• Research Paper

    On the Improvement of the Accuracy of Higher Order Derivatives in the MLS(Moving Least Square) Difference Method via Mixed Formulation

    MLS 차분법의 결정 변수에 따른 정확도 분석 및 혼합변분이론을 통한 미분근사 성능향상

    Hyun-Young Kim and Jun-Sik Kim

    김현영, 김준식

    In this study, we investigate the accuracy of higher order derivatives in the moving least square (MLS) difference method. An interpolation function ...

    본 연구에서는 점근해석 및 논로컬 이론에서 요구하는 4차 이상의 고차 미분근사를 수행하기 위하여 계방정식에 혼합변분이론을 적용하여 MLS 차분법으로부터 구해지는 고차 미분근사의 정확도를 ...

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    In this study, we investigate the accuracy of higher order derivatives in the moving least square (MLS) difference method. An interpolation function is constructed by employing a Taylor series expansion via MLS approximation. The function is then applied to the mixed variational theorem in which the displacement and stress resultants are treated as independent variables. The higher order derivatives are evaluated by solving simply supported beams and cantilevers. The results are compared with the analytical solutions in terms of the order of polynomials, support size of the weighting function, and number of nodes. The accuracy of the higher order derivatives improves with the employment of the mean value theorem, especially for very high-order derivatives (e.g., above fourth-order derivatives), which are important in a classical asymptotic analysis.


    본 연구에서는 점근해석 및 논로컬 이론에서 요구하는 4차 이상의 고차 미분근사를 수행하기 위하여 계방정식에 혼합변분이론을 적용하여 MLS 차분법으로부터 구해지는 고차 미분근사의 정확도를 큰 폭으로 향상시킨다. 또한, MLS 차분법에 존재하는 세 가지 조건변수에 따른 고차미분근사의 정확도를 비교·분석한다. 혼합변분이론의 합응력을 후처리하여 변위의 미분을 근사할 경우 기존의 변위장 기반 계방정식의 차분 결과에 비해 미분 차수가 2차 낮아진다. 해석 범위내 절점 수가 과도하게 많거나 기저 차수가 클 경우 MLS 차분법의 영향영역 내에서 과적합(overfitting)이 발생한다. 또한 영향영역이 최적 범위 이상으로 넓어질 경우 근사의 정확도가 떨어진다. 위 내용을 사인 하중을 받는 단순지지보 수치예제로부터 확인하였다.

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    October 2020
  • Research Paper

    Evaluation of Structural Response of Cylindrical Structures Based on 2D Wave-Tank Test Due to Wave Impact

    파랑충격력에 의한 원형실린더구조물의 구조응답평가

    Kangsu Lee, Yoon-Jin Ha, Bo Woo Nam, Kyong-Hwan Kim and Sa Young Hong

    이강수, 하윤진, 남보우, 김경환, 홍사영

    The wave-impact load on offshore structures can be divided into green-water and wave-slamming impact loads. These wave impact loads are known to ...

    본 연구에서는 2D 조파수조를 통해 수행된 모형시험결과를 기반으로 원형실린더에 분포하는 파랑충격압력을 시간에 따라 계측하고 이를 CFD해석 결과와 비교하였다. 전산유체역학 해석을 통해 파랑충격력에 ...

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    The wave-impact load on offshore structures can be divided into green-water and wave-slamming impact loads. These wave impact loads are known to have strong nonlinear characteristics. Although the wave impact loads are dealt with in the current classification rules in the shipping industry, their strong nonlinear characteristics are not considered in detail. Therefore, to investigate these characteristics, wave- impact loads induced by a breaking wave on a circular cylinder were analyzed. A model test was carried out to measure the wave-impact loads due to breaking waves in a two-dimensional (2D) wave tank. To generate a breaking wave, the focusing wave method was applied. A series of 2D tank tests under a horizontal wave impact was carried out to investigate the structural responses of the cylindrical structure, which were obtained from the measured model test data. According to the results, we proposed a structural damage-estimation procedure of an offshore tubular member due to a wave impact load. Furthermore, a recommended wave-impact load is suggested that considers the minimum required thickness of each member. From the experimental results, we found that the required minimum thickness is dependent on the impact pressure located in a three-dimensional space on the surface of a tubular member.


