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

내부 폭발 조건에서 화약이 폭발하게 되면, 연소되지 못한 화약이 공기와 반응하여 추가적인 에너지를 발생시키는 현상을 재연소 현상이라고 한다. 재연소 현상은 최대 폭압과 충격량을 높이는 역할을 하기 때문에 전산수치해석을 이용한 폭압 전파 특성을 예측을 수행할 때 반드시 고려해야 한다. 본 논문에서는 재연소 조건을 고려한 내부폭발 전산수치해석 방법을 검증하기 위해 3종류의 서로 다른 형태의 내부폭발 실험과 비교하였다. 그 결과, 재연소 조건을 적용하지 않았을 때는 최대 폭압과 충격량 차이가 최대 45.13%, 68.54% 발생하였으나, 재연소 조건을 고려하여 해석을 수행하였을 경우 최대 폭압과 충격량의 차이가 각각 18.08%, 15.17%로 크게 줄어들었다.

본 연구는 꼬막 패각 잔골재와 PP 폐어망 섬유를 혼입한 자원순환 콘크리트의 역학적 성능과 계면 변화 영역에서의 미세구조 특성을 분석하였다. 패각 잔골재와 폐어망 섬유를 적절한 방법으로 전처리하고 자원화를 고려하여 3D 프린팅 콘크리트 배합을 선정해 콘크리트 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 KS L ISO 679 규정에 따라 압축강도와 휨강도를 측정하였고, BSE 모드를 이용한 SEM 이미지 촬영을 통해 미세구조를 분석하였다. SEM 이미지는 히스토그램 및 형상 기반 상 분리 방법, 그리고 계면 변화 영역의 픽셀값 차이를 활용하여 이미지를 분리하고 미세구조를 분석하였다. 역학적 성능을 확인하기 위해 PP 섬유를 0.0%, 0.5%, 1.0vol.% 혼입한 시편의 압축강도와 휨강도를 측정한 결과, PP 섬유 0.5vol.% 혼입 시 섬유 브릿징 효과로 인해 가장 높은 압축 및 휨강도가 나타났다. SEM 이미지 분석 결과, 일반 잔골재와 바인더 계면보다 패각 잔골재와 바인더 계면에서 더 큰 직경의 공극이 관찰되었으며, PP 섬유와 바인더 계면에서는 상대적으로 작은 공극이 형성됨을 확인하였다. 이를 바탕으로 미세구조 분석 결과와 역학적 성능 간의 상관관계를 규명하였다.

금속 방탄재에 탄환이 고속 충돌 시, 탄환과 방탄재 사이에 복잡한 비선형 변형과 열적-기계적 상호작용이 발생한다. 이로 인해 방탄 성능을 결정하는 주요 물성을 평가하는 것은 매우 어렵다. 본 연구에서는 금속 방탄재의 기계적 물성에 대해 분산분석을 수행하여 방탄성능에 대한 영향성을 통계적으로 확인하였다. LS-Dyna 상용 소프트웨어를 이용하여 금속재료에 대한 탄도 충격 현상 유한요소모델을 구현하였으며, NATO 회원국 간의 표준화 협정 규격에 따른 파편모의탄을 사용하였다. STANAG 4569를 기준으로 비관통 조건에서는 630m/s, 관통조건에서는 960m/s 속도로 충돌해석 수행하였고, 각각에 대한 분산분석을 수행하였다. Armox500T의 기본 물성을 중심점으로 설정한 중심합성계획법을 이용하여 실험점을 배치하였으며, 완전2차 표면모델을 통해 방호 성능을 결정 짓는 금속재료의 주요 기계적 물성에 대한 영향성을 평가하고, 물성 간의 상호작용 효과를 확인하였다.

본 논문에서는 최근 제안된 신뢰성 기반 리질리언스 평가 기법을 기반으로 지역 별 지진 특성이 구조물의 리질리언스 성능에 미치는 영향을 정량정으로 평가하였다. 이를 위해 한국 경주와 캐나다 밴쿠버를 대상 지역으로 선정하여 동일 구조물에 대한 리질리언스 해석을 수행하였다. 각 지역에 해당하는 설계 응답 스펙트럼곡선을 바탕으로 그에 상응하는 지진동을 생성하였고, 6층 철골 구조물을 대상 구조물로 선정하여 해석을 수행하였다. 신뢰성 및 여용성 지수 산정 시 층간 변위의 한계상태 초과 사건을 구성요소의 파괴사건으로, 최상단 변위의 한계상태 초과 사건을 시스템 단위의 파괴로 정의하였다. 고전 취약도 해석과 유사한 증분동적해석을 수행하여 신뢰성과 여용성을 평가하였고, 계산 결과, 두 지역의 리질리언스에 유의미한 차이가 있음을 확인하였다. 특히 장주기 증폭이 예상되는 밴쿠버 지역의 경우 경주에 비해 구조물의 여용성이 크게 감소하는 것을 확인하였다.

