3D 객체 모델과 구조해석 프로그램의 인터페이스 설계

박재근,김민희,이광명,최정호,신현목,Park, Jae-Geun,Kim, Min-Hee,Lee, Kwang-Myong,Choi, Jung-Ho,Shin, Hyun-Mock 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.3

최근 전세계적으로 3차원 객체 모델(3D Object Model)을 활용하여 건설 프로젝트의 생애주기 동안 참여주체들이 효과적으로 정보를 공유하고 관리할 수 있도록 하는 가상건설시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이 논문에서는 가상 공간에서 토목구조물의 해석 및 설계를 위하여 반드시 필요한 구조물의 3차원 객체모델과 구조해석 시스템과의 인터페이스 설계를 다루었다. 3D 객체모델 생성에 필요한 인관 매개변수모델링 기법과 구조물의 구조해석에 필요한 다양한 변수를 고려할 수 있는 제품계층구조(product breakdown structure, PBS) 구축 방안을 제시하였다. PBS 구성시 3D 객체 모델 정보로부터 구조 해석에 필요한 속성 정보만을 추출하여 해석 프로그램에 적용이 가능하게 하였으며, 협업작업에 의해 결정되는 여러 수치를 다시 객체정보로 추가 작업 없이 전달하여 3D 객체 모델과 연동되어 변화될 수 있는 인터페이스 프로그램 설계 방안을 제안하였다. 향후 이 연구의 결과를 기반으로 개발된 3D 객체모델과 구조해석 시스템의 인터페이스 프로그램이 가상건설 시스템 구현에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. Recently, the virtual construction system in which project participants efficiently share and control the information throughout the life-cycle of construction project using 3D object models is being developed all over the world. In this paper, a design of interface between 3D object model of structures and structural analysis system that is essential for the analysis and design of civil structures in the virtual space is treated. The relation parametric modeling technique that is needed to make the 3D object models and the construction method of product breakdown structure(PBS) that considers the several parameters for the structural analysis are presented. PBS is built so that it is possible to extract needed attribute information from 3D object model and to apply it to the structural analysis. Design methodology for interface program is proposed that several numerical values determined by the cooperative work same as structural analysis are delivered to 3D object models without additional work. An interface program between 3D object models and structural analysis system developed based on the proposed method would be effectively used to develop virtual construction system.

비선형거동과 구조물유체상호작용을 고려한 취수탑 내진모델의 보수성평가

이계희 ( Gye-hee Lee ),이명규 ( Myoung-kyu Lee ),홍관영 ( Kwan-young Hong ) 한국구조물진단유지관리공학회 2020 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.24 No.6

