• Research Paper

    Improvement of the Phase Section Method for Multi-material Topology Optimization

    다중 물질 위상최적설계를 위한 페이즈섹션 설계법 개선

    Min-sung Kang, Cheolwoong Kim and Jeonghoon Yoo

    강민성, 김철웅, 유정훈

    Recently, multi-material structural topology optimization is more critical because it provides reasonable solution to weight reduction challenges and can as well provide …

    최근에는 경량화 문제에 대한 합리적인 솔루션을 제공하고 유용한 개념설계를 제공할 수 있는 다중 재료 구조 위상최적화가 더욱 중요해지고 있다. 기존의 MMTO(Multi-Material Topology …

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    Recently, multi-material structural topology optimization is more critical because it provides reasonable solution to weight reduction challenges and can as well provide effective conceptual design. For conventional multi-material topology optimization (MMTO), the number of design variable increases when the number of candidate materials increases, and accordingly, a significant increase in computational time occurs. Therefore, MMTO with a single design variable, such as the phase section method (PSM) was proposed . This research is focused on improving the PSM, considering three major limitations: the composition ratio does not represent the area or volume ratio, design variables are not sufficiently concentrated to target values, and certain materials are created less than they are required. To address such limitations, the redefined composition ratio and adjusted parameters for better convergence are proposed. The validation of proposed modifications is verified via two- and three-dimensional numerical examples.


    최근에는 경량화 문제에 대한 합리적인 솔루션을 제공하고 유용한 개념설계를 제공할 수 있는 다중 재료 구조 위상최적화가 더욱 중요해지고 있다. 기존의 MMTO(Multi-Material Topology Optimization)의 경우 후보 물질의 수가 증가할수록 설계변수의 수도 증가하고, 결과적으로 계산 시간이 크게 증가한다. 따라서 PSM(Phase Section Method)과 같은 단일 설계변수를 갖는 MMTO가 제안되었다. 본 연구는 조성비가 면적이나 부피비를 나타내지 못하고, 설계변수가 목표치에 충분히 집중되지 않고, 특정 재료가 요구량보다 적게 생성되는 PSM의 세 가지 주요 제한점을 고려하여 이를 개선하는데 중점을 둔다. 이러한 한계를 극복하기 위해 재정의된 조성비와 더 나은 수렴을 위한 조정된 매개변수를 제안한다. 제안된 수정 사항의 유효성을 2차원 및 3차원 수치 예제를 통해 검증한다.

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    30 April 2022
  • Research Paper

    Numerical Simulation of 72m-Long Ultra High Performance Concrete Pre-Stressed Box Girder

    72m 초고강도 콘크리트 프리스트레스트 박스 거더의 수치 해석

    Viet-Chinh Mai and Sang Mook Han

    마이비엣징, 한상묵

    The study presents a three-dimensional approach to simulate the nonlinear behavior of a 72 m long Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete …

    이 논문은 72m 초고강도 콘크리트 섬유보강 콘크리트 프리스트레스트 박스거더의 비선형 거동을 해석하는 3차원 해석방법을 제시하였다. UHPC재료의 비선형 거동을 나타내기 위해 콘크리트 손상소성(CDP)모델을 …

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    The study presents a three-dimensional approach to simulate the nonlinear behavior of a 72 m long Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) pre-stressed box girder for a pedestrian bridge in Busan, South Korea. The concrete damage plasticity (CDP) model is adopted to model the non-linear behavior of the UHPFRC material, in which the material properties are obtained from uniaxial compressive and tensile tests. The simulation model based on the proposed stress-strain curve is validated by the results of four-point bending model tests of a 50 m UHPFRC pre-stressed box girder. The results from the simulation models agree with the experimental observations and predict the flexural behavior of the 50 m UHPFRC pre-stressed box girder accurately. Afterward, the validated model is utilized to investigate the flexural behavior of the 72 m UHPFRC pre-stressed box girder. Here, the load-deflection curve, stress status of the girder at various load levels, and connection details is analyzed. The load-deflection curve is also compared with design load to demonstrate the great benefit of the slender UHPFRC box girder. The obtained results demonstrate the applicability of the nonlinear finite element method as an appropriate option to analyze the flexural behavior of pre-stressed long-span girders.