    본 연구에서는 2D 조파수조를 통해 수행된 모형시험결과를 기반으로 원형실린더에 분포하는 파랑충격압력을 시간에 따라 계측하고 이를 CFD해석 결과와 비교하였다. 전산유체역학 해석을 통해 파랑충격력에 직접평가법에 관한 효용성을 확인할 수 있었고, 실험으로부터 구한 파랑충격 시계열 데이터를 그대로 원형단면을 갖는 실제 해양구조물의 부재에 적용하였다. 실린더에 분포하는 변위 및 응력의 특성과 특이점이 바뀌는 것을 확인하였고 실제 시계열을 적용하는 것이 해양구조물의 강도평가를 보다 정확하게 평가할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 선수부에 요구되는 외판의 최소선급규정에 따른 두께 경험식들을 분석하여 적용하고자 하였다. 동일한 재료 물성치를 갖는 강재에 관해 선수외판에 요구되는 구조물의 최소두께와 원형단면 부재에 요구되는 최소두께를 비교·분석하였고 이를 통해 NORSOK standard에 제시되어 있는 구조물의 손상기준을 활용하여 허용 두께치를 추정하고자 하였다. 특히 해양구조물의 갑판충격력(wave in deck)의 경우 이와 관련된 경험식이나 최소두께 요구사항들이 정립되어 있지 않기 때문에 본 연구를 통해 파랑충격력에 따라 요구되는 판재의 최소두께를 제안하고자 하였다.

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    October 2020
  • Research Paper

    Study on a Standardized Rockfall-Protection Fence for Various Rockfall Impact Energy using Finite Element Analysis

    유한요소해석을 이용한 다양한 낙석 충돌에너지에 대한 표준 낙석방지울타리 형식 제시 연구

    Hyungon Park, Hyunick Jang, Bumjoo Kim and Jiho Moon

    박현곤, 장현익, 김범주, 문지호

    Korea has many mountainous regions, and slope collapse that can lead to damage in road facilities and loss of lives often occurs ...

    대한민국은 산악지형이 많으며 사면붕괴로 인한 도로구조물 및 인명피해가 종종 발생한다. 이러한 사면붕괴로 인한 피해를 줄이기 위해서 낙석방지시설이 필요하다. 국내의 낙석방지울타리는 50kJ의 낙석 ...

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    Korea has many mountainous regions, and slope collapse that can lead to damage in road facilities and loss of lives often occurs. Rockfall-protection facilities are necessary to reduce such damages. Among these facilities, the standard Korean rockfall-protection fence is designed to resist 50 kJ of rockfall impact energy. However, the range of rockfall energy significantly varies depending on the condition of the slope, and it sometimes reaches up to 100 kJ. Thus, providing several types of standardized rockfall-protection fence is necessary to address the different rockfall impact energy for efficient response to rockfalls. This paper presents a study on standardized rockfall-protection fence for various rockfall impact energy using finite-element analysis. According to the results, standardized rockfall-protection fences against rockfall impact energy of 30 and 100 kJ were proposed and have been verified.


    대한민국은 산악지형이 많으며 사면붕괴로 인한 도로구조물 및 인명피해가 종종 발생한다. 이러한 사면붕괴로 인한 피해를 줄이기 위해서 낙석방지시설이 필요하다. 국내의 낙석방지울타리는 50kJ의 낙석 충돌 에너지에 저항할 수 있도록 설계되었다. 하지만, 낙석에너지의 크기는 사면의 형태 및 조건에 따라 편차가 크며 약 100kJ에 이르기도 한다. 따라서 효율적인 낙석방지울타리의 설계 및 설치를 위해서 여러 종류의 낙석에너지에 맞는 표준화된 낙석방지울타리가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 다양한 낙석에너지에 따른 낙석방지울타리의 표준 단면을 유한요소해석을 통하여 제안하였다. 최종적으로 기존 50kJ 낙석방호울타리 외에 30kJ 및 100kJ급 낙석방지울타리를 제안하였다.

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    October 2020
  • Research Paper

    Selection of the Number and Location of Monitoring Sensors using Artificial Neural Network based on Building Structure-System Identification

    인공신경망 기반 건물 구조물 식별을 통한 모니터링센서 설치 개수 및 위치 선정

    Bub-Ryur Kim and Se-Woon Choi

    김법렬, 최세운

    In this study, a method for selection of the location and number of monitoring sensors in a building structure using artificial neural ...

    본 연구에서는 인공신경망을 이용해 건물 구조물의 가속도계 설치 위치 및 개수를 선정하는 방법을 제안한다. 인공신경망의 입력층에는 층에 설치되는 가속도계로부터 얻는 가속도이력데이터가 입력되며 ...