본 연구에서는 물로 둘러싸인 철근콘크리트 취수탑에 대한 비선형내진해석을 수행하였다. 구조물 주변의 유체를 고려하기 위하여부가질량 및 CEL을 이용한 유체구조물 상호작용 모델을 구성하였다. 이 때 부가질량모델은 음해법을 사용하였고 유체구조물 상호작용 모델은 양해법을 사용하였다. 입력운동은 동일한 인공지진을 재현주기에 따라 500년, 1000년, 2400년에 해당하도록 크기를 조절하였다. 유체를 고려한 모델의 보수성을 평가하기 위하여 유체를 고려하지 않은 모델을 구성하여 참조해로 삼았다. 콘크리트와 철근의 재료모델은 항복후의 비선형 거동을 고려할 수 있도록 선정하였고 ABAQUS를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석결과 얻어진 구조물의 가속도응답스펙트럼을 비교한 결과 주변 유체의 영향은 구조물의 기본 진동수에 해당하는 첨두의 진동수와 첨두값의 크기를 감소시키는 것으로 나타났다. 하지만 부가 질량 모델에서는 고차 진동수에 해당하는 첨두값에는 영향을 미치지 못하였다. 유체의 영향을 고려한 단면모멘트는 부가질량모델의 경우 참조모델의 응답에 비하여 크게 증가하였다. 특히 선형거동이 지배적인 작은 크기의 지진응답에 대해서 이러한 증폭이 크게 발생하였다. 유체구조물 상호작용 모델의 경우 낮은 진동수성분을 가진 단면모멘트는 참조모델의 응답에 비하여 증폭이 발생하나, 높은 진동수 성분을 단면 모멘트는 증폭이 발생하지 않았다. 이러한 결과를 종합하여 볼 때 부가질량모델의 보수성이 유체구조물상호작용 모델이 비해 큰 것으로 평가되었다. In this study, series of nonlinear seismic analysis were performed on a reinforced concrete intake tower surrounded by water. To consider the fluid effect around the structure, analysis models were composed using an added mass and CEL approach. At this time, the implicit method was used for the added mass model, and the explicit method was used for the fluid structure interaction model. The input motions were scaled to correspond to 500, 1000, and 2400 years return period of the same artificial earthquake. To estimate the counteractivity of the fluid coupled model, models without fluid effect were constructed and used as a reference. The material models of concrete and reinforcement were selected to consider the nonlinear behavior after yielding, and analysis were performed by ABAQUS. As results, in the acceleration response spectrum of the structure, it was found that the influence of the surrounding fluid reducing the peak frequency and magnitude corresponding to the fundamental frequency of the structure. However, the added mass model did not affect the peak value corresponding to the higher mode. The sectional moments were increased significantly in the case of the added mass model than those of the reference model. Especially, this amplification occurred largely for a small-sized earthquake response in which linear behavior is dominant. In the fluid structure interaction model, the sectional moment with a low frequency component amplifies compared to that of the reference model, but the sectional moment with a high requency component was not amplified. Based in these results, it was evaluated that the counteractivity of the additive mass model was greater than that of the fluid structure interaction model.

모듈러 구조물의 해석 모델이 지진응답에 미치는 영향

최경석,이호찬,김형준 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.2

모듈러 구조물은 관행적으로 철골 모멘트 저항골조와 유사한 횡력저항성능을 가진다는 가정하에 내진 설계된다. 하지만 모듈러 구 조물은 중첩된 구조 부재와 단위 모듈의 체결을 위한 복잡한 접합 상세를 가지기 때문에 철골 모멘트 골조와 다른 하중 전달 메커니즘을 가진 다. 본 연구에서는 중첩된 구조 부재 효과와 접합부의 거동 특성을 고려하여 총 4개의 구조해석 모델을 수립하였으며, 수립된 해석 모델을 이용 하여 3층과 5층 표본 건물에 대한 비선형 정적 해석을 수행하였다. 표본 건물은 중첩된 구조 부재와 접합부의 이력 거동에 대한 모델링 방법에 따라 강성 및 강도의 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 중첩된 구조 부재를 완전 합성, 모듈 간 접합부를 강접합으로 고려하여 설계된 모듈러 구조물은 횡 강성 및 강도가 과대 평가되는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 해석 결과를 통해 3층 이상의 모듈러 구조물은 철골 모멘트 저항골조 와 비교하여 상대적으로 적은 초과 강도를 가지는 것을 확인할 수 있다. Seismic design of modular structures is usually carried out under the assumption that their load-carrying mechanism is similar to that of traditional steel moment-resisting frames(SMRFs). However, the load carry mechanism of modular structures would be different with that of traditional SMRFs because of their overlapped structural elements and complicated details of connections for the assembly of the unit-modules. In this study, nonlinear static analyses of 3 and 5-story prototype modular structures have been carried out with four different analytical models, which are established in consideration for the effects of overlapped elements and the hysteretic behavior of connections. Prototype structures present different lateral stiffness and strength depending on the modeling of overlapped elements and the rotational behavior of connections. For modular structures designed under assumption that overlapped structural elements are fully composite each other and connections between unit-modules are fixed, their lateral strength and stiffness can be over-estimated. Furthermore, it is known from the analysis results that modular structures with more than 3-stories would possess relatively low overstrength compared to traditional SMRFs.

