축방향변형요소-점소성요소 조합해석기법을 이용한 변형률속도에 따른 구조물의 응답해석

임윤묵(Lim Yun Mook),신승교(Shin Seung Kyo),박주완(Park Ju Wan) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 A Vol.27 No.5A

기존의 실험결과에 의하면 구조재료의 인장ㆍ압축강도 등과 같은 재료특성은 하중의 재하속도가 변함에 따라 달라지는 현상을 보인다. 따라서 지진이나 충격하중과 같이 고변형률속도를 가진 하중에 의한 구조물의 거동을 정확하게 파악하기 위해서는 변형률속도에 의존적인 구조재료의 역학적인 특성을 고려한 해석이 필수적이다. 본 연구에서는 변형률속도에 따른 구조물의 거동해석을 위하여 탄-점소성모델과 축방향변형요소를 조합한 새로운 수치해석 기법을 개발하였다. 개발된 수치해석기법의 검증을 위하여 직접인장 및 휨하중이 작용하는 경우에 대한 기존 실험결과와 수치해석결과의 비교ㆍ검토를 수행하였다. 검증된 수치해석기법을 이용하여 정적하중 재하시와 충격하중 재하시 접합부를 가지고 있는 보-기둥 구조물의 하중-변위거동 및 파괴거동을 검토하였다. 또한, 변형률속도를 3×10??/s 에서부터 3×10?¹/s 까지 변화시켜 매개변수해석을 수행하여 변형률 속도에 따른 구조물의 손상범위를 검토하고 구조물의 파괴형상이 연성파괴에서 취성파괴로 전이되는 변형률속도의 한계값을 수치해석적으로 규명하였다. From the material point of view, concrete shows an increase in tensile strength and compressive strength as the strain rate increases, and the change in failure mode from ductile to brittle also happens. Thus, understanding the behavior of concrete subjected to high strain rate loading such as earthquake or impact is essential. This study proposes a numerical method that can predict the strain rate effect of concrete. Developed numerical model uses coupled axial deformation link element (ADLE) and elasto-viscoplastic element as a basic element. To verify the numerical method, simulations of uniaxial and three-point bending specimen are performed and the predicted responses are compared with experimental results. Concrete beam-column is simulated to investigate the load-deflection response and failure mode under static and impact loading. A parameter study regard?ing strain rate from a value of 3×10??/s to a value of 3×10?¹/s is conducted to investigate the damage range of concrete and a limit value of strain rate from which the failure mode changes from ductile to brittle.

Crack Band Model 기반 손상변수를 이용한 탄소섬유강화 복합재료 적층판의 점진적 파손 거동 예측 및 검증

윤동현,김상덕,김재훈,도영대 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.5

In this paper, a progressive failure analysis method was developed using the Hashin failure criterion and crack band model. Using the failure criterion, the failure initiation was evaluated. If the failure initiation is occurred, the damage variables at each failure modes (fiber tension & compression, matrix tension & compression) was calculated according to linear softening degradation behavior and the variables are used to derive the damaged stiffness matrix. The damaged stiffness matrix is reflected to damaged material and the progressive failure analysis is continued until the damage variables to be 1 that complete failure of material. A series of processes were performed using FE commercial code ABAQUS with user defined material subroutine (UMAT). To evaluate the proposed progressive failure model, the experimental results of open hole composite laminate tests was compared with numerical result. Using digital image correlation system, the strain behavior also was compared. The proposed numerical results were coincided well with the experimental results. 본 논문에서는 Hashin 파손 기준식과 crack band 모델이 접목된 손상변수를 이용하여 점진적파손해석 방법이 개발되었다. 파손기준식을 이용하여 파손의 개시 유무가 판단된다. 파손이 개시된 경우에는 각 파손모드(섬유 인장/압축, 기지 인장/압축)에서 손상변수가 선형 열화 거동에 따라 계산되고, 손상강성행렬을 계산하는데 사용된다. 손상강성행렬은 손상된 재료에 반영되고, 계산된 손상강성행렬을 이용하여 재료의 완전한 파괴를 의미하는 손상변수가 1인 시점이 되기까지 점진적 파손해석이 계속해서 반복적으로 수행된다. 일련의 과정들은 상용해석프로그램인 ABAQUS에 사용자 정의 부프로그램을 이용하여 수행되었다. 제안된 점진적파손해석 도구의 검증을 위하여, 원공을 가진 복합재료 적층판의 시험 결과와 비교를 수행하였으며, 시험 중 디지털 이미지 상관법을 이용하여 획득한 변형률 거동과 해석을 통해 획득한 변형률 거동을 비교하였다. 제안된 해석결과는 시험 결과와비교하여 유효한 일치를 보였다.