최근 콘크리트 타설 중 구조체, 거푸집 및 동바리 사고가 지속적으로 발생하고 있으며, 특히 슬래브 두께가 증가한 비기준층이 존재하는 다층지지 RC 구조 시스템에서 빈번하게 발생하였다. 양생 온도는 콘크리트의 강도와 강성을 결정하는 주요한 요인이며 이에 따라 시공 하중의 분포가 변화한다. 이 연구에서는 양생 온도에 따른 시공 하중의 분포를 분석하기 위하여 온도와 재령에 따른 적산 온도 이론을 사용하여 등가 재령을 계산하고, 이에 따른 슬래브 콘크리트의 강도 및 강성을 산정하여 시공 하중, 시공 손상 변수의 변화에 대하여 분석하였다. 시공 하중은 평균 양생 온도가 낮아질 때 초기 재령에서는 소폭 감소하고, 충분한 재령이 지난 후에는 증가하였다. 시공 손상 변수는 평균 양생 온도가 낮아질 때 크게 증가함을 확인하였다.

본 논문에서는 진동대 실험 데이터를 활용하여 기존 지진취약도 곡선을 업데이트하기 위해 파티클 필터링(Particle Filtering, PF)의 적용 타당성을 분석하였다. PF는 비선형적이며, 비가우시안적인 문제를 다루는 데 적합하며, 기존 베이지안 업데이트 기법인 분산점 변환(Unscented Transformation, UT)과 마르코프 연쇄 몬테카를로(Markov Chain Monte Carlo, MCMC)에 비해 지진취약도 곡선 업데이트 과정에서 더 높은 정확성과 안정성을 제공하였다. 연구 결과, PF는 HAZUS, HRC, 변형률 기반(Strain-based) 손상 상태에서 기존 기법보다 더 보수적인 지진취약도 곡선을 도출하였으며, 불확실성이 큰 상황에서도 안정적인 결과를 제공하였다. 특히, PF는 재추출(Resampling) 과정을 통해 불확실성을 효과적으로 감소시켜 더 신뢰할 수 있는 지진취약도 평가 결과를 제공하였다. 본 연구는 PF가 지진공학 분야에서 지진취약도의 정확성과 안정성을 높이는 데 유용한 도구임을 시사한다.

본 논문에서는 구조물 보수 및 보강 작업 중 발생할 수 있는 안전사고를 방지하기 위해 지능형 동시 인상 시스템을 개발하였다. 시스템은 인상 장치와 인상 지점 결정 및 자동 인상 기능을 갖춘 통계분석 프로그램으로 구성되며, 자동화된 과정을 통해 일관된 시공 품질을 보장할 수 있다. 통계분석 프로그램은 피어슨 상관관계 분석 알고리즘을 사용하여 각 지점 간 인상량의 선형 관계를 평가하고, 가장 약한 관계성을 지닌 지점을 다음 인상 지점으로 결정한다. 이러한 과정을 반복하여 지점 간 편차를 최소화하고 정밀한 동시 인상이 가능하게 한다. 실제 교량을 대상으로 실험한 결과, 각 지점의 변위는 목표 인상량에 근접한 높은 정밀도와 허용 가능한 범위의 편차를 나타내었다. 또한, 인상 과정에서도 지점 간 편차가 감소하고 높은 선형 관계를 유지하여 동시 인상이 성공적으로 수행됨을 확인하였다. 본 시스템은 선행 연구와 비교하여 성능이 개선되었으며, 복잡한 구조물의 정밀한 인상 작업에 효과적으로 적용 가능함을 입증하였다.

복합화력발전소는 가스터빈의 특성상 잦은 기동과 정지에 노출되며, 특히 배기부의 케이싱은 고온의 작동 유체가 실온 상태의 외기와 만나기 때문에 볼트 체결부에서 열 피로 파괴가 발생한다. 비용과 시간의 효율성을 위해 운전에 경미한 영향을 미치는 균열 부위는 용접 보수 작업 후 운용된다. 그러나 용접 과정에서 발생한 잔류 응력과 소성 변형이 케이싱에 미치는 영향을 조사하기 어렵기 때문에 균열 보수 용접 케이싱의 피로 수명을 예측하여 운전을 얼마나 지속할 수 있는지 연구할 필요가 있다. 본 연구에서 유한요소해석과 피로해석을 순차적으로 수행하여, 운전 조건에 따른 응력 및 변형률 진폭을 기반으로 피로 수명을 계산했다. 균열이 없는 건전 케이싱에 비해 균열 보수 용접 케이싱은 피로 수명이 최대 32% 감소했다. 또한 다양한 균열 형태를 고려하여 8가지 크기의 용접 비드를 사용했으며, 폭과 높이가 줄어들고 길이가 길어질수록 피로 수명이 감소하는 경향을 보였다.