활하중 분배계수식 개발을 위한 I형 프리스트레스트 콘크리트 거더 교량의 구조해석 모델

이환우,김광양,Lee, Hwan-Woo,Kim, Kwang-Yang 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.1

I형 프리스트레스트 콘크리트 거더 교량의 활하중 분배계수식을 개발하기 위한 구조해석 모델은 해석결과의 적정성과 함께 모델링의 용이성도 동시에 가지고 있어야 한다. 그 이유는 활하중 분배계수식의 개발 과정에서 무수히 많은 횟수의 구조해석이 필요하기 때문이다. 본 연구에서는 기존 연구와 설계실무에서 사용하고 있는 모델들을 비교하여 적정한 구조해석모델을 선정하였다. 또한 수치해석과 재하시험 결과와의 비교를 통하여 방호벽과 가로보의 휨 강성이 활하중분배에 미치는 영향을 분석하였다. 연구결과로서 I형 프리스트레스트 콘크리트 거더 교량의 구조해석에는 편심을 반영한 거더, 방호벽 및 가로보를 바닥판에 연결시킨 모델이 해석결과의 정확성과 모델링의 편이성을 동시에 만족시키는 측면에서 적합하였다. 그러나 방호벽은 강성변화에도 불구하고 활하중분배에 미치는 영향이 미소한 것으로 분석되었다. 편심을 고려한 가로보는 휨 강성 25% 이상에서는 강성변화에 따른 영향이 적었다. 따라서 거더는 바닥판과의 편심을 고려하여 강체요소로 연결하고, 방호벽은 무시하고, 가로보는 전 단면이 유효한 것으로 가정한 상태에서 편심을 주지 않는 모델을 I형 프리스트레스트 콘크리트 거더 교량의 활하중 분배계수식의 개발을 위한 최종 구조해석 모델로서 선정하였다. Structural analysis models to develop live load distribution factors of simply supported prestressed concrete I-girder bridge should have the precision of the analysis results as well as modeling simplicity. This is due to the numerous frequency of structural analysis needed while developing live load distribution factors. In this study, an appropriate structural analysis model is selected by comparing previous researchs studies and models used in practical design. Also, the influence by the flexural stiffness of barrier and diaphragm on the live load distribution had been analyzed through comparing the numerical analysis and experimental tests. As a result, the model that the eccentric girder and the barrier and diaphragm are connected to the deck plate was appropriate in satisfying both accuracy and simplicity for structural analysis of simply supported prestressed concrete I-girder bridge. However, the barrier was analyzed to have insignificant influence on the live load distribution in spite of its variation of stiffness. The eccentric diaphragm showed little influence at 25% or higher of flexural stiffness. From the results, a model that the girder is rigidly connected to the deck plate in consideration of the eccentricity, the barrier is ignored and the whole section of diaphragm is supposed to be valid without eccentricity is decided as the most appropriate structural model to develop the live load distribution factors of simply supported prestressed concrete I-girder bridge in this study.

