• Research Paper

    Degree-of-Freedom-Based Reduction Method for Modal Analysis of Repeated Structure

    반복 구조물의 모드 해석을 위한 효과적인 자유도 기반 축소 기법

    Geomji Choi and Seongmin Chang

    최검지, 장성민

    Despite the development of computational resources, the need to analyze models is increasing. The size of model has been increased to analyze ...

    본 논문에서는 자유도 기반 축소법과 부구조 기법을 적용한 반복 구조물의 효율적인 해석 기법을 소개한다. 기본 구조 반복된다는 특이성을 이용해 계산 방식을 개선하였다 ...

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    Despite the development of computational resources, the need to analyze models is increasing. The size of model has been increased to analyze the entire structure more accurately and precisely. As the analysis model becomes larger and more complex, the computation time increases exponentially. Various industries use many structures that have repeated patterns. We focus on these structures with repeated patterns and propose a dynamic analysis method to efficiently calculate these repeated structures. To devise an efficient method for repeated structures, the substructuring scheme and the degree of freedom-based reduction method are used in this study. We modify the existing reduction method in consideration of the characteristics of the repeating structure. In the proposed method, the entire structure was expressed as a combination of substructures, where each substructure was represented as an unit cell of repeated structures. The substructures were condensed and assembled using the substructuring scheme and the modified condensation method. Finally, numerical examples were demonstrated to verify the efficiency and accuracy of proposed method.


    본 논문에서는 자유도 기반 축소법과 부구조 기법을 적용한 반복 구조물의 효율적인 해석 기법을 소개한다. 기본 구조 반복된다는 특이성을 이용해 계산 방식을 개선하였다. 기본 구조를 하나의 부구조로 가정하고 IRS 기법을 통해 행렬을 축소하였고 부구조들의 결합 위치에 따라 축소된 행렬을 배치하여 계산하였다. 이 과정에서 행렬의 크기가 크게 줄어들어 계산 시간이 감소하고 그와 동시에 해석에 필요한 메모리의 용량이 줄어든다. 행렬 축소에 Guyan 축소법이 아닌 IRS기법을 사용하였기 때문에 추가적인 반복 계산 작업없이도 정확도가 유지된다. 개선된 방식은 수치 예제인 십자가 모양의 기본 구조를 통해 검증되었다.

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    April 2021
  • Research Paper

    Suggestions for Enhancing Sampling-Based Approach of Seismic Probabilistic Risk Assessment

    샘플링기반 지진 확률론적 리스크평가 접근법 개선을 위한 제언

    Shinyoung Kwag, Seunghyun Eem, Eujeong Choi, Jeong Gon Ha and Daegi Hahm

    곽신영, 임승현, 최유정, 하정곤, 함대기

    A sampling-based approach was devised as a nuclear seismic probabilistic risk assessment (SPRA) method to account for the partially correlated relationships between ...

    원자력시설 SPRA 방법으로서 기기 사이 부분 종속 관계를 정확하게 고려하기 위하여 샘플링기반접근법이 개발된 바 있다. 그러나 이는 샘플링 기반 방법이므로 정확한 지진 ...

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    A sampling-based approach was devised as a nuclear seismic probabilistic risk assessment (SPRA) method to account for the partially correlated relationships between components. However, since this method is based on sampling, there is a limitation that a large number of samples must be extracted to estimate the results accurately. Thus, in this study, we suggest an effective approach to improve the existing sampling method. The main features of this approach are as follows. In place of the existing Monte Carlo sampling (MCS) approach, the Latin hypercube sampling (LHS) method that enables effective sampling in multiple dimensions is introduced to the SPRA method. In addition, the degree of segmentation of the seismic intensity is determined with respect to the final seismic risk result. By applying the suggested approach to an actual nuclear power plant as an example, the accuracy of the results were observed to be almost similar to those of the existing method, but the efficiency was increased by a factor of two in terms of the total number of samples extracted. In addition, it was confirmed that the LHS-based method improves the accuracy of the solution in a small sampling region.


    원자력시설 SPRA 방법으로서 기기 사이 부분 종속 관계를 정확하게 고려하기 위하여 샘플링기반접근법이 개발된 바 있다. 그러나 이는 샘플링 기반 방법이므로 정확한 지진 리스크 산정을 위하여 많은 수의 샘플을 추출해야 하는 단점이 있다. 이에 따라 본 연구에서는 기존 방법을 개선하기 위한 효과적인 방법을 제안한다. 본 연구에서 제안한 방법의 주요한 특징은 다음과 같다. 기존 샘플링방법인 몬테카를로샘플링(MCS) 방법을 대신하여 다차원에서 효과적인 샘플링이 가능한 라틴하이퍼큐브샘플링(LHS) 방법을 샘플링기반 SPRA에 도입한다. 또한, 기존 지진세기 세분화 정도를 최종 지진 리스크 결과와 연계하여 결정한다. 제안된 방법이 결합된 샘플링기반 SPRA 접근법을 실제 원전 예제에 적용한 결과, 제안된 방법이 기존의 방법과 비교하여 결과 정확도에 있어서 거의 비슷하나 총 샘플 추출수 기준에서 효율성을 약 2배 가량 높이 것을 확인하였다. 또한, 샘플링 개수가 적은 영역에서 LHS 기반 방법이 MCS 기반 방법보다는 해의 정확도를 높이는 것을 확인할 수 있었다.