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    In this study, a method for selection of the location and number of monitoring sensors in a building structure using artificial neural networks is proposed. The acceleration-history values obtained from the installed accelerometers are defined as the input values, and the mass and stiffness values of each story in a building structure are defined as the output values. To select the installation location and number of accelerometers, several installation scenarios are assumed, artificial neural networks are obtained, and the prediction performance is compared. The installation location and number of sensors are selected based on the prediction accuracy obtained in this study. The proposed method is verified by applying it to 6- and 10-story structure examples.


    본 연구에서는 인공신경망을 이용해 건물 구조물의 가속도계 설치 위치 및 개수를 선정하는 방법을 제안한다. 인공신경망의 입력층에는 층에 설치되는 가속도계로부터 얻는 가속도이력데이터가 입력되며, 출력층에는 구조물을 정의하는 각 층의 질량과 강성 값을 출력하도록 신경망을 구성한다. 가속도계의 설치 위치 및 개수를 선정하기 위해 여러 설치 시나리오를 가정하고 훈련을 통해 인공신경망을 구한다. 훈련에 사용되지 않은 예제를 이용해 예측 성능을 비교하였다. 센서 개수 및 위치에 따른 예측 성능을 비교하여 설치위치 및 개수를 선정한다. 6층과 10층 예제 적용을 통해 제안하는 방법을 검증하였다.

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    October 2020
  • Research Paper

    Study on the Performance Verification of PRB Isolation Device using Simulation and Experiment

    PRB 지진격리장치의 성능 검증을 위한 해석 및 실험적 연구

    Sung-Jo Kim, Se-Yun Kim, Yongsoo Ji, Bongsik Kim and Tong-Seok Han

    김성조, 김세윤, 지용수, 김봉식, 한동석

    This study introduces a technique for improving the elastomeric-isolator performance using modular devices. The modular devices are shear resistance block, polymer spring ...

    본 논문에서는 모듈화(Module)된 부품을 활용한 탄성받침 성능개선기법에 대하여 소개하였다. 각각의 모듈화된 장치들이 지진 강도 및 이동 변위에 따른 단계별 거동을 ...

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    This study introduces a technique for improving the elastomeric-isolator performance using modular devices. The modular devices are shear resistance block, polymer spring, displacement acceptance guide, and anti-falling block. They are installed on the elastomeric isolator as a supplementary device. Each modularized device improves the isolator performance by performing step-by-step actions according to the seismic intensity and displacement. The PRB isolation device works in four stages, depending on the seismic magnitude, to satisfy the target performance. It is designed to accommodate design displacement in the first stage and large magnitude of earthquakes in the second and third stages. This design prevents superstructures from falling in the fourth stage due to large-magnitude earthquakes by increasing the capacity limit of the elastomeric isolator. In this study, the PRB isolation device is analyzed using finite element analysis to verify that the PRB isolation device works as intended and it can withstand loads corresponding to large-magnitude earthquakes. The performance of the PRB isolation device is validated by the analysis, which is further corroborated by actual experiments.


    본 논문에서는 모듈화(Module)된 부품을 활용한 탄성받침 성능개선기법에 대하여 소개하였다. 각각의 모듈화된 장치들이 지진 강도 및 이동 변위에 따른 단계별 거동을 함으로써 받침의 성능을 개선하게 된다. 모듈화된 장치들은 초기전단저항 블럭, 완충장치, 변위수용가이드, 낙교방지블럭이 있으며, 탄성받침에 추가적으로 적용되었다. 이 장치는 지진의 규모에 따라 4단계로 거동하며, 1차로 설계변위를 수용하고, 2차, 3차에서는 대규모 지진을 수용하며, 4차로는 대규모의 지진에 대해서 낙교방지가 가능하도록 설계되어 탄성받침의 용량 제한을 증가시킨다. 본 논문에서는, 개발기술인 PRB 지진격리장치를 유한요소해석을 통해 해석하여 격리장치의 이론적인 거동이 구현되는지와, 대규모 지진에 해당하는 하중을 견딜 수 있는지 확인하였다. 그리고 이를 바탕으로 실험을 통해 성능평가를 진행하여 두 결과의 비교 분석을 통해 PRB 지진격리장치가 탄성받침의 성능을 개선할 수 있는지 검증하였다.

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    October 2020
  • Research Paper

    Seismic Response Evaluation of Composite Steel–Concrete Box Girder Bridge according to Aging Effect of Piers

    교각의 노후도 영향에 따른 강합성 상자형 거더교의 지진응답 평가

    Soobong Shin, Ji-Yeong Hong, Jiho Moon and Jong-Keol Song

    신수봉, 홍지영, 문지호, 송종걸

    Among the bridges used in Korea, those that are more than 30 years old account for approximately 11% of the total bridges ...