가상 층간 구조 페리다이나믹 해석의 파동 전파 특성 검토

하윤도 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.4

다중적층구조는 상대적으로 두꺼운 주 적층구조(ply)와 얇은 층간구조(interlayer)를 반복하여 붙여서 만들어진다. 적층구조의 동적 파괴 페리다이나믹 해석을 효율적으로 수행하기 위해 주 적층구조만 실제 페리다이나믹 절점으로 모델링하고 층간구조는 가상의 절점으로 간략히 모델링하는 비국부 가상 층간구조 모델링 기법을 도입한다. 이를 통해 얇은 층간구조의 수치적 이산화 정도는 무시하고 상대적으로 두꺼운 주 적층구조를 해석하기에 적절한 수준의 수치적 이산화만으로 효율적인 페리다이나믹 모델링 및 해석을 수행할 수 있다. 본 연구에서는 가상 층간 구조 페리다이나믹 해석의 파동 전파 특성을 분석한다. 층간 구조는 인접한 적층판들을 접합하는 역할뿐만 아니라 적층판 사이의 에너지 전달 특성에도 영향을 주기 때문에 적층구조물의 변형 및 운동에도 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다. 또한 경계 근처에서 페리다이나믹 절점은 불완전한 형태의 비국부 영역을 구성하는데, 이를 통해 완전한 비국부 영역을 구성하는 내부 절점과 경계 근처의 절점에서 재료 물성치 효과가 달라지게 된다. 본 연구에서는 이와 같은 표면 효과를 보정하기 위해 비국부 체적 기반의 보정법을 도입하고, 표면 효과 보정이 다중적층 구조물의 파동 전파에 미치는 영향을 조사한다. Multilayered structures include lamination by relatively thick plies and thin interlayers. For efficient peridynamic analysis of dynamic fracturing multilayered structures, the interlayer is modeled using ghost peridynamic particles while the ply is formulated via real peridynamics. With the nonlocal ghost interlayer, one may keep the discretization resolution low for the ply. In this study, the characteristics of dynamic wave propagation through the nonlocal ghost interlayer in peridynamic analysis are investigated. It is observed that the interlayer not only binds adjacent plies, but also significantly influences energy transfer between plies, and thereby their deformation and motion. In addition, near a surface or boundary, peridynamic particles do not have a full nonlocal neighborhoods. This causes the effective material properties near the surface to be different from those in the bulk. Surface correction based on neighborhood volumes is employed. The impact of surface correction on wave propagation in multilayered structures is investigated.

접합부 유한요소해석을 바탕으로 한 모듈러 구조물의 힌지접합부 수치해석적 연구

김문찬,홍기섭 한국전산구조공학회 2022 한국전산구조공학회논문집 Vol.35 No.1

This paper introduces research on the hinge joint of modular structure joints using finite element analysis. The modular structure has acharacteristic in that it is difficult to expect the integrity of columns and beams between unit modules because the construction is carried outsuch that the modules are stacked. However, the current modular design ignores these structural characteristics, considers the momenttransmission for the lateral force, and analyzes it in the same manner as the existing steel structure. Moreover, to fasten the moment bonding,bolts are fastened outside and inside the module, resulting in an unreasonable situation in which the finish is added after assembly. To considerthe characteristics that are difficult to expect, such as unity, a modular structure system using hinge joints was proposed. This paper proposedand reviewed the basic theory of joints by devising a modified scissors model that is modified from the scissors model used in other research toverify the transmission of load when changing from the existing moment junction to a hinge junction. Based on the basics, the results wereverified by comparing them with Midas Gen, a structural analysis program. Additionally, the member strength and usability were reviewed bychanging the modular structure designed as a moment joint to a hinge joint. 본 논문에서는 유한요소해석을 통한 모듈러 구조물 접합부의 힌지접합부 연구에 관하여 소개한다. 모듈러 구조물은 모듈과 모듈을적층하는 방식으로 공사를 진행하여 단위 모듈간의 기둥 및 보의 일체성을 기대하기 어려운 특성을 가지고 있다. 그러나 현 모듈러 설계 시 이러한 구조적 특성을 무시하고 횡력에 대한 모멘트전달을 고려하여 기존 강구조와 동일한 방식으로 해석하고 있다. 더구나 모멘트접합을 체결하기위해 모듈러 외부뿐만 아니라 내부에서 볼트 체결이 이루어져 조립 후 마감을 추가하는 불합리한 상황도 발생한다. 이러한 일체성을 기대하기 어려운 특성을 고려하기 위하여 힌지접합을 활용한 모듈러구조시스템을 제안하였다. 논문에서는 기존의 모멘트접합부에서 힌지접합부로 변경하였을 때 하중의 전달을 확인하기 위하여 이전 다른 연구에서 활용되었던 가위 모델을 변형한 변형 가위 모델을 고안하여 접합부의 기본 이론을 제안·검토하였고, 기본을 바탕으로 계산된 결과는 구조해석 프로그램인 마이다스 젠과 비교하여 검증하였다. 추가적으로 기존 모멘트접합부로 설계되었던 모듈러구조물을 힌지접합부로 변경하여 부재내력 및 사용성을 검토하였다.