개방형 퍼포본드로 보강된 강관말뚝머리의 인발 및 압발거동에 관한 매개변수 해석

김영호(Kim Young-Ho),강재윤(Kang Jae-Yoon),유승운(Yoo Seung-Woon) 대한토목학회 2009 대한토목학회논문집 A Vol.29 No.6A

강ㆍ콘크리트 합성구조에서 강재와 콘크리트 사이의 경계면에 효과적인 응력전달과 합성거동을 유도하기 위하여 스터드, 채널, 유공강판 등이 사용된다. 많은 연구자들이 여러 종류의 전단연결재의 특성을 개선시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 본 연구에서는 확대기초와 말뚝과의 합성을 위해 개방형 퍼포본드로 보강된 강관 말뚝머리의 인발 및 압발거동을 분석하였다. 다양한 변수해석에서 요구되는 자료를 제공하고자 비선형 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 매개변수해석을 수행하였다. Various kinds of shear connectors such as headed stud, channel, perforated steel plate and others are commonly used to transfer stress and conduct composite performance in steelㆍconcrete composite structures, and many researches have been conducted to improve the characteristics of different types of shear connectors. It is focused in this study on the pull-out and push-out performance of steel pipe pile cap with the open type perfobond for the composite connection to the spread footing. A parameter analysis was conducted, using ABAQUS, a nonlinear finite element analysis program, to obtain data for determining the characteristics of the structure and to allow various parametric analyses of steel pipe cap with the open perfobond.

RC연결구조를 적용한 무조인트화 교량의 거동 연구

이영천,장일영 한국복합신소재구조학회 2020 복합신소재구조학회논문집 Vol.11 No.2

본 연구에서는 공용중 교량의 신축이음장치를 RC연결구조로 대체한 무조인트화 교량의 거동 평가를 위하여 매개변수해석 수행하였다. 먼저, 무조인트화 교량에 대한 4가지 형식의 수치해석 모델을 평가하였다. 교량연장과 사각에 대한 연구결과, 3차원 입체요소 모델을 적용하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 다음으로, RC연결구조 무조인트화 교량의 매개변수 해석을 수행하였다. 직접기초 교대의 해석결과, 지반과 구조물 강성이 증가할수록 교대 기초에서 휨모멘트가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 말뚝기초 교대 무조인트 교량의 경우, 매개변수 변화로 교축방향 강성이 증가하는 경우 RC연결구조 축력이 증가하는 것으로 나타났다. This study conducted a parametric analysis to evaluate the behavior of jointless bridges by replacing the expansion joints of existing bridges with reinforced concrete (RC) connection. First, four types of numerical analysis models were evaluated. Because of the analysis considering the bridge length and skew, it is reasonable to apply the three-dimensional solid element model. Next, parametric analysis of the jointless bridges of the RC connection was performed. In the case of abutment with a direct foundation, the application was restricted because the bending moment of the footing occurred excessively. In the case of abutment with a pile foundation, the axial force of the RC connection decreased as the longitudinal stiffness decreased.