    이 논문은 72m 초고강도 콘크리트 섬유보강 콘크리트 프리스트레스트 박스거더의 비선형 거동을 해석하는 3차원 해석방법을 제시하였다. UHPC재료의 비선형 거동을 나타내기 위해 콘크리트 손상소성(CDP)모델을 채택하였다. 제시된 응력-변형률 관계 곡선에 근거한 수치해석 모델은 50m UHPC 프리스트레스트 박스 거더 휨실험결과로 검증하였다. 검증된 해석모델을 사용하여 72m UHPC 프리스트레스트 박스거더의 휨거동을 파악하는데 적용하였다. 각 하중단계에 따른 하중 변위관계, 응력상태 및 연결부분 상세를 해석하였다. 하중-변위관계 곡선과 설계하중 및 극한하중 비교 결과는 UHPC 박스거더 휨거동을 해석하는 적절한 수단으로써 비선형 유한요소법의 적용성을 입증하고 있다.

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    30 April 2022
  • Research Paper

    A Study on the Effects of Nuclear Power Plant Structure-Component Interaction in Component Seismic Responses

    원전 구조물-기기 상호작용이 기기 지진응답에 미치는 영향 연구

    Shinyoung Kwag, Seunghyun Eem, Kwangsub Jung, Jaewook Jung and In-Kil Choi

    곽신영, 임승현, 정광섭, 정재욱, 최인길

    Seismic design and analysis of nuclear power plant components are performed based on an decoupled model. However, this decoupled analysis has a …

    원자력발전소 기기 내진설계 및 지진해석은 비연계모델을 대상으로 수행된다. 그러나 이러한 비연계해석은 실제 구조물-기기 간 상호작용 등의 실제 현상을 모사할 수 없기 때문에 …

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    Seismic design and analysis of nuclear power plant components are performed based on an decoupled model. However, this decoupled analysis has a limitation in that it generates inaccurate results compared to the coupled analysis because it cannot simulate actual phenomena such as the interaction between structures and components. Thus, this study performed seismic coupled and decoupled analysis on an existing nuclear containment structure and related components, considering the mass and natural frequency ratios. And based on these results, comparative analyses of responses of components were conducted. Consequently, the seismic coupled analysis result generally gave a smaller value than the decoupled analysis result. These results were similar to the analysis results for the simple coupled model, which was an existing study, but the difference in component responses was much more pronounced. Also, this was influenced by the installation location of the component rather than the influence of the input frequency of the input seismic motions. Finally, the difference between the decoupled and coupled seismic analysis occurred in the region where the mass ratio of the components was large, and the natural frequencies were almost similar due to the considerable dynamic interaction between the structure and the component in this realm.


    원자력발전소 기기 내진설계 및 지진해석은 비연계모델을 대상으로 수행된다. 그러나 이러한 비연계해석은 실제 구조물-기기 간 상호작용 등의 실제 현상을 모사할 수 없기 때문에 연계해석에 비하여 정확하지 못한 결과를 발생시키게 된다는 한계를 가진다. 이러한 배경 아래 이 연구는 실제 원전 격납건물 구조물 및 관련 부계통을 대상으로 질량비와 고유진동수비를 고려하여 지진 연계해석과 비연계해석을 수행하고, 이를 바탕으로 부계통에서의 응답을 비교 분석하였다. 결과적으로 지진 연계해석 결과가 비연계해석 결과보다 대다수 작은 값을 주는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 기존 연구인 단순한 연계모델에 대한 해석 결과와 유사하지만, 부계통 응답 차이는 훨씬 더 두드러지게 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 이는 지진파의 입력 주파수의 영향보다는 부계통의 설치위치에 영향을 받는 것으로 확인되었다. 마지막으로 비연계 및 연계 지진해석의 차이가 부계통의 질량비가 크고, 고유진동수가 거의 일치하는 영역에서 발생하는 이유는 이 영역에서 주계통과 부계통 동적 상호작용이 크게 나타나기 때문인 것으로 보인다.

