Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea ISSN:1229-3059(Print) 2287-2302(Online) 한국전산구조공학회 논문집

이 연구는 충격쇄파 하중에 대한 직립식 방파제의 동적 거동을 정밀히 분석하기 위해 유한요소 기반의 2차원 해석 모델을 구축하였다. 기존의 단순화된 해석 방법이 지닌 한계를 극복하고자, 유체 요소, 비선형 지반 모델, 접촉 비선형성, 에너지흡수경계요소를 포함한 정밀한 2차원 수치해석 모델을 구축하였다. 또한, 이론적 파압 공식을 기반으로 충격쇄파 하중의 시간이력을 모델링하여 방파제의 활동량을 평가하였다. 해석 결과, 비선형 지반 모델은 탄성 지반 대비 더 큰 활동량을 유발하는 것으로 나타났으며, PML(Perfectly Matched Layer)은 고정 경계 조건과 비교했을 때 해석 안정성과 정확성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 이 연구는 직립식 방파제 설계 및 안전성 평가를 위한 정밀 동적 해석 기술 개발에 기여하며, 극한 조건에서도 방파제 성능을 예측할 수 있는 기반을 제공할 것으로 기대된다.

이 연구에서는 파랑 하중을 받는 경사식 방파제의 구조적 안정성을 평가하기 위하여 강도감소법(Strength Reduction Method)을 이용한 슬립 파괴 해석을 수행하였다. 강도감소법의 신뢰성은 기존의 사면 안정 해석 결과를 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS로 재현함으로써 검증하였다. 또한, 상치 콘크리트에 작용하는 파압 분포를 고려하여 경사식 방파제 내부의 슬립 파괴 거동을 분석하였다. 해석 결과, 이 연구에서 사용한 단면 형상 및 물성 조건 하에서 파고 7m 조건에서 비원형 슬립 파괴면이 발생하였고, 안전율은 약 1.68로 산정되었다. 추가적으로 Latin Hypercube Sampling을 이용한 불확실성 해석을 수행하여 파고 변화에 따른 경사식 방파제의 취약도 곡선을 도출하였다. 분석 결과 파고가 증가함에 따라 파괴 확률이 급격히 증가하였으며, 임계 파고는 약 6.85m로 평가되었다. 이 연구는 강도감소법 기반 수치해석이 경사식 방파제의 내파 안정성 및 취약도 평가에 효과적으로 적용될 수 있음을 보여준다.

유연한 지반 위에 놓인 비정착식 원통형 액체저장탱크의 지진응답을 바닥판의 들림을 고려하여 산정하기 위한 유한요소 해석기법을 개발한다. 지반-구조물 상호작용력과 저장 액체 동수압력을 재료 및 기하 비선형 거동을 고려한 구조물의 비선형 유한요소 모형과 결합한다. 구조물과 지반 사이의 들림을 모사하기 위해 인장에 대해서는 강성을 무시할 수 있는 비선형 스프링 요소를 사용한다. 개발된 비선형 유한요소 모델을 사용하여 지진지반운동이 작용하는 액체저장탱크의 지진응답을 정밀히 산정한다. 구조물의 재료 및 기하 비선형 거동을 고려하면 구조물 벽체의 응력이 크게 증가하여 소성 응답이 증가하지만, 바닥 들림까지 고려하게 되면 구조물 바닥이 자유롭게 들리게 됨으로써 구조물의 응력과 소성 응답이 크게 감소하게 된다. 그러므로 구조물의 재료 및 기하 비선형 거동 뿐만이 아니라 구조물과 지반 접촉면의 분리(바닥 들림)와 같은 경계 비선형 거동을 엄밀히 고려하여 비정착 유체-구조물-지반 상호작용계의 지진응답을 정확히 산정해야 할 것이다.

본 연구에서는 계류용 석션앵커에 대해서 유한요소법을 이용한 비선형 좌굴해석을 수행하여 좌굴거동을 산정하고 이를 석션앵커의 좌굴설계에 주로 적용되고 있는 설계기준에서 제시하고 있는 좌굴거동과 비교 분석하였다. 해석모델은 shell요소를 이용하여 좌굴형상이 적절히 반영되도록 구성하였으며 설계기준에서 사용되는 단순화된 하중조건과 해중에서 설치되는 석션앵커의 복합적인 하중상태를 각각 고려하여 해석을 수행하였다. 그 결과 석션앵커의 좌굴거동은 면외방향 하중이 면내 수직하중보다 지배적이고, 면외방향 하중조건을 명시하고 있는 DNV설계기준이 보다 적용성이 높아 보이지만 비틀림과 전단력, 수리정역학적 면외하중의 경우에는 유한요소해석을 이용한 정확한 좌굴거동평가가 필요할 것으로 판단되었다. 추가적으로 설계기준과 해석에 의한 좌굴평가시 일관된 안전성을 확보할 수 있는 좌굴강도와 안전계수의 산정에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

본 논문에서는 경사기능재료(Functionally Graded Material, FGM) 개념과 위상최적설계 방법을 통해 3차원 경사기능복합재 구조(Functionally Graded Composite Structure, FGCS)의 설계 방법을 제안한다. 다중 스케일 복합재 구조 설계 시 이방성 재료 물성치의 계산은 RVE 기반 ML 모듈과 단위 사원수를 활용한 회전 행렬 계산을 통해 수행된다. 또한, 본 연구에서는 다양한 물리적 환경을 설계에 반영하기 위해 구조물의 강성과 함께 고유진동수를 목적함수로 설정한 다중 목적함수 최적설계를 수행하여 구조물의 최적화 형상과 성능을 분석한다.