    현재 우리나라에서 운영 중인 교량 중 30년 이상 된 교량이 전체의 약 11%를 차지할 정도로 노후교량의 수가 증가하고 있다. 따라서 교량의 ...

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    Among the bridges used in Korea, those that are more than 30 years old account for approximately 11% of the total bridges. Therefore, developing a seismic performance-evaluation method is necessary by considering the bridge age. Three composite steel–concrete box girder bridges with port, elastic-rubber, and lead-rubber bearings were selected, and a structural analysis model was developed using the OpenSEESs program. In this study, pier aging was reflected by the reduction in the area of the longitudinal and transverse rebars. Four conditions of 5%, 10%, 25%, and 50% in the degree of pier aging were used. As input earthquakes, 40 near-fault and far-field earthquakes were used, and the maximum displacement and maximum shear-force responses of the piers were obtained and compared. The result shows that as the aging degree increases, the pier strength decreases. Therefore, the pier displacement response increases. To analyze the effects of displacement response and shear resistance, displacement ratio Dratio and shear-force ratio Fratio were evaluated. The older the sample bridge is, the greater is the tendency of Dratio to increase and the smaller is the tendency of Fratio to decrease.


    현재 우리나라에서 운영 중인 교량 중 30년 이상 된 교량이 전체의 약 11%를 차지할 정도로 노후교량의 수가 증가하고 있다. 따라서 교량의 노후화에 따른 영향을 고려한 내진성능 평가방법의 개발이 필요하다고 볼 수 있다. 예제 교량으로는 포트받침, 탄성고무받침과 납-고무받침을 가진 3가지의 강합성 상자형 거더교를 선정하고, opensees 프로그램을 사용하여 구조해석모델을 작성하였다. 본 연구에서는 교량의 노후도를 교각의 주철근과 띠철근의 부식에 의한 면적의 감소로 반영하였다. 교각의 노후화 정도로는 5%, 10%, 25%, 50%의 4가지 조건을 사용하였다. 입력지진으로는 근거리 지진과 원거리 지진을 각각 40개씩 사용하였으며, 노후화 정도에 따른 예제교량의 교각에 대한 최대변위와 최대 전단력 응답을 구하여 비교하였다. 노후도가 증가할수록 힘-변위 관계에서 교각의 강도저하가 발생함을 알 수 있으며, 이로 인하여 교각의 변위응답이 증가함을 알 수 있다. 교각의 노후도에 따른 변위응답과 전단저항능력의 영향을 분석하기 위하여 변위비(Dratio)와 전단력비(Fratio)를 정의하여 평가하였다. 예제교량의 고유주기가 길어질수록 노후도에 따른 변위비(Dratio)의 증가가 크게 나타남을 알 수 있으며, 전단력비(Fratio)의 감소 경향은 작게 나타남을 알 수 있다.

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    October 2020
  • Research Paper

    Parametric Modeling and Numerical Simulation of 3-D Woven Materials

    3차원 엮임 재료의 파라메트릭 모델링 및 수치적 재료 특성 분석

    Kichan Sim and Seung-Hyun Ha

    심기찬, 하승현

    In this study, the characteristic of a 3-D micro-woven material, which is one of the newly developed periodic open-cell structure, is analyzed ...

    본 논문에서는 열린 셀 구조의 3차원 마이크로 엮임 재료에 대해서 다양한 전산 시뮬레이션을 수행하고 재료의 특성을 수치적으로 분석하였다. 엮임 재료에 대한 수치 ...

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    In this study, the characteristic of a 3-D micro-woven material, which is one of the newly developed periodic open-cell structure, is analyzed through various computational simulations. To increase the accuracy of the numerical simulations, the distance between each directional wire is parameterized using six design variables, and its model geometry is precisely discretized using tetrahedron elements. Using the improved computational model, the material properties of the mechanical, thermal, and fluidic behavior are investigated using commercial software and compared with the previous experimental results. By changing the space between the x- and y-directional wires, a parametric test is performed to determine the tendency of the change in the material properties. In addition, the correlation between two different material properties is investigated using the Ashby chart. The result can further be used in determining the optimal pattern and wire spacing in 3-D micro-woven materials.