부분구조법에 의한 지반-구조물상호작용시스템의 지진응답 매개변수 연구

박형기,조양희 한국지진공학회 1998 한국지진공학회논문집 Vol.2 No.1

동적 지반-구조물해석과정에는 수많은 불확실성 요소가 내재되어 있다. 이러한 요소는 입력운동의 정의, 지반-구조물시스템의 모델작성, 해석기법 등에 포함된다. 이 논문은 점탄성 층상지반상의 원자로건물의 지진응답에 대한 매개변수해석을 수행한 결과를 제시한 것이다. 많은 매개변수 중에 입력운동의 정의위치, 구조물의 묻힘정도, 상부토층의 두께와 지반의 강성을 선택하여 지진응답에 미치는 영향을 중점적으로 이 연구에서 다루었다. 해석방법은 진동수에 무관한 지반임피던스를 사용하는 부분구조법인 시간영역에서의 모드중첩법이다. 지반-구조물시스템의 모드감쇠값은 각 모드에 대해 변형에너지에 대한 소멸에너지의 비를 구하여 결정되었다. 이 연구결과로부터 부분구조법에 의한 지반-구조물상호작용해석법의 실용적 이용에 참고할 수 있는 지진응답에 미치는 각 파라메터의 민감도가 제시되었다. In the dynamic soil-structure interaction(SSI) analysis, numerous uncertain parameters are involved. They include the uncertainties in the definition of input motions, modeling of soil-structure interaction systems. analysis techniques, etc. This paper presents the results of parametric studies of the seismic responses of a reactor containment structure built on the viscoelastic layered soil. Among the numerous parameter, this study concentrates on the effects of definition point of the input motion, embedment of structure to the base soil, thickness of the top soil layer, and rigidity of the base soil. The substructure method using frequency independent impedances is adopted. The method is based on the mode superposition method in time domain using the composite modal damping values of th SSI system computed from the ratio of dissipated energy to the strain energy for each model. From the study results, the sensitivity of each parameter on the earthquake responses has been suggested for the practical application of the substructure method of SSI analysis.

최적설계에서 파일래퍼에 관한 연구

김태권 江南大學校産學技術硏究所 2004 산학기술연구소논문집 Vol.- No.18

최적설계의 신기술인 다분야통합최적설계 기술은 구조해석, 동역학, 열유체, 유동해석 등 여러 분야의 공학적 원리들을 동시에 고려하여 균형적이고 유기적인 방법으로 최적의 설계 결과를 도출함으로써 제품의 성능향상, 개발기반 단축, 원가절감을 달성하게 한다. 최적화기는 최적의 설계를 얻기 위하여 설계변수를 적절한 방향으로 변화시키면서 설계를 제안하고, 해석기가 이를 해석하여 목적함수를 충족하는지 검사하는 과정을 반복적으로 실행한다. 본 논문에서는 최적화기와 해석기 사이에 설계변수를 전달하고 해석 결과를 최적화기로 전달하는 파일래퍼를 설계하고 구현한다. 파일래퍼는 분산환경에서 구성요소들 사이에 해석기에 대한 입력을 만들어내고 해석기의 출력으로부터 결과 값을 추출하여 설계변수 값을 효과적으로 전달하여 유기적으로 연동시킨다. 파일래퍼는 설계 과정을 자동화시켜 최적의 설계를 체계적이고 효율적으로 얻을 수 있음을 보였다.

축대칭 및 섹터 해석 모델을 활용한 가스터빈 엔진 디스크의 형상 변수 고찰

허재성(Jae Sung Huh) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.6

가스터빈엔진의 핵심 부품인 디스크와 블레이드는 고효율, 수명주기 동안의 운용비 최소화 등의 요구조건으로 고온의 터빈입구 온도, 고압축비, 고속 환경에서 지속적으로 운용된다. 이러한 가혹한 환경에서의 구조 안전성을 평가하기 위해서는 재료 모델링과 유한요소해석 기법 등이 필수적이며 더 나아가 형상최적화가 반드시 요구된다. 본 연구에서는 터빈 디스크의 구조 건전성을 평가하기 위해 2 차원 축 대칭 및 섹터 모델을 생성하고, 열-구조 연성해석과 접촉 해석을 포함한 유한요소 해석을 수행하고자 한다. 이를 근거로 터빈 디스크에서 구조적으로 취약한 2 개의 영역인 디스크 보어와 디스크와 블레이드의 연결 부위인 도브테일에 대해 형상변수 고찰을 하고자 한다. 최종적으로 형상변수 결과를 기초로한 개선된 디스크 형상을 제안함과 동시에 좀 더 정교한 형상최적화가 필요함을 확인한다. Turbine blades and disc, which are one of the most important rotating parts of a gas turbine engine, are required to have highly efficient performance in order to minimize the total life cycle costs. Owing to these requirements, these components are exposed to severe conditions such as extreme turbine inlet temperatures, high compression ratios, and high speeds. To evaluate the structural integrity of a turbine disc under these conditions, material modeling and finite element analysis techniques are essential; furthermore, shape optimization is necessary for determining the optimal solution. This study aims to generate 2D finite element models of an axisymmetry model and a sector one and to perform thermal-structural coupled-field analysis and contact analysis. Structurally vulnerable areas such as the disc bore and disc-blade interface region are analyzed by a parametric study. Finally, an improved design is provided based on the results, and the necessity of elaborate shape optimization is confirmed.

