• Research Paper

    Seismic Capacity Evaluation of Rectangular RC Columns Strengthened with Steel Bars

    강봉으로 보강된 RC 사각기둥의 내진 성능 평가

    Dongmin Lee, Seong-Cheol Lee, Dong-Ho Shin, Chang Kook Oh

    이동민, 이성철, 신동호, 오창국

    With the steady increase in the annual number of earthquakes in South Korea, the need to apply seismic reinforcement on public facilities …

    최근 국내에서 연간 지진 발생 횟수가 꾸준히 증가함에 따라 공공시설물에 대한 내진 보강의 필요성이 더욱 대두되고 있다. 이 연구에서는 사각 단면을 가진 …

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    With the steady increase in the annual number of earthquakes in South Korea, the need to apply seismic reinforcement on public facilities has recently increased. To reinforce seismic capacity, spaced full-column-height steel bars are attached to column faces. In this study, nonlinear finite element analysis was conducted to analyze the effect of external reinforcement steel bars on the seismic capacity of RC columns with a square or rectangular cross-section. For verification, the analysis results were compared with test results. Results showed that the finite element analysis reasonably predicted the actual structural behavior of RC columns with steel bars. In addition, both the analysis and the test results showed that the failure mode was converted from brittle failure to ductile fracture, owing to the external reinforcement steel bars. Both loading capacity and ductility were increased as well. Therefore, the external reinforcement steel bar can effectively enhance the seismic capacity of existing RC columns. This study is expected to contribute to relevant research areas such as the development of design methods.


    최근 국내에서 연간 지진 발생 횟수가 꾸준히 증가함에 따라 공공시설물에 대한 내진 보강의 필요성이 더욱 대두되고 있다. 이 연구에서는 사각 단면을 가진 철근콘크리트 기둥에서 강봉보강의 유무에 따른 내진 성능 개선 효과를 분석하기 위해 비선형 유한요소해석을 수행하였으며, 검증을 위해 구조실험결과와 비교하였다. 분석 결과, 이 연구에서 수행한 유한요소해석이 실제 강봉보강공법을 적용한 철근콘크리트 기둥의 구조 거동을 합리적으로 잘 묘사하는 것으로 나타났다. 또한, 해석 및 실험 모두 강봉보강공법 적용으로 인해 파괴모드가 취성파괴에서 연성파괴로 전환되었으며, 강도와 연성도 모두 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 강봉보강공법 적용을 통해 기존 철근콘크리트 기둥의 내진 성능을 효과적으로 증진시킬 수 있는 것으로 판단된다. 이 연구의 주요 결과는 향후 설계 방안 마련 등 관련 연구에 유용할 것으로 기대된다.

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    31 October 2023
  • Research Paper

    Quasi-brittle and Brittle Fracture Simulation Using Phase-field Method based on Cell-based Smoothed Finite Element Method

    셀기반 평활화 유한요소법에 기반한 위상분야법을 이용한 준취성 및 취성 파괴 시뮬레이션

    Changkye Lee, Natarajan Sundararajan, Jurng-Jae Yee

    이창계, SundararajanNatarajan, 이정재

    This study introduces a smoothed finite-element implementation into the phase-field framework. In recent years, the phase-field method has recieved considerable attention in …

    본 연구에서는 평활화 유한요소법(Smoothed finite element method)을 도입한 위상분야법(Phase-field method)에 대해 소개하고자 한다. 위상분야법은 최근 균열 개시 및 전파 해석에 많이 사용되는 …

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    This study introduces a smoothed finite-element implementation into the phase-field framework. In recent years, the phase-field method has recieved considerable attention in crack initiation and propagation since the method needs no further treatment to express the crack growth path. In the phase-field method, high strain-energy accuracy is needed to capture the complex crack growth path; thus, it is obtained in the framework of the smoothed finite-element method. The salient feature of the smoothed finite-element method is that the finite element cells are divided into sub-cells and each sub-cell is rebuilt as a smoothing domain where smoothed strain energy is calculated. An adaptive quadtree refinement is also employed in the present framework to avoid the computational burden. Numerical experiments are performed to investigate the performance of the proposed approach, compared with that of the finite-element method and the reference solutions.