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    April 2021
  • Research Paper

    Modified K&C Model for Numerical Analysis of Steel-Fiber-Reinforced Concrete Structure

    강섬유 보강 콘크리트 구조물의 해석을 위한 K&C모델의 보정

    Gang-Kyu Park and Minjoo Lee

    박강규, 이민주

    This paper introduces a modified Karagozian & Case concrete model (K&C model) for the numerical analysis of a steel-fiber-reinforced concrete (SFRC) structure ...

    본 연구에서는 섬유보강콘크리트(SFRC) 구조물의 수치해석을 위한 K&C모델의 보정기법을 소개하였다. SFRC 1축 및 3축 압축강도 실험결과를 기반으로 보정을 수행하였으며, 단일요소 해석결과를 실험결과와 ...

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    This paper introduces a modified Karagozian & Case concrete model (K&C model) for the numerical analysis of a steel-fiber-reinforced concrete (SFRC) structure subjected to projectile impact. The original K&C model was calibrated to consider the effects of steel fibers accurately by modifying the strength surfaces and input parameters. Single element tests were then conducted and compared with uniaxial and triaxial compressive data to verify the modified model. With the application of a dynamic increase factor, the finite element model of the SFRC structure subjected to projectile impact was constructed. Thereafter, the applicability of the modified material model was examined by comparisons with the experimental results.


    본 연구에서는 섬유보강콘크리트(SFRC) 구조물의 수치해석을 위한 K&C모델의 보정기법을 소개하였다. SFRC 1축 및 3축 압축강도 실험결과를 기반으로 보정을 수행하였으며, 단일요소 해석결과를 실험결과와 비교함으로써 보정 기법의 검증을 수행하였다. 또한, 변형률 속도의 영향을 반형하기 위해 동적증가계수(DIF)를 고려하여 SFRC 구조물의 발사체 관통해석을 수행함으로써 보정기법의 적용 가능성을 확인하였다.

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    April 2021
  • Research Paper

    Finite Element Analysis of the Reinforced Concrete Boundary-Beam–Wall System Subjected to Axial Load

    축하중이 작용하는 RC 경계보-벽체 시스템의 해석적 평가

    Hong-Jun Son, Seung-Il Kim and Dae-Jin Kim

    손홍준, 김승일, 김대진

    In Korea, one of the most used structural systems for residential apartment buildings is the combination of the reinforced concrete (RC) wall ...

    현재 우리나라에서 설계 및 시공되는 대부분의 철근콘크리트 벽식구조 공동주택은 상부벽체-하부골조 시스템으로 구성되어 있으며 서로 다른 상하부 구조시스템의 결합을 위해 전이보를 이용한다. 상부의 ...

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    In Korea, one of the most used structural systems for residential apartment buildings is the combination of the reinforced concrete (RC) wall and rahmen structures in the upper and lower floors, respectively. To alleviate the significant difference between the stiffnesses of these two structural systems, large transfer girders are generally required in the transition zone of the structure, which then results in the use of large amounts of construction materials and low economic feasibility. This paper proposes a new RC boundary-beam–wall system that can minimize the disadvantages of the RC transfer girder system. The structural performance of the proposed system subjected to axial loading was evaluated via rigorous three-dimensional nonlinear finite element analysis. Four parameters, namely the ratio of lower wall to upper wall lengths, distance between stirrups, main bar slope ratio, and slab length, were considered in the finite element analysis, and their effects on the maximum axial load were analyzed and discussed.


    현재 우리나라에서 설계 및 시공되는 대부분의 철근콘크리트 벽식구조 공동주택은 상부벽체-하부골조 시스템으로 구성되어 있으며 서로 다른 상하부 구조시스템의 결합을 위해 전이보를 이용한다. 상부의 하중을 하부의 기둥 부재에 효율적으로 전달하기 위해 전이보가 큰 강성을 지녀야 하고 이로 인해 부재의 춤이 커져 많은 물량의 투입되고 전반적인 경제성이 떨어지게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기둥을 벽체요소로 대체하고 일반적인 콘크리트 전이보에 비해 규모가 작은 경계보를 수평 구조요소로 활용한 새로운 경계보-벽체 시스템을 제안한다. 제안된 시스템의 축하중에 대한 성능 평가를 위해 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 주요 설계변수로 상하부벽체 길이비, 경계보 부재의 전단보강근 간격, 하부벽체로 연속되는 상부벽체 수직근의 꺾임 비율, 슬래브 길이를 설정하고 제안된 시스템의 성능에 얼마나 기여하는지 분석하였다.

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    April 2021
  • Research Paper

    Automation of Krylov Subspace Model Order Reduction for Transient Response Analysis with Multiple Loading

    다중 하중 과도응답해석 과정에 대한 크리로프 부공간 모델차수축소법의 자동화

    Jeong Sam Han and Seung Hyun Kim

    한정삼, 김승현

    In general, several computational resources are required to perform multiple-loading transient response analyses. In this paper, we present the procedure for multiple-loading ...