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    30 April 2022
  • Research Paper

    Collision Behavior Comparison of Offshore Wind Tower as Type of Support Structure

    지지구조의 형식에 따른 해상풍력타워의 선박충돌거동비교

    Gye-Hee Lee and Dae-Jin Kwag

    이계희, 곽대진

    The collision behaviors of the tripod and jacket structures, which are considered as support structures for offshore wind towers at the Southwest …

    본 논문에서는 한국의 서남해상에 건설예정인 해상풍력발전타워의 지지구조물로 고려되고 있는 세발구조와 자켓구조의 선박충돌 거동을 비선형동적해석을 통하여 비교‧분석하였다. 이 구조물은 3MW용량의 풍력타워를 지지하기 위하여 …

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    The collision behaviors of the tripod and jacket structures, which are considered as support structures for offshore wind towers at the Southwest sea of Korea, were compared by nonlinear dynamic analysis. These structures, designed for the 3 MW capacity of the wind towers, were modeled using shell elements with nonlinear behaviors, and the tower structure including the nacelle, was modeled by beam and mass elements with elastic materials. The mass of the tripod structure was approximately 1.66 times that of the jacket structure. A barge and commercial ship were modeled as the collision vessel. To consider the tidal conditions in the region, the collision levels were varied from –3.5 m to 3.5 m of the mean sea level. In addition, the collision behaviors were evaluated as increasing the minimum collision energy at the collision speed (=2.6 m/s) of each vessel by four times, respectively. Accordingly, the plastic energy dissipation ratios of the vessel were increased as the stiffness of collision region. The deformations in the wind tower occurred from vibration to collapse of conditions. The tripod structure demonstrated more collision resistance than the jacket structure. This is considered to be due to the concentrated centralized rigidity and amount of steel utilized.


    본 논문에서는 한국의 서남해상에 건설예정인 해상풍력발전타워의 지지구조물로 고려되고 있는 세발구조와 자켓구조의 선박충돌 거동을 비선형동적해석을 통하여 비교‧분석하였다. 이 구조물은 3MW용량의 풍력타워를 지지하기 위하여 설계되었다. 두 지지구조는 쉘요소를 이용하여 비선형 거동을 고려할 수 있도록 모델링하였고, 발전기를 포함하는 상부의 타워구조물은 탄성재료를 이용하여 보요소와 집중질량으로 모델링하였다. 전체 질량은 세발구조가 자켓구조에 비하여 약 1.66배 정도였다. 바지선과 상선을 충돌선박으로 선정하여 모델링하였다. 조수차의 조건을 고려하여 충돌선박의 충돌위치를 평균해수면의 상하로 3.5m변동하는 것으로 고려하였다. 또한 각 선박의 최소충돌속도(=2.6m/s)에서의 충돌에너지를 각각 4배까지 증가시키면서 충돌거동을 산정하였다. 해석결과 지지구조 충돌부위의 강성이 클수록 선박의 소성에너지 소산량이 상대적으로 증가하였다. 충돌조건에 따라 풍력타워의 변형은 진동에서 붕괴까지 발생하였다. 세발구조가 자켓구조에 비하여 큰 충돌저항력을 보였다. 이는 중앙부에 강성이 집중된 구조적 특성과 상대적으로 많은 강재의 사용량에 기인한 것으로 판단된다.