    본 연구에서는 평활화 유한요소법(Smoothed finite element method)을 도입한 위상분야법(Phase-field method)에 대해 소개하고자 한다. 위상분야법은 최근 균열 개시 및 전파 해석에 많이 사용되는 기법으로 균열 표면을 추적하기 위한 추가적인 처리기법이 필요하지 않는 특징이 있다. 위상분야법에서 복잡한 균열 전파를 포착하기 위해 높은 정확도의 변형률 에너지를 평활화 유한요소법을 도입하여 계산하였다. 평활화 유한요소법은 유한요소를 하위 셀로 나누고 각각의 하위 셀을 평활화 영역으로 재조립하여 변형률 에너지를 계산하게 된다. 또한 해석 시간 단축을 위하여 쿼드트리 요소망을 제안한 기법에 사용하였다. 수치 예제를 통하여 제안한 기법을 참조해 및 유한요소법과 비교하여 검증하였다.

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    31 October 2023
  • Research Paper

    Blast Performance Evaluation based on Finite Element Analysis for Reinforced Concrete Columns with Shear and Flexure Failure Modes

    유한요소해석 기반 휨 및 전단 파괴형 철근콘크리트 기둥의 폭발 성능평가

    Ye-Eun Kim, To Bao Quoc, Kihak Lee, Jiuk Shin

    김예은, QuocTo Bao, 이기학, 신지욱

    This study aims to evaluate the blast performance of shear and flexure failure modes of reinforced concrete columns using finite-element analyses. To …

    본 논문에서는 유한요소해석 프로그램을 통해 파괴 거동 유형별 철근콘크리트 기둥 및 폭발 하중을 모델링하였으며, 실제 실험과의 동적 응답을 비교하여 모델의 적합성을 입증하였다. …

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    This study aims to evaluate the blast performance of shear and flexure failure modes of reinforced concrete columns using finite-element analyses. To accomplish this goal, finite-element models of flexure- and shear-governed columns were developed and validated using previous experimental results. A blast simulation model was developed using a coupling-modeling method, and the modeling method was applied to the validated-column models. Blast responses were obtained for various blast loading scenarios, and the blast performance was determined using limits based on ductility and axial loading capacity.


    본 논문에서는 유한요소해석 프로그램을 통해 파괴 거동 유형별 철근콘크리트 기둥 및 폭발 하중을 모델링하였으며, 실제 실험과의 동적 응답을 비교하여 모델의 적합성을 입증하였다. 개발한 모델을 이용하여 폭발 하중에 대한 부재의 동적 응답을 확인하기 위해 폭발 하중 시나리오를 설정하였으며 해당 시나리오별 폭발 하중에 대한 시간에 따른 변위 및 응력 결과를 도출하였다. 동적 응답을 통해 폭발 하중에 대한 기둥의 성능평가(Ductility, Residual)를 수행하였으며 이를 비교 및 분석하였다.

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    31 October 2023
  • Research Paper

    Unsupervised Vortex-induced Vibration Detection Using Data Synthesis

    합성데이터를 이용한 비지도학습 기반 실시간 와류진동 탐지모델

    Sunho Lee, Sunjoong Kim

    이선호, 김선중

    Long-span bridges are flexible structures with low natural frequencies and damping ratios, making them susceptible to vibrational serviceability problems. However, the current …

    장대교량은 낮은 고유진동수와 감쇠비를 가지는 초유연구조물로 진동사용성 문제에 취약하다. 하지만 현재 국내 설계지침에서는 풍속이나 진폭에 대한 임계값을 기반으로 유해진동 발생 여부를 평가하고 …

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    Long-span bridges are flexible structures with low natural frequencies and damping ratios, making them susceptible to vibrational serviceability problems. However, the current design guideline of South Korea assumes a uniform threshold of wind speed or vibrational amplitude to assess the occurrence of harmful vibrations, potentially overlooking the complex vibrational patterns observed in long-span bridges. In this study, we propose a pointwise vortex-induced vibration (VIV) detection method using a deep-learning-based signal- segmentation model. Departing from conventional supervised methods of data acquisition and manual labeling, we synthesize training data by generating sinusoidal waves with an envelope to accurately represent VIV. A Fourier synchrosqueezed transform is leveraged to extract time-frequency features, which serve as input data for training a bidirectional long short-term memory model. The effectiveness of the model trained on synthetic VIV data is demonstrated through a comparison with its counterpart trained on manually labeled real datasets from an actual cable-supported bridge.