    다중 하중 과도응답해석은 시간에 따른 작용 하중에 대한 과도응답을 확인하므로 정교한 시스템 모델링 및 조밀한 시간 간격을 가질수록 해당 시스템에 대한 동특성은 ...

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    In general, several computational resources are required to perform multiple-loading transient response analyses. In this paper, we present the procedure for multiple-loading transient response analysis using the Krylov subspace model order reduction and Newmark’s time integration scheme. We utilized ANSYS MAPDL, Python, and ANSYS ACT to automate the transient response analysis procedure in the ANSYS Workbench environment and studied several engineering numerical examples to demonstrate the feasibility and efficiency of the proposed approach.


    다중 하중 과도응답해석은 시간에 따른 작용 하중에 대한 과도응답을 확인하므로 정교한 시스템 모델링 및 조밀한 시간 간격을 가질수록 해당 시스템에 대한 동특성은 정확하게 나타내지만 이에 따른 계산 시간은 크게 증가하게 된다. 크리로프 부공간 기반 모델차수축소법은 기계 시스템이 가지는 동적 특성과 거의 동일한 결과를 나타내면서 계산 시간을 줄일 수 있기 때문에 효율적인 과도응답해석 방법이다. 본 연구에서는 다중 하중 및 이동 하중을 가지는 수치 예제를 통하여 크리로프 부공간 모델차수축소법 기반 과도응답해석을 수행하고, 이를 통해 초기 시스템 및 축소차수 모델의 정확성 및 효율성을 비교하였다. 또한, 시스템 행렬 추출, 크리로프 부공간의 기저 벡터로 구성되는 변환행렬 생성 및 축소차수모델 생성 그리고 이를 바탕으로 과도응답해석을 하는 절차를 수립하여 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS Workbench ACT를 통해 과도응답해석 과정 자동화를 구현하여 그 효용성과 효율성을 보였다.

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    April 2021
  • Research Paper

    Consistent Boundary Condition for Horizontally-Polarized Shear (SH) Waves Propagated in Layered Waveguides

    층상 waveguide에서의 SH파 전파 해석을 위한 경계조건

    Jin Ho Lee

    이진호

    The wave-propagation phenomenon in an infinite medium has been used to describe the physics in many fields of engineering and natural science ...

    무한 매질에서의 파전파 현상은 공학과 자연과학의 여러 분야에서 다양한 물리적 현상을 서술하는데 활용되고 있고, 이 문제에 대한 해를 얻기 위하여 해석적 방법 ...

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    The wave-propagation phenomenon in an infinite medium has been used to describe the physics in many fields of engineering and natural science. Analytical or numerical methods have been developed to obtain solutions to problems related to the wave-propagation phenomenon. Energy radiation into infinite regions must be accurately considered for accurate solutions to these problems; hence, various numerical and mechanical models as well as boundary conditions have been developed. This paper proposes a new boundary condition that can be applied to scalar-wave or horizontally-polarized shear-wave (or SH-wave) propagation problems in layered waveguides. A governing equation is obtained for the SH waves by applying finite-element discretization in the vertical direction of the waveguide and subsequently modified to derive the boundary condition for the infinite region of the waveguide. Using the orthogonality of the eigenmodes for the SH waves in a layered waveguide, the new boundary condition is shown to be equivalent to the existing root-finding absorbing boundary condition; further, the accuracy is shown to increase with the degree of the new boundary condition, and its stability can be proven. The accuracy and stability are then demonstrated by applying the proposed boundary condition to wave-propagation problems in layered waveguides.


    무한 매질에서의 파전파 현상은 공학과 자연과학의 여러 분야에서 다양한 물리적 현상을 서술하는데 활용되고 있고, 이 문제에 대한 해를 얻기 위하여 해석적 방법 또는 수치적 방법이 개발되어 사용되고 있다. 이 문제에 대한 정확한 해를 얻기 위해서는 무한 영역으로의 에너지 방사를 정확히 고려해야 하고, 이를 위해 다양한 수치적 또는 역학적 모형 또는 경계조건이 개발되었다. 이 연구에서는 층상 waveguide에서의 scalar wave 또는 SH파 전파 문제에 적용할 수 있는 새로운 경계조건을 제안하고자 한다. 이를 위해 waveguide의 수직방향으로 유한요소 이산화를 적용하여 얻은 SH파의 지배방정식을 변형하여 waveguide의 무한 영역의 영향을 나타내는 경계조건을 유도한다. 층상 waveguide에서의 SH파에 대한 고유모드의 직교성을 이용하여, 새로운 경계조건은 기존의 root-finding absorbing boundary condition와 동등함을 보이고, 이로부터 새로운 경계조건의 차수가 증가할수록 정확성이 증가하고, 또한 이산화된 수준에서도 안정함을 유도할 수 있다. 제안된 경계조건을 층상 waveguide에서의 파전파 문제에 적용하여 그 정확성과 안정성을 검증한다.

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    April 2021