재료모델 변화에 따른 아치형 해저 케이블 보호구조물의 충돌 특성

우진호,나원배,Woo, Jin-Ho,Na, Won-Bae 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.6

콘크리트와 철근의 재료모델 그리고 스톡앵커의 낙하거리 변화에 따른 아치형 해저 케이블 보호구조물의 충돌특성을 분석하였다. 콘크리트의 재료모델로는 plastic kinematic모델과 Johnson-Holmquist Concrete모델이, 철근의 재료모델은 선형탄성모델과 plastic kinematic모델이 고려되었다. 스톡앵커의 무게는 2ton이며 낙하거리는 3, 5, 8.83m로 선정되었다. 충돌해석을 위해 유한요소해석 프로그램 ANSYS가 사용되었고, 해석시간 단축을 위해 낙하거리를 초기속도로 변화하는 기법을 사용하였다. 낙하거리 변화에 따른 재료모델의 민감성을 분석한 결과, 콘크리트의 충돌응답은 콘크리트모델에 민감하고 철근의 충돌응답은 일차적으로 철근모델에 이차적으로 콘크리트모델에 민감함을 알 수 있었다. In the study, we analyzed the collision characteristics of a so-called arch-type submarine cable protector by considering the changes in drop heights of a stock anchor and material models for concrete and steel reinforcing bars. We considered plastic kinematics model and Johnson-Holmquist Concrete model for the concrete and linear elastic model and plastic kinematics model for the reinforcing bars. The drop heights of 2-ton stock anchor were selected as 3, 5, and 8.83m, respectively. ANSYS, a finite element analysis program, was used for the collision analysis. To save computational time, we converted those drop heights into initial velocities by the principle of energy conservation. From the sensitivity of the material models on the drop height changes, it is shown that the collision response of the reinforcing bars is sensitive firstly on the steel models and secondly on the concrete models, while the collision response of the concrete is sensitive only on the concrete models.

유연한 지붕을 갖는 단층 건물의 동적응답 예측을 위한 해석모델링 방법과 구조변수의 설정

김상철,Donald W. White 한국전산구조공학회 2003 한국전산구조공학회논문집 Vol.16 No.3

The purpose of the study presented in this paper is to develope the general model for capture of the linear and nonlinear response of a flexible diaphragm building in which there are significant contributions from the out-of-plane walls. Two single-story single-diaphragm half scale reinforced masonry buildings were tested by researchers at the United States Army Construction Engineering Research Laboratory (CERL). The first had a metal deck diaphragm. The second specimen had a diaphragm with a single layer of diagonal lumber sheathing, A multiple degree of freedom (MDOF) approach is adopted in this paper. The required stiffnesses and strengths of the components within this model are determined. 본 논문에서는 유연한 철제와 목조 지붕구조체를 가진 1/2 축소 전단벽 건물의 진동대 실험결과를 이용한 성공적인 구조물의 재해석과 선형ㆍ비선형 동적특성을 연구하기 위한 해석모델링 방법에 대해서 연구하였다. 대상 건물은 유연한 지붕구조체와 4개의 보강조적조 전단벽으로 구성되어 있다. 유연한 지붕구조체의 동적특성 때문에 다자유도 모델을 사용하였으며, 다수의 선형 및 비선형 동적해석을 실행하기 위하여 구조물의 자유도를 단순화하였다. 각각의 구조부재의 이력특성과 재료특성 그리고 동적해석을 수행하기 위한 주요 구조변수의 적절한 설정 방법에 대하여 고찰하였다.

