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

본 연구는 딥러닝 기술을 활용하여 공동주택 외벽의 균열 탐지를 효과적으로 하기 위한 다양한 데이터 전처리 방법을 비교 분석하였다. 특히, 표준 균열 데이터셋에 일반적으로 나타나지 않는 오탐균열을 식별하는 데 중점을 두고 있다. 이 연구는 탐지 정확도를 최적화하기 위해 여러 이미지 전처리 기법을 적용한 결과를 비교한다. 객체 탐지를 위한 엣지 필터링과 RGB 색 필터 등을 이용한 색상 정규화를 결합한 방법을 집중적으로 검증하였다. 이러한 기술들은 실제 균열과 오탐균열을 구분하기 위해 적용되었으며, 이들의 탐지 성능에 미치는 영향을 철저히 조사하였다. 효율적인 균열 탐지 모델을 찾기 위해 EfficientNet V2s 기반 모델을 적용하였다. RGB, YUV, LAB, HSV 네 가지 이미지 필터가 원본 이미지와 CLAHE 정규화된 이미지에 적용되었는데, 그 결과 단색 콘크리트 균열 탐지에 효과적인 전통적인 정규화 방법이 공동주택 외벽 균열 탐지에는 제한적인 효과를 보인다는 것을 확인하였다. 또한, 단일 색 필터의 적용이 일관된 탐지 결과 개선 효과를 주지 않는다는 것을 밝혔다. 결국, 본 연구를 통해 다양한 이미지 정규화와 색 필터 조합의 균열 탐지 성능을 검증하였으며, 실제 균열과 오탐균열을 구분하는 탐지 성능 향상을 위해 추가적으로 다양한 접근의 연구가 필요하다는 것을 확인하였다.

본 논문에서는 2자유도 매니퓰레이터(manipulator)가 탑재된 지상형 이동 로봇을 활용한 균열 지도 작성 기법을 소개한다. 로봇의 앞·측면에 각각 스테레오 비전 센서를 설치하였으며, 앞면에 설치된 센서의 포인트 클라우드 정보를 이용하여 로봇의 위치를 인식하고 지도를 작성하며, 측면에 설치된 센서의 영상 정보를 바탕으로 벽면 내 균열을 검출한다. 이때, 두 센서의 좌표계를 좌표 변환식을 통해 통일하여 정합 및 검출된 균열 정보를 생성된 지도에 실시간으로 표기하고, 손상의 정보가 기록 및 관리될 수 있도록 하였다. 2자유도 움직임이 가능한 매니퓰레이터 장치를 이동로봇에 탑재하고 사각지역의 제한 없이 로봇의 진행 방향을 벗어난 균열을 촬영할 수 있도록 하였다. 촬영된 영상 내 딥러닝 기법을 적용하여 균열을 검출하고, 해당 균열이 촬영된 영상 내 일부만 존재한다고 판단하는 경우 매니퓰레이터를 동작하여 남은 균열의 위치를 추정 및 추가 촬영, 스티칭할 수 있도록 하였다. 본 시스템의 성능 확인을 위하여 실내 환경에서 실험을 진행하였으며, IoU기반 검출율 0.6 이상의 정확도로 실시간 균열 정보를 구축된 지도 위에 작성하는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 인쇄 회로 열교환기 채널에서의 응력 집중 해석을 수행하였다. 응력 집중이 발생하는 응력 집중부의 응력을 도출하기 위해 전체 시스템의 해석 결과를 활용하는 부모델링 기법을 사용하였다. 미세한 기하학적 형상과 비가역적 소성 변형을 고려한 부모델의 탄성 및 소성 해석을 수행하였다. 탄성 및 소성 해석에서 얻은 응력을 통해 미세한 기하학적 형상이 PCHE의 응력 분포에 미치는 영향을 파악하였다. 탄성 해석과 소성 해석에서의 최대 폰 미제스 응력을 비교하여 응력 집중부의 응력 집중 경향과 소성 변형을 확인하였다.

본 연구에서는 지반-구조물 상호작용(SSI, Soil-Structure Interaction) 해석에서 계산 효율성과 해석 정확성을 동시에 확보하기 위해 철근 콘크리트 기둥의 단순 모델링 기법과 PML(Perfectly Matched Layer) 요소를 결합한 방법을 제안하였다. 단순 모델링 기법은 상세모델과 비교하였을 때 강성 및 고유진동수 차이가 1% 이내로 나타나 구조물의 정적 및 동적 거동을 효과적으로 모사할 수 있음을 확인하였다. PML 요소를 적용한 SSI 해석은 반무한지반 모델 대비 계산 영역을 1/5로 줄이고, 해석 시간을 7% 수준으로 단축하면서도 기둥의 고유진동수가 동일하게 나타났다. 이를 통해 PML 요소가 계산 비용을 대폭 줄이면서도 해석 결과의 정확성을 유지할 수 있음을 확인하였다.