이 논문에서는 강화학습 기반 제어기와 전통적인 제어기를 동일한 조건에서 비교함으로써 구조 진동 제어 문제에서 강화학습 제어기의 성능 특성과 한계를 규명하는 것을 목적으로 한다. 가장 단순한 비선형 제어로서 단자유도 가변 강성 시스템을 대상으로 심층 결정적 정책 경사(DDPG) 기반의 강화 학습 제어기를 설계하고, bang-bang 제어 및 제한 최적 제어와의 성능 비교를 수행하였다. 자유 진동 및 El Centro 지진 가속도에 의한 강제 진동 조건에서 공칭 성능과 센서 잡음이 존재하는 경우의 강인 성능을 분석하였다. 그 결과, 강화학습 제어기는 자유 진동 조건에서 우수한 강인 성능을 보였으나, 강제 진동 제어에서는 기존 제어기를 일관되게 상회하지는 못하였다. 이 연구는 동일한 보상 함수와 시스템 조건 하에서 강화학습 기반 진동 제어의 실질적 기여와 적용상의 한계를 기초적으로 제시하였다.

최근 BIM은 단순 3차원 모델링을 넘어 표준화된 속성 데이터의 품질 확보와 체계적 관리가 핵심 요구로 부각되고 있으며, 온톨로지 및 지식그래프 기반의 데이터 관리･추론 방식이 주목받고 있다. 그러나 지식그래프 기반 BIM 데이터는 부재 간 구조 관계 분석, 설계 검토, 물량･속성 정보 조회 등 실무 의사결정을 지원할 수 있으나, SPARQL･Cypher와 같은 그래프 질의어를 직접 작성해야 한다는 점에서 실무 적용에 제약으로 작용한다. 이를 위해 본 연구에서는 사용자가 자연어 질문을 기반으로 그래프 질의를 자동 생성할 수 있는 GraphRAG 기반 질의 자동 생성 프레임워크를 제안하였다. 먼저 CSV 기반 속성/관계 테이블에 규칙을 적용해 노드･관계를 생성하고 그래프 데이터베이스에 적재하는 CSV-to-LPG 파이프라인을 구현하여, LPG 지식그래프 구축 절차를 자동화하였다. 이후 Few-shot Learning 기반 프롬프트 설계를 통해 사용자의 자연어 질문을 Cypher 쿼리로 자동 변환하는 자동 질의 생성 모듈을 구현하였다. 전체 프레임워크는 Graph-ACQ 시스템으로 개발하여 라멘교 BIM 데이터를 기반으로 적용하였다. 검증 결과 LPG 스키마 유효성과 Cypher 자동 생성, Cypher 질의 수작업 과정에서 정확도 모두 100%를 달성하였고, 질의 생성 시간은 평균 7.1초에 처리되었다. GraphRAG 기반 질의 생성 방식은 부재 간 공간･구조 관계를 명시적으로 활용하므로, 설계･검토 과정에서 요구되는 연결 관계 분석, 구조 구성 파악, 물량･속성 정보 조회 등 관계 기반 질의를 자연어로 수행할 수 있다. 또한 Few-shot Learning 기반 접근을 적용하여 교량 뿐만 아니라 다양한 공종 내에서도 질의 생성을 가능하게 함으로써, 프로젝트의 확장성을 확보 가능하다.

전단 보강근이 불충분한 철근콘크리트(RC) 기둥에서 발생하는 전단 파괴 및 이에 따른 축 붕괴는 매우 치명적인 파괴 유형이다. 기존의 모델들은 힘 모멘트-전단력-축력 간의 복잡한 상호작용을 모사하는 데 한계가 있는 반면, 정밀 유한요소해석법은 전체 골조 해석에 적용하기에는 연산 비용이 높다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 재료 수준의 정밀도와 선요소의 해석 효율성을 결합한 새로운 매크로모델을 제안한다. 제안된 모델은 기둥을 3개의 요소로 분할한다. 면요소에는 수정 압축장 이론(MCFT)을 도입한 4절점 평면 응력 정식화를 적용하여, 콘크리트의 2축 응력 상태와 압축 연화(Compression Softening) 효과를 고려하였다. 또한, 해석의 수렴성과 평형 조건을 만족시키기 위해 이중 중첩 반복 계산 알고리즘을 개발하였다. 실험 데이터와의 검증 결과, 제안 모델은 기존 파이버 모델의 한계를 극복하고 최대 강도 이후의 내력 저하 및 전단 파괴 거동을 성공적으로 예측함을 확인하였다.