FRP그리드로 보강된 콘크리트 보의 유한요소해석

이정풍,홍기남,연영모,지상원 한국복합신소재구조학회 2022 복합신소재구조학회논문집 Vol.13 No.1

This paper presents the results of an analytical study that predicts the bending performance of the concrete beams reinforced with FRP grids. To predict the bending performance, finite element analysis was performed using LS-DYNA, a commercial structural analysis program. The bond–slip between concrete and the FRP grid was considered during the finite element analysis, and the BEAM_IN_SOLID model was applied as the constraint between concrete and the FRP grid. Subsequently, the the accuracy of the proposed finite element analysis model was verified through the experimental results performed by several domestic researchers. The ratios of the analysis values to the displacement experimental values at the maximum load and the maximum load were 0.990 and 0.924 and the standard deviations were 0.056 and 0.087, respectively. A parametric analysis was performed using the proposed finite analysis model to apply the CFRP grid instead of the reinforcing bar to increase the tension in the concrete beam. It was confirmed that the compressive strength of concrete, the number of layers of the FRP grid, and the effective depth of the FRP grid are important factors for the flexural performance of the concrete member reinforced with the CFRP grid. 본 논문은 FRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능을 예측하기 위한 해석적 연구결과를 제시한다. FRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능 예측을 위해 상용구조해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 유한요소해석이 수행되었다. 유한요소해석 시 콘크리트와 FRP 그리드 간의 본드-슬립을 고려하였으며, 콘크리트와 FRP 그리드의 구속조건은 BEAM_IN_SOLID 모델이 적용되었다. 이후, 국내 여러 연구자들에 의해 수행된 실험 결과의 재현해석을 통해 제안된 유한요소해석 모델의 정확성이 검증되었다. 최대하중, 최대하중 시의 변위 실험값에 대한 해석값의 비는 각각 0.990, 0.924, 표준편차 각각 0.056, 0.087로 제안된 해석모델은 FRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능을 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 제안된 유한해석모델을이용하여 콘크리트 보의 인장재로 철근이 아닌 CFRP그리드를 적용하기 위한 매개변수해석이 수행되었으며, 콘크리트 압축강도, FRP그리드의 겹 수, FRP그리드의 유효깊이는 CFRP그리드로 보강된 콘크리트 부재의 휨성능에 중요한 인자임을 확인하였다.

I형 프리스트레스트 콘크리트 거더교의 활하중 분배

이환우,김광양,Lee, Hwan-Woo,Kim, Kwang-Yang 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.4