본 연구는 강내탄도 해석 코드 IBHVG2(Interior Ballistics of High Velocity Guns, version 2)를 이용하여 40mm L/70 포신을 가진 무기체계에서 발사체의 출구 속도와 약실 압력을 해석하고, 시험 결과와 비교를 수행하였다. 집중 매개변수 모델(Lumped Parameter Model)을 기반으로 한 Chambrage 모델을 적용하여 탄환 속도와 약실 압력 해석을 수행하였고 시험은 총 10회를 수행하였다. 해석 인자로 들어간 추진제의 반응률 계수는 폐쇄 폭발 실험(Closed Bomb Test)를 통해 추정하였다. 해석과 시험을 비교한 결과 탄환의 출구 속도는 약 6% 정도 오차를, 약실 최대 압력은 8% 정도의 오차를 보였다. 결론적으로 IBHVG2 모델의 유효성과 예측 정확도를 확인하였으며, 개선의 여지가 있음을 확인하였다.

모스펫 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) 전력 모듈은 높은 전력 밀도와 빠른 스위칭 속도 등의 뛰어난 성능 특성으로 인해 다양한 전자 응용 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 장기간의 신뢰성을 확보하기 위해서는 효과적인 열 관리가 필수적이며, 과도한 열은 장치의 열화 및 시스템 고장을 초래할 수 있다. 전통적으로 모스펫 전력 모듈은 와이어 본딩 기술을 사용하여 반도체 장치를 패키지에 연결했으나, 전력 밀도와 열 성능의 향상에 대한 요구가 증가함에 따라 구리 클립 본딩과 같은 대체 패키징 방법이 주목받고 있다. 구리 클립 본딩은 전기적 및 열적 저항 감소, 향상된 열 방출, 그리고 신뢰성 개선 등의 이점을 제공한다. 본 연구는 구리 클립 본딩의 크기를 최적화하고, 와이어 본딩 기술과 비교하여 구리 클립 본딩의 열 신뢰성을 평가하는 데 중점을 두었다. Ansys 소프트웨어를 사용한 유한요소 시뮬레이션을 통해 이러한 모듈이 열을 어떻게 처리하는지 조사하였다. 실험 설계에는 Taguchi 방법을 사용하여 구리 클립의 너비와 모스펫 다이의 치수가 열 방출 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 통해 다양한 응용 분야에서 모스펫 전력 모듈의 열 성능과 신뢰성을 개선하는 방법을 제안하였다.

무작위진동이론(random vibration thoery, RVT)에 기반하여 원전 시설물 부계통의 지진응답해석과 확률론적 지진안전성평가를 위한 구조응답스펙트럼(in-structure response spectrum, ISRS) 스케일링 기법을 새로이 제안한다. 새로운 방법은 대상 구조물의 동적 특성에 대한 정보를 활용하지 않고, 구조응답과 지진지반운동의 파워스펙트럼밀도(power spectral density, PSD) 함수의 비를 사용한다. 무작위 진동의 첨두값 계수를 사용하여 진동의 PSD 함수로부터 첨두값의 통계적 특성과 무작위 진동의 응답스펙트럼을 추정할 수 있으므로, 반복계산을 통해 기존 지반운동 응답스펙트럼과 ISRS에 부합하는 PSD 함수와 그 비례계수를 도출한다. 이 계수를 신규 지반운동 응답스펙트럼에 부합하는 PSD 함수에 적용하여, 신규 ISRS의 PSD 함수와 이에 대응하는 ISRS를 도출하는 스케일링을 수행한다. 제안된 RVT에 기반한 새로운 스케일링 기법을 예제 원전 구조물에 적용하고, 응답이력방법에 의한 참조해와 비교하여 제안한 새로운 스케일링 기법이 정확성을 확인할 수 있다. 비례계수를 산정하기 위한 기존의 근사 방법들과 비교하여, 새로운 스케일링 기법은 ISRS의 첨두 등을 잘 표현할 수 있는 것을 관찰할 수 있다.

본 논문에서는 다양한 FDM 출력 공정 변수에 따라 결정되는 출력물의 비등방 물성을 구조 해석 과정에서 반영할 수 있는 개선된 해석 방안을 제안하였다. 출력 공정 변수에 대한 물성의 민감도를 분석하였으며, 실제 출력물에 대한 인장 시험을 통해 적층 방향에 따라 이방 특성이 도출됨을 확인하였다. 또한, 출력물에 대한 단면 분석을 통해 적층 레이어 높이 및 필라멘트 채움률 등의 공정 변수들이 내부 공극 특성에 영향을 미치며, 결과적으로 출력물의 이방 특성이 유발된다는 사실을 확인하였다. 나아가, 적층 방향, 적층 레이어 높이, 필라멘트 채움률 등이 동시에 고려된 균질화 모델 분석을 통해 출력 과정에서 발생되는 내부 공극 분포가 출력물의 기계적 거동 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 수치 예제로써 로어 컨트롤 암 출력물의 비등방 특성이 반영된 구조 해석을 수행하였으며, 이를 통해 FDM 출력물 설계 과정에서의 개선된 해석 방안의 타당성을 검증하였다.