    장대교량은 낮은 고유진동수와 감쇠비를 가지는 초유연구조물로 진동사용성 문제에 취약하다. 하지만 현재 국내 설계지침에서는 풍속이나 진폭에 대한 임계값을 기반으로 유해진동 발생 여부를 평가하고 있다. 본 연구에서는 장대교량에서 발생하는 유해진동을 보다 정교하게 식별하기 위하여 딥러닝 기반 신호분할 모델을 활용한 데이터 포인트 단위의 와류진동 식별 방법론을 제안한다. 특별히 포락선을 가지는 사인파를 활용하여 와류진동에 해당하는 데이터를 합성함으로써 모델 구축에 필수적인 와류진동 데이터 획득 및 라벨링 과정을 대체하였다. 이후 푸리에 싱크로스퀴즈드 변환를 적용하여 시간-주파수 특징을 추출하여 신경망의 인풋 데이터로 사용하였다. 합성데이터만을 이용하여 양방향 장단기 기억신경망(Bidirectional Long-Short-Term-Memory) 모델을 훈련하였고 이를 라벨 정보를 포함한 실제 사장교의 계측데이터를 이용하여 학습한 모델과 비교하여 모델의 실시간 와류진동 식별 성능을 검증하였다.

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    31 October 2023
  • Research Paper

    Phase Segmentation of PVA Fiber-Reinforced Cementitious Composites Using U-net Deep Learning Approach

    U-net 딥러닝 기법을 활용한 PVA 섬유 보강 시멘트 복합체의 섬유 분리

    Jeewoo Suh, Tong-Seok Han

    서지우, 한동석

    The development of an analysis model that reflects the microstructure characteristics of polyvinyl alcohol (PVA) fiber-reinforced cementitious composites, which have a highly …

    PVA 섬유 보강 시멘트 복합체는 매우 복잡한 미세구조를 가지고 있으며, 재료의 거동을 정확히 평가하기 위해서는 미세구조 특성을 반영하여 실제 실험과 시너지효과를 내며 …

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    The development of an analysis model that reflects the microstructure characteristics of polyvinyl alcohol (PVA) fiber-reinforced cementitious composites, which have a highly complex microstructure, enables synergy between efficient material design and real experiments. PVA fiber orientations are an important factor that influences the mechanical behavior of PVA fiber-reinforced cementitious composites. Owing to the difficulty in distinguishing the gray level value obtained from micro-CT images of PVA fibers from adjacent phases, fiber segmentation is time-consuming work. In this study, a micro-CT test with a voxel size of 0.65 µm3 was performed to investigate the three-dimensional distribution of fibers. To segment the fibers and generate training data, histogram, morphology, and gradient-based phase-segmentation methods were used. A U-net model was proposed to segment fibers from micro-CT images of PVA fiber-reinforced cementitious composites. Data augmentation was applied to increase the accuracy of the training, using a total of 1024 images as training data. The performance of the model was evaluated using accuracy, precision, recall, and F1 score. The trained model achieved a high fiber segmentation performance and efficiency, and the approach can be applied to other specimens as well.


    PVA 섬유 보강 시멘트 복합체는 매우 복잡한 미세구조를 가지고 있으며, 재료의 거동을 정확히 평가하기 위해서는 미세구조 특성을 반영하여 실제 실험과 시너지효과를 내며 효율적인 재료 설계를 가능하게 하는 해석 모델의 개발이 중요하다. PVA 섬유 보강 시멘트 복합체의 역학적 성능은 PVA 섬유의 방향성에 큰 영향을 받는다. 그러나 마이크로-CT 이미지로부터 얻은 PVA 섬유의 회색조 값을 인접한 상과 구분하기 어려워, 섬유 분리 과정에 많은 시간이 소요된다. 본 연구에서는 섬유의 3차원 분포를 얻기 위하여 0.65µm3의 복셀 크기를 가지는 마이크로-CT 이미지 촬영을 수행하였다. 학습에 사용될 학습 데이터를 생성하기 위해 히스토그램, 형상, 그리고 구배 기반 상 분리 방법을 적용하였다. 본 연구에서 제안된 U-net 모델을 활용하여 PVA 섬유 보강 시멘트 복합체의 마이크로- CT 이미지로부터 섬유를 분리하는 학습을 수행하였다. 훈련의 정확도를 높이기 위해 데이터 증강을 적용하였으며, 총 1024개의 이미지를 훈련 데이터로 사용하였다. 모델의 성능은 정확도, 정밀도, 재현율, F1 스코어를 평가하였으며, 학습된 모델의 섬유 분리 성능이 매우 높고 효율적이며, 다른 시편에도 적용될 수 있음을 확인하였다.