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    30 April 2022
  • Research Paper

    Application of Gaussian Mixture Model for the Analysis of the Nanoindentation Test Results of the Metakaolin-based Geopolymer with Different Silicon-to-Aluminum Molar Ratio

    실리콘-알루미늄 몰 비의 변화에 따른 메타카올린 지오폴리머의 나노인덴테이션 결과 분석을 위한 가우시안 믹스쳐 모델의 활용

    Sungwoo Park

    박성우

    This study proposes the deconvolution method for the nanoindentation test results of geopolymer employing the Gaussian mixture model. Geopolymer has been studied …

    본 논문에서는 지오폴리머의 상변화를 관찰하기 위하여 나노인덴테이션 데이터를 가우시안 믹스쳐 모델로 분석하는 방법을 제시하였다. 지오폴리머는 일반 시멘트 대비 CO2 발생량을 줄일 …

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    This study proposes the deconvolution method for the nanoindentation test results of geopolymer employing the Gaussian mixture model. Geopolymer has been studied extensively as an alternative construction material because it emits relatively lower CO2 compared to ordinary Portland cement. Geopolymer is made of aluminosilicate and alkaline solution, and the Si/Al molar ratio affects its mechanical properties. Previous studies revealed that the Si/Al molar ratio of 1.8~2.0 results in the highest compressive strength, and the Si/Al molar ratio over 1.8 degrades the compressive strength of geopolymer severely; however the reason for the compressive strength degradation is still unclear. To understand the effect of the Si/Al molar ratio on the geopolymer structure, this study exploits the nanoindentation. The phase deconvolution of the indent modulus data is successful using the Gaussian mixture model, and it is observed that the Si/Al molar ratio alters the homogeneity of the geopolymer. Geopolymer becomes more homogeneous up to an Si/Al molar ratio of 1.8 at which geopolymer exhibits the highest compressive strength. The examination of this study is assumed to be adopted as evidence of strength degradation by the Si/Al ratio higher than the optimum value.


    본 논문에서는 지오폴리머의 상변화를 관찰하기 위하여 나노인덴테이션 데이터를 가우시안 믹스쳐 모델로 분석하는 방법을 제시하였다. 지오폴리머는 일반 시멘트 대비 CO2 발생량을 줄일 수 있어 시멘트 대체 재료로써 많은 연구가 이루어지고 있다. 기존 연구들로부터 최적의 실리콘/알루미늄 비율을 찾았으나 1.8 초과에서 압축강도 저하의 원인은 아직 불분명하다. 본 연구에서는 실리콘/알루미늄 비율이 재료에 미치는 영향을 조사하고자 나노인덴테이션 실험을 수행하였다. 실험 결과를 가우시안 믹스쳐 모델로 상분석하였고, 실리콘/알루미늄 비율이 증가할수록 재료가 균질거동을 하는 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구결과는 강도저하를 규명하는데 직접적인 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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    30 April 2022
  • Research Paper

    Parametric Study on Effect of Floating Breakwater for Offshore Photovoltaic System in Waves

    해상태양광 구조물용 부유식 방파제의 파랑저감성능 평가

    Hyun-Sung Kim, Byoung Wan Kim and Kangsu Lee

    김현성, 김병완, 이강수

    There has been an increasing number of studies on photovoltaic energy generation system in an offshore site with the largest energy generation …

    기존 화석 연료의 고갈 및 환경오염의 문제와 대용량 발전을 위하여 해양환경 및 자원을 이용한 친환경에너지 발전에 대한 연구 및 개발이 증가하고 있으며, …

