wane breakup and Zeldovich models were adopted to describe the atomization characteristics and NOx formation processes. Predictions on the cylinder peak pressure and NOx emission were first verified with the experimental data to confirm the reliability of numerical calculations. The comparison results showed good agreements within the range of 0.64% and 4.6% respectively. Finally, the effects of fuel spray angle and diameter on the engine performance were investigated numerically to find the optimum nozzle hole geometry considering fuel consumption, NOx emission and heat flux of the combustion chamber wall. It was concluded that the combustion gas recirculation in cylinder by changing fuel injection direction is an effective method to reduce NOx emission by about 10% with increasing fuel oil consumption, 1.4% in a large diesel engine.
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