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    31 October 2023
  • Research Paper

    Ballistic Analysis and Stacking Sequence of Laminate Plate for Enhancing Bulletproof Performance

    방탄 성능 향상을 위한 적층 평판의 피탄 해석 및 적층 배열 연구

    Ki Hyun Kim, Min Kyu Kim, Min Je Kim, Myung Shin

    김기현, 김민규, 김민제, 신명

    Modern bulletproof armor must be light and have excellent penetration resistance to ensure the mobility and safety of soldiers and military vehicles. …

    현대의 방탄 장갑은 우수한 관통 저항성을 갖추어야할 뿐만 아니라 군인과 군용차량의 기동성이 확보되어야 하기 때문에 경량화가 중요한 개발 요소가 되었다. 이종 적층 …

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    Modern bulletproof armor must be light and have excellent penetration resistance to ensure the mobility and safety of soldiers and military vehicles. The ballistic performance of heterogeneous structures of laminated flat plates as bulletproof armor depends on the arrangement of constituent materials for the same weight. In this study, we analyze bulletproof performance according to the stacking sequence of laminated bulletproof armor composed of Kevlar, ultra-high molecular weight polyethylene, and ethylene-vinyl-acetate foam. A ballistic analysis was performed by colliding a 7.62 × 51 mm NATO cartridge’s M80 bullet at a speed of 856 m/s with six lamination arrangements with constituent materials thicknesses of 5 mm and 6.5 mm. To evaluate the bulletproof performance, the residual speed and residual energy of the projectile that penetrated the heterogeneous laminated flat plates were measured. Simulation results confirmed that the laminated structure with a stacking sequence of Kevlar, ultra-high molecular weight polyethylene, and ethylene-vinyl-acetate foam had the best bulletproof performance for the same weight.


    현대의 방탄 장갑은 우수한 관통 저항성을 갖추어야할 뿐만 아니라 군인과 군용차량의 기동성이 확보되어야 하기 때문에 경량화가 중요한 개발 요소가 되었다. 이종 적층 평판 구조의 방탄 장갑의 방탄 성능은 동일 중량 대비 구성 재료의 배열에 따라 달라진다. 본 논문에서는 케블라, 초고분자량 폴리에틸렌 그리고 에바 폼으로 구성된 방탄 장갑의 적층 배열에 따른 방탄 성능을 분석한다. 구성 재료의 두께가 5mm와 6.5mm인 두 가지 경우에서 6가지 적층 배열에 대하여 7.62 × 51mm NATO 탄환의 M80 탄을 856m/s의 속도로 충돌시키는 피탄 해석을 수행하였다. 방탄 성능을 평가하기 위해 이종 적층 평판을 관통한 발사체의 잔류 속도와 잔류 에너지를 측정하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 케블라, 초고분자량 폴리에틸렌, 에바 폼의 배열 순서를 갖는 적층 구조가 동일 중량에 대해 가장 우수한 방탄 성능을 가짐을 확인하였다.

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    31 October 2023
  • Research Paper

    CNN Model for Prediction of Tensile Strength based on Pore Distribution Characteristics in Cement Paste

    시멘트풀의 공극분포특성에 기반한 인장강도 예측 CNN 모델

    Sung-Wook Hong, Tong-Seok Han

    홍성욱, 한동석

    The uncertainties of microstructural features affect the properties of materials. Numerous pores that are randomly distributed in materials make it difficult to …

    미세구조 특성의 불확실성은 재료 특성에 많은 영향을 준다. 시멘트 기반 재료의 공극 분포 특성은 재료의 역학적 특성에 큰 영향을 미치며, 재료에 랜덤하게 …

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    The uncertainties of microstructural features affect the properties of materials. Numerous pores that are randomly distributed in materials make it difficult to predict the properties of the materials. The distribution of pores in cementitious materials has a great influence on their mechanical properties. Existing studies focus on analyzing the statistical relationship between pore distribution and material responses, and the correlation between them is not yet fully determined. In this study, the mechanical response of cementitious materials is predicted through an image-based data approach using a convolutional neural network (CNN), and the correlation between pore distribution and material response is analyzed. The dataset for machine learning consists of high-resolution micro-CT images and the properties (tensile strength) of cementitious materials. The microstructures are characterized, and the mechanical properties are evaluated through 2D direct tension simulations using the phase-field fracture model. The attributes of input images are analyzed to identify the spot with the greatest influence on the prediction of material response through CNN. The correlation between pore distribution characteristics and material response is analyzed by comparing the active regions during the CNN process and the pore distribution.