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    There has been an increasing number of studies on photovoltaic energy generation system in an offshore site with the largest energy generation efficiency, as increasing the researches and developments of renewable energies for use of offshore space and resources to replace existing fossil fuels and resolve environmental challenges. For installation and operation of floating photovoltaic systems in an offshore site with harsher environmental conditions, a stiffness of structural members comprising the total system must be reinforced to inland water spaces as dams, reservoirs etc., which have relatively weak condition. However, there are various limitations for the reinforcement of structural stiffness of the system, including producible size, total mass of the system, economic efficiency, etc. Thus, in this study, a floating breakwater is considered for reducing wave loads on the system and minimizing the reinforcement of the structural members. Wave reduction performances of floating breakwaters are evaluated, considering size and distance to the system. The wave loads on the system are evaluated using the higher-order boundary element method (HOBEM), considering the multi-body effect of buoys. Stresses on structural members are assessed by coupled analyses using the finite element method (FEM), considering the wave loads and hydrodynamic characteristics. As the maximum stresses on each of the cases are reviewed and compared, the effect of floating breakwater for floating photovoltaic system is checked, and it is confirmed that the size of breakwater has a significant effect on structural responses of the system.


    기존 화석 연료의 고갈 및 환경오염의 문제와 대용량 발전을 위하여 해양환경 및 자원을 이용한 친환경에너지 발전에 대한 연구 및 개발이 증가하고 있으며, 이 중 높은 발전 효율을 가진 해상태양광 발전에 대한 연구가 크게 증가하고 있다. 환경하중이 비교적 약한 내수조건과 달리, 환경하중이 강한 해양에서의 태양광 발전을 위해서는 더 강한 강성의 구조재를 사용해야 한다. 하지만, 구조재의 생산 가능성, 무게를 포함한 구조물 특성 및 경제적 효율성 등의 제약조건이 발생할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 부유식 방파제를 설치함으로써 태양광구조물에 작용하는 파랑하중을 감소시켜 구조재의 강성 강화를 최소화하고자 하였다. 부유식 방파제의 크기 및 구조물로부터의 거리를 변화하여 이에 따른 파랑하중 및 구조재 응력의 감소 정도를 확인하였다. 다수 부력체의 상호간섭을 고려한 파랑하중의 경우, 고차경계요소법(Higher-Order Boundary Element Emthod)을 이용해 산정하였으며, 구조재에 작용하는 응력은 유한요소법(Finite Element Method)을 통해 평가하였다. 각 조건에서의 최대응력을 분석 및 비교함으로써 해상태양광 발전 시스템에 대한 부유식 방파제의 영향을 확인하였으며, 부유식 방파제의 크기가 파랑하중 및 구조재 응력 감소에 큰 영향을 미침을 확인하였다.

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    30 April 2022
  • Research Paper

    Analysis on Long Term Behavior in 120-Story High-Rise Buildings according to Lateral-Load-Resisting Systems

    120층 규모 초고층 건물에 대한 횡력저항시스템 적용에 따른 장기거동 분석

    Gyeong-Chan Kim and Jae-Yo Kim

    김경찬, 김재요

    It is essential to control the lateral displacement and differential axial shortening of the vertical elements in high-rise buildings. The differential axial …

    초고층 건물에서 수평변위 제어와 수직부재에서 발생하는 부등축소에 대한 검토가 필수적이다. 이러한 부등축소는 비구조요소의 사용성과 구조요소의 안전성에 대해 문제를 야기할 수 있다. 따라서 …

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    It is essential to control the lateral displacement and differential axial shortening of the vertical elements in high-rise buildings. The differential axial shortening can cause challenges in the serviceability and safety of non-structural and structural elements, respectively. Hence, in this study, the differential axial shortening of the vertical elements and effects of long term behaviors of concrete are analyzed in 120-story high-rise buildings via the construction sequence analysis. Consequently, the axial shortening of the vertical elements is classified into elastic, creep, and shrinkage shortening, and dominant factors to the maximum axial shortening are analyzed. In addition, the serviceability of the non -structural elements is checked with a differential axial shortening at 30 years after completion of construction, and member forces at design and construction stages in girders and outrigger walls are compared.