    본 논문에서는 열린 셀 구조의 3차원 마이크로 엮임 재료에 대해서 다양한 전산 시뮬레이션을 수행하고 재료의 특성을 수치적으로 분석하였다. 엮임 재료에 대한 수치 해석의 정확도를 높이기 위해서 각 축 방향별 와이어 사이의 간격을 6개의 변수로 매개화 하였으며, 기존의 정육면체 대신에 사면체의 요소로 바꾸어 엮임 재료의 기하학적 형상을 더 사실적으로 구현하였다. 개선된 수치모델에 대해서 상용 프로그램을 이용해 기계적, 열역학적, 유체역학적 해석을 수행하였으며, 그 정확도를 검증하기 위해서 기존의 실험 결과와 비교하였다. 또한 x 및 y 방향으로 와이어 간격을 변화시켜 가며, 3차원 엮임 재료의 여러 물성치에 대한 파라메트릭 테스트를 수행하였으며, 물성치의 변화 경향 및 민감도를 살펴보았다. 이를 통해서 3차원 엮임 재료의 물성치 사이의 상관관계를 애슈비 차트와 함께 살펴보았으며, 기존의 벌크 형태의 금속 재료와는 다른 재료 특성들로 인해 그 활용도가 높을 것으로 기대한다.

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    October 2020
  • Research Paper

    FE Analysis on the Structural Behavior of a Double-Leaf Blast-Resistant Door According to the Support Conditions

    지지조건 변화에 따른 양개형 방폭문의 구조거동 유한요소해석

    Hyun-Seop Shin, Sung-Wook Kim, Jae-Heum Moon and Won-Woo Kim

    신현섭, 김성욱, 문재흠, 김원우

    Double-leaf blast-resistant doors consisting of steel box and slab are application-specific structures installed at the entrances of protective facilities. In these structural ...

    외피 구조로서의 강박스와 내부의 철근콘크리트 슬래브로 구성되는 양개형 방폭문은 방호 및 대피 구조물의 출입구에 설치되는 구조체이다. 방폭문과 그 후면의 벽체 사이에는 일정의 ...

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    Double-leaf blast-resistant doors consisting of steel box and slab are application-specific structures installed at the entrances of protective facilities. In these structural systems, certain spacing is provided between the door and wall. However, variation in the boundary condition and structural behavior due to this spacing are not properly considered in the explosion analysis and design. In this study, the structural response and failure behavior based on two variables such as the spacing and blast pressure were analyzed using the finite element method. The results revealed that the two variables affected the overall structural behavior such as the maximum and permanent deflections. The degree of contact due to collision between the door and wall and the impact force applied to the door varied according to the spacing. Hence, the shear-failure behavior of the concrete slab was affected by this impact force. Doors with spacing of less than 10 mm were vulnerable to shear failure, and the case of approximately 15-mm spacing was more reasonable for increasing the flexural performance. For further study, tests and numerical research on the structural behavior are needed by considering other variables such as specifications of the structural members and details of the slab shear design.


    외피 구조로서의 강박스와 내부의 철근콘크리트 슬래브로 구성되는 양개형 방폭문은 방호 및 대피 구조물의 출입구에 설치되는 구조체이다. 방폭문과 그 후면의 벽체 사이에는 일정의 설치 간격이 존재하게 되는데, 이로 인한 지지조건 및 구조거동의 변화는 방폭 해석 및 설계에 적절히 고려되지 않고 있다. 본 연구에서는 설치 간격에 의한 지지조건 및 폭압의 변화에 따른 방폭문의 구조응답 및 파괴거동을 유한요소 해석방법으로 비교·분석하였다. 해석 결과에 따르면, 설치 간격 및 폭압의 변화는 방폭문의 최대 처짐 및 영구 처짐과 같은 처짐 거동에 영향을 미치며, 설치 간격이 크고 작음에 따라 방폭문과 벽체의 충돌 접촉 정도 및 이에 의한 충격력이 크게 변화하는 것으로 나타났다. 또한, 방폭문에 작용하는 이와 같은 충격력의 변화는 슬래브의 전단파괴와 같은 파괴거동에 영향을 미치는 주요 요인으로 분석되었다. 설치간격 10mm 미만의 방폭문은 전단파괴에 취약해지고, 15mm 내외 수준인 경우가 휨성능 발현에 비교적 더 적합한 것으로 나타났다. 본 연구에서는 설치 간격 및 폭압과 같이 기본적인 조건의 변화에 한해서 비교 해석을 하였다. 향후, 부재 재원 및 강도변화, 전단설계 여부 등 다양한 변수에 따른 구조거동 변화에 대해 실험적 및 해석적 연구가 필요하다.

    - COLLAPSE
    October 2020