    미세구조 특성의 불확실성은 재료 특성에 많은 영향을 준다. 시멘트 기반 재료의 공극 분포 특성은 재료의 역학적 특성에 큰 영향을 미치며, 재료에 랜덤하게 분포되어 있는 많은 공극은 재료의 물성 예측을 어렵게 한다. 공극의 특성 분석과 재료 응답 간의 상관관계 규명에 대한 기존 연구는 통계적 관계 분석에 국한되어 있으며, 그 상관관계가 아직 명확히 규명되어 있지 않다. 본 연구에서는 합성곱 신경망(CNN, convolutional neural network)을 활용한 이미지 기반 데이터 접근법을 통해 시멘트 기반 재료의 역학적 응답을 예측하고, 공극분포와 재료 응답의 상관관계를 분석하였다. 머신러닝을 위한 데이터는 고해상도 마이크로-CT 이미지와 시멘트 기반 재료의 물성(인장강도)로 구성하였다. 재료의 메시 구조 특성을 분석하였으며, 재료의 응답은 상장균열모델(phase-field fracture model)에 기반을 둔 2D 직접 인장(direct tension) 유한요소해석 시뮬레이션을 활용하여 평가하였다. 입력 이미지 영역의 기여도를 분석하여 시편에서 재료 응답 예측에 가장 큰 영향을 미치는 영역을 CNN을 통하여 식별하였다. CNN 과정 중 활성 영역과 공극분포를 비교 분석하여 공극분포특성과 재료 응답의 상관관계를 분석하여 제시하였다.

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    31 October 2023
  • Research Paper

    Virtual Reality Software for Review and Use of Structural Analysis Model of Hanok

    한옥의 구조해석 모델 검토 및 활용을 위한 가상현실 소프트웨어

    Jonghyun Jung, Yeong-Min Kim

    정종현, 김영민

    In this study, virtual reality software was developed to support the generation of an analysis model of a Hanok and to increase …

    본 연구에서는 한옥의 해석모델 구축을 지원하고, 구축된 해석모델의 활용도를 높이고자 이를 활용한 가상현실 소프트웨어를 개발하였다. 한옥의 구조해석 모델은 범용 구조해석 소프트웨어인 midas …

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    In this study, virtual reality software was developed to support the generation of an analysis model of a Hanok and to increase the use of the completed analysis model. The structural analysis model of the Hanok was generated using midas Gen, a general-purpose structural analysis software. After converting it into a text-based input file, the developed software stores the data necessary for the examination of the analysis model. Then, in the developed virtual reality software, the three-dimensional analysis model of the Hanok can be visualized in various ways and the related data can be shown by selecting a specific member. Through this process, errors in the analysis model can be identified and corrected to build a complete analysis model. The developed software was applied to three Hanok cases to verify its applicability and effectiveness. The software is expected to be used in other fields besides the structural field.


    본 연구에서는 한옥의 해석모델 구축을 지원하고, 구축된 해석모델의 활용도를 높이고자 이를 활용한 가상현실 소프트웨어를 개발하였다. 한옥의 구조해석 모델은 범용 구조해석 소프트웨어인 midas Gen으로 생성하고, 이를 문자기반 입력파일로 변환한 후 본 연구에서 개발된 소프트웨어에서 한옥 해석모델의 검토에 필요한 자료들을 저장한다. 개발된 가상현실 소프트웨어 내에서 3차원으로 표현된 한옥의 해석모델은 시점을 변경하며 살펴볼 수 있고 특정 부재를 선택하여 관련된 자료를 확인할 수 있다. 이러한 과정을 통해 해석모델의 오류를 확인 및 수정하여 완결된 해석모델을 구축할 수 있다. 개발된 소프트웨어는 3개의 한옥 사례에 적용하여 그 적용성과 효용성을 검증하였으며, 구조분야 이외의 타 분야에서도 활용될 수 있다.

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    31 October 2023