축소모델을 이용한 대형 감쇠 구조물의 내진성능평가

정인용,허우영,전병구,이진호,이은석,박창희 한국강구조학회 2023 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.35 No.6

대형구조물의 효율적인 내진성능평가를 위해 본 연구에서는 축소모델을 사용하였다. 원 구조물과 축소모델의 등가성을확인하기 위해 감쇠장치가 설치된 구조물의 비선형정적해석을 이용한 등가감쇠비 비교를 진행하였다. 축소모델을 직접적분법과 모드중첩법을 통해 시간이력해석을 진행하여 결과의 유사성을 확인하였다. 이상의 결과를 통해 원 구조물과 축소모델의 등가성을 확인하였으며, 축소모델의 비선형시간이력해석을 통해 감쇠장치 설치 전/후로 내진성능의 변화를 비교하였다. 또한, 감쇠장치의 종류를달리해 가며 내진성능을 비교하였다. 이상의 결과를 통해 축소모델을 통한 대형구조물의 내진성능평가 결과가 타당함을 확인하였다. A reduced model was used for efficient seismic performance evaluation of a large-scale structure. To confirm the equivalence of the original structure and the reduced model, a comparison of equivalent damping ratios was carried out using nonlinear static analysis of a structure equipped with dampers. The similarity of the results was confirmed by conducting time history analysis of the reduced model through direct integration and mode superposition methods. Through these results, the equivalence of the original structure and the reduced model was confirmed, and changes in seismic performance before and after damper installation were compared through nonlinear time history analysis of the reduced model. Additionally, seismic performance was compared by varying the type of dampers. Through these results, the validity of seismic performance evaluation of a large-scale structure using a reduced model was confirmed.

모듈러 구조물의 해석 모델이 지진응답에 미치는 영향

최경석,이호찬,김형준 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.2

Seismic design of modular structures is usually carried out under the assumption that their load-carrying mechanism is similar to that oftraditional steel moment-resisting frames(SMRFs). However, the load carry mechanism of modular structures would be different with that of traditionalSMRFs because of their overlapped structural elements and complicated details of connections for the assembly of the unit-modules. In this study,nonlinear static analyses of 3 and 5-story prototype modular structures have been carried out with four different analytical models, which are establishedin consideration for the effects of overlapped elements and the hysteretic behavior of connections. Prototype structures present different lateral stiffnessand strength depending on the modeling of overlapped elements and the rotational behavior of connections. For modular structures designed underassumption that overlapped structural elements are fully composite each other and connections between unit-modules are fixed, their lateral strengthand stiffness can be over-estimated. Furthermore, it is known from the analysis results that modular structures with more than 3-stories would possessrelatively low overstrength compared to traditional SMRFs. 모듈러 구조물은 관행적으로 철골 모멘트 저항골조와 유사한 횡력저항성능을 가진다는 가정하에 내진 설계된다. 하지만 모듈러 구조물은 중첩된 구조 부재와 단위 모듈의 체결을 위한 복잡한 접합 상세를 가지기 때문에 철골 모멘트 골조와 다른 하중 전달 메커니즘을 가진다. 본 연구에서는 중첩된 구조 부재 효과와 접합부의 거동 특성을 고려하여 총 4개의 구조해석 모델을 수립하였으며, 수립된 해석 모델을 이용하여 3층과 5층 표본 건물에 대한 비선형 정적 해석을 수행하였다. 표본 건물은 중첩된 구조 부재와 접합부의 이력 거동에 대한 모델링 방법에따라 강성 및 강도의 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 중첩된 구조 부재를 완전 합성, 모듈 간 접합부를 강접합으로 고려하여 설계된 모듈러구조물은 횡 강성 및 강도가 과대 평가되는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 해석 결과를 통해 3층 이상의 모듈러 구조물은 철골 모멘트 저항골조와 비교하여 상대적으로 적은 초과 강도를 가지는 것을 확인할 수 있다.