    초고층 건물에서 수평변위 제어와 수직부재에서 발생하는 부등축소에 대한 검토가 필수적이다. 이러한 부등축소는 비구조요소의 사용성과 구조요소의 안전성에 대해 문제를 야기할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 120층 규모의 철근콘크리트 주거용 초고층 건물에 대해 시공단계해석을 수행하여 각 수직부재의 부등축소량을 비교하고 콘크리트의 장기거동의 영향을 분석하였다. 이를 위해 영향요인에 따라 축소량을 탄성축소량, 크리프축소량, 건조수축축소량으로 구분하여 검토하였으며 최대 절대축소량에 대한 지배적 요인을 분석하였다. 또한, 입주완료 후 30년에서 발생한 부등축소량에 대해 사용성 검토를 진행하였으며, 구조요소에 대해 설계단계와 시공단계의 부재력을 비교하여 분석하였다.

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    30 April 2022
  • Research Paper

    Optimum Stiffness of the Sleeper Pad on an Open-Deck Steel Railway Bridge using Flexible Multibody Dynamic Analysis

    유연다물체동적해석을 이용한 무도상교량 침목패드의 최적 강성 산정

    Sooho Chae, Minsu Kim, In-Chul Back and Sanghyun Choi

    채수호, 김민수, 백인철, 최상현

    Installing Continuous Welded Rail (CWR) is one of the economical ways to resolve the challenges of noise, vibration, and the open-deck steel …

    레일장대화는 무도상교량의 소음, 진동, 충격 등의 문제점을 해결할 수 있는 경제적인 방안 중 하나이며, 최근 연동식 침목고정장치를 이용한 SSF 공법이 개발된 바 …

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    Installing Continuous Welded Rail (CWR) is one of the economical ways to resolve the challenges of noise, vibration, and the open-deck steel railway bridge impact, and the SSF method using the interlocking sleeper fastener has recently been developed. In this study, the method employed for determining the optimum vertical stiffness of the sleeper pad installed under the bridge sleeper, which is utilized to adjust the rail height and absorb shock when the train passes when the interlocking sleeper fastener is applied, is presented. To determine the optimal vertical stiffness of the sleeper pad, related existing design codes are reviewed, and, running safety, ride comfort, track safety, and bridge vibration according to the change in the vertical stiffness of the sleeper pad are estimated via flexible multi-body dynamic analysis,. The flexible multi-body dynamic analysis is performed using commercial programs ABAQUS and VI-Rail. The numerical analysis is conducted using the bridge model for a 30m-long plate girder bridge, and the response is calculated when passing ITX Saemaeul and KTX vehicles and freight wagon when the vertical stiffness of the sleeper pad is altered from 7.5 kN/mm to 240 kN/mm. The optimum stiffness of the sleeper pad is calculated as 200 kN/mm under the conditions of the track components applied to the numerical analysis.


    레일장대화는 무도상교량의 소음, 진동, 충격 등의 문제점을 해결할 수 있는 경제적인 방안 중 하나이며, 최근 연동식 침목고정장치를 이용한 SSF 공법이 개발된 바 있다. 이 연구에서는 연동식 침목고정장치 적용 시 레일 높이 조정 및 열차 통과 시의 충격 흡수를 목적으로 교량침목 하부에 삽입되는 침목패드의 최적 연직강성을 결정하는 과정을 제시하였다. 침목패드의 최적 연직강성 결정을 위하여 관련 기존 기준을 검토하였으며, 유연다물체동적해석을 통하여 침목패드의 연직강성 변화에 따른 주행안전성, 승차감 및 궤도의 안전성에 대한 지표들과 교량 응답 변화를 검토하였다. 유연다물체동적해석은 상용프로그램인 ABAQUS와 VI-Rail을 이용하여 수행하였다. 수치해석은 30m 상로판형교에 대한 교량모델을 이용하여 수행하였으며, 침목패드의 연직강성이 7.5kN/mm ~ 240kN/mm로 변화할 때 ITX 새마을, KTX 및 화차 통과 시의 응답을 산정하였다. 수치해석에 적용된 궤도구성품 조건에서 침목패드의 최적 강성은 100kN/mm로 산정되었다.

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    30 April 2022