표준 I형 프리스트레스트 콘크리트 거더교(I형 PSC 거더교)는 우리나라의 중 소 지간 교량에서 가장 많이 적용되는 교량형식이다. 이 교량 형식의 상부거더 안전성을 판단하기 위해 설계단면력을 결정할 때 유한요소법 등을 이용한 정밀한 해석보다는 설계기준들에서 제시한 활하중 분배계수나 단순화된 실용식을 일반적으로 이용하고 있다. 한편, 우리나라의 설계 실무에서 사용되는 활하중 분배계수는 대부분 외국의 연구결과나 설계기준이 그대로 반영된 것들이다. 따라서 표준 I형 PSC 거더교의 교량단면과 부재의 설계 기준강도 등을 고려한 우리나라의 설계여건에 적합한 활하증 분배계수식의 개발이 필요하였다. 본 연구에서는 활하중 분배계수식을 개발하기 위하여 교량의 폭, 지간길이, 주형간격과 차로폭 등에 대한 수많은 매개변수 해석과 민감도해석을 수행하였다. 그 결과 분배계수의 크기를 결정하는 주된 변수들로서 외측주형의 경우에는 주형간격, 내민길이와 지간길이를 선택하였다. 인접내측주형은 주형간격, 내민길이, 지간길이와 교폭으로 하였다. 내측주형은 주형간격, 교폭과 지간길이로 하였다 이어서 매개변수 해석결과들에 대한 다중선형회귀분석을 통하여 I형 PSC 거더교를 위한 활하중 분배계수식을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 활하중 분배계수식을 가지고 설계실무자들은 교량 설계시 적절한 안전율이 보장된 설계단면력을 보다 쉽게 결정할 수 있을 것이다. 또한 예비설계시에 I형 PSC 거더교의 구조적인 효율을 향상시키기 위해 필요한 반복 설계에 소요되는 설계시간을 크게 줄일 수 것으로 기대된다. The standard prestressed concrete I-girder bridge (PSC I-girder bridge) is one of the most prevalent types for small and medium bridges in Korea. When determining the member forces in a section to assess the safety of girder in this type of bridge, the general practice is to use the simplified practical equations or the live load distribution factors proposed in design standards rather than the precise analysis through the finite element method or so. Meanwhile, the live load distribution factors currently used in Korean design practice are just a reflection of overseas research results or design standards without alterations. Therefore, it is necessary to develop an equation of the live load distribution factors fit for the design conditions of Korea, considering the standardized section of standard PSC I-girder bridges and the design strength of concrete. In this study, to develop an equation of the live load distribution factors, a parametric analysis and sensitivity analysis were carried out on the parameters such as width of bridge, span length, girder spacing, width of traffic lane, etc. As a result, the major variables to determine the size of distribution factors were girder spacing, overhang length and span length in case of external girders. For internal adjacent girders, the determinant factors were girder spacing, overhang length, span length and width of bridge. For internal girders, the factors were girder spacing, width of bridge and span length. Then, an equation of live load distribution factors was developed through the multiple linear regression analysis on the results of parametric analysis. When the actual practice engineers design a bridge with the equation of live load distribution factors developed here, they will determine the design of member forces ensuring the appropriate safety rate more easily. Moreover, in the preliminary design, this model is expected to save much time for the repetitive design to improve the structural efficiency of PSC I-girder bridges.

동적 하중을 받는 암반 구조물의 수치해석 변수에 대한 고찰

류창하 ( Chang-ha Ryu ),최병희 ( Byung-hee Choi ),장형수 ( Hyung-su Jang ) 대한화약발파공학회 2018 화약발파 Vol.36 No.3

동적 하중을 받는 암반의 역학적 거동은, 같은 크기의 최대 하중이라도 정적으로 가해지는 경우와는 다른 특성을 보인다. 동적 하중 하에서의 거동 특성을 규명하기 위한 실험적 접근 방법은 동적 하중의 제어와 계측 및 해석에 있어서 정적 조건에서의 실험 방법보다 더 많은 어려움이 있다. 수치해석적 방법은 물리적 실험이 아니라 수치해석적으로 실험을 실시함으로써 물리적 제약을 덜 받으므로 설계 단계에서 매우 유력한 해석 도구가 될 수 있다. 그러나 수치해석방법은 해석방법의 알고리즘이 적정하더라도, 입력 자료와 경계조건의 설정에 따라 계산 결과가 많이 달라질 수 있으므로 해석 시 세심한 주의가 필요하다. 본 논문에서는 동적 하중을 받는 암반 구조물의 거동을 수치해석적으로 검토할 때, 경계 조건, 동적 하중과 계산 시간 간격, 동적 하중 특성이 계산 결과에 미치는 영향을 검토하여, 동적 해석 시 경계조건과 계산 시간 간격의 설정 지침을 제공하고자 하였다. The dynamic behaviour of the rock mass under the dynamic load is different from the static application of the maximum load of the same size. An experimental approach to investigating rock behavior under dynamic loads is more difficult than that under static conditions in control of dynamic loads, measurement and analysis of the results. Numerical methods are less constrained by performing the experiments numerically, rather than experimental ones, so they can be very powerful analytical tool at the design stage. However, even if the algorithms of the analysis method are appropriate, careful analysis is required because the calculation results may vary largely depending on input data and boundary conditions. In this paper, when investigating the behavior of rock structures under dynamic load numerically, the effects of boundary conditions, dynamic load and calculation time step, and dynamic load characteristics on the calculation results were reviewed to provide guidance on setting up boundary conditions and calculation time step related to dynamic analysis.