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

본 논문에서는 딥러닝을 활용하여 복합재 적층판의 파괴 모드를 결정하는 방법을 제안하였다. 수많은 엔지니어링 응용 분야에서 적층 복합재의 사용이 증가함에 따라 무결성과 성능을 보장하는 것이 중요해졌다. 그러나 재료의 이방성으로 인해 복잡하게 나타나는 파괴모드를 식별하는 것은 도메인 지식이 필요하고, 시간이 많이 드는 작업이다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 인공 지능(AI) 기술을 활용하여 적층 복합재의 파괴 모드 분석을 자동화하는 것을 목표로 하였다. 이 목표를 달성하기 위해 적층된 복합재에서 파손된 인장 시험편의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 얻어 다양한 파괴 모드를 확보하였다. 이러한 SEM 이미지는 섬유 파손, 섬유 풀아웃, 혼합 모드 파괴, 매트릭스 취성 파손 및 매트릭스 연성 파손과 같은 다양한 파손 모드를 기준으로 분류하였다. 다음으로 모든 클래스의 집합 데이터를 학습, 테스트, 검증 데이터 세트로 구분하였다. 두 가지 딥 러닝 기반 사전 훈련 모델인 DenseNet과 GoogleNet을 이용해 각 파괴 모드에 대한 차별적 특징을 학습하도록 훈련하였다. DenseNet 및 GoogleNet 모델은 각각 (94.01% 및 75.49%) 및 (84.55% 및 54.48%)의 훈련 및 테스트 정확도를 보여주었다. 그런 다음 훈련된 딥 러닝 모델은 검증 데이터 세트를 활용해 검증하였다. 더 깊은 아키텍처로 인해 DenseNet 모델이 고품질 특징을 추출하여 84.44% 검증 정확도(GoogleNet 모델보다 36.84% 더 높음)를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이는 DenseNet 모델이 높은 정밀도로 파괴 모드를 예측함으로써 적층 복합재의 파손 분석을 수행하는 데 효과적이라는 것을 알 수 있다.

본 연구에서는 센싱 기반 모니터링 스마트 파이프 개발 연구의 일환으로 화학적 전처리된 코팅 강관에 대한 유한요소해석을 실시하였다. 개발된 코팅 강관은 내･외면 개질 폴리에틸렌으로 화학적 코팅 전처리 과정을 수행하였으며, 확관 시 표면 코팅 손상을 최소화하기 위한 연결 부속을 사용한 코팅 강관의 해석을 수행하였다. 다양한 하중에 대한 구조성능 평가를 위해 토압 하중에 의한 정적 구조해석, 차량 하중에 의한 피로수명 평가, 인장 및 압축 하중에 의한 누수 저항성의 4가지 하중 조건을 설정 및 조사하였다. 해석 결과, 기존 에폭시 코팅 및 조인트 사용 강관 대비 개발 강관에서 개선된 피로 수명이 산출되었으며, 동일 직경의 조건에서 평균 56.1%의 최대 변위 감소와 61.2% 최대 응력이 감소함을 통해 개발 코팅 강관과 연결 부속의 안전성을 검증하였다. 이에 더하여 응력 분포 분석을 통해 체결부의 누수 저항성 역시 강관 중앙면 대비 우수함을 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. 선행 연구에서는 동일한 조건에서 일부 슬래브 두께가 증가하는 경우 콘크리트의 강성과 슬래브 시공 하중의 분포에 대한 분석을 실시하였다. 이 논문에서는 슬래브 두께가 변화하여 비기준층이 존재하는 다층지지 RC 구조 시스템에서 시공 주기, 동바리 지지 층수의 시공 조건과 두께 증가량, 두께 증가 층수의 설계 조건을 변화시켜 시공 하중, 시공 손상 변수, 동바리 축력을 분석하였다. 시공 하중과 시공 손상 변수는 두께 증가량과 두께 증가층 수의 영향이 가장 크고, 동바리 축력은 동바리 지지 층수와 두께 증가층 수가 가장 큰 영향을 미침을 확인하였다.

이 논문은 포트 받침이 설치된 3경간 연속 콘크리트 거더교를 대상으로 받침의 노후화가 교량의 지진응답에 미치는 영향을 분석하였다. 포트 받침은 고정단 및 가동단의 강성을 반영해 교축방향, 교축직각방향, 수직방향의 탄성 스프링으로 모델링하였다. 포트 받침의 노후화를 고정단 받침의 수평강성 저하와 가동단 받침의 수평강성 증가로 나누어 받침의 노후화가 교량의 지진 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 수치해석으로부터 구한 고유진동수 값과 이 교량의 설계 고유진동수를 비교하여 해석 대상 3경간 연속 거더교의 유한요소모델이 타당함을 보였으며, 국내 도로교설계기준(한계상태설계법)의 설계응답스펙트럼에 부합하는 인공지진파를 이용해 받침 강성의 변화에 따른 교량 상부 및 받침의 지진응답을 계산하였다. 지진해석 결과, 받침의 노후화로 인해 고정단 받침의 수평강성이 감소할 경우 지진으로 인한 고정단 받침의 절대최대 상대변위가 증가하였다. 이는 받침을 지지하는 모르타르의 균열과 앵커 볼트의 탈락 가능성이 커짐을 의미한다. 받침의 노후화로 인해 가동단 받침의 수평강성이 증가하는 경우에는 지진으로 인한 고정단 받침의 절대최대 전단력이 감소하였다. 그러나 이 경우 가동단 바로 위 거더 단면에 추가의 휨인장응력이 발생할 수 있으며, 이러한 받침 성능의 변화로 인하여 지진 시 연속 콘크리트교에 예기치 못한 구조적 손상이 발생할 수 있다.

형상기억합금(SMA)-섬유 액추에이터는 소프트 로봇 공학 및 웨어러블 기술을 포함한 다양한 분야에서 큰 주목을 받아왔다. 이러한 부드러운 액추에이터는 SMA와 단순 직물 섬유를 결합하여 개발되었으며, K 루프와 P 루프라는 두 가지 루프 패턴으로 편직되었다. 두 루프 모두 루프 헤드 형상으로 인해 반대 굽힘 특성으로 구별된다. 그러나 이러한 액추에이터 시트의 편직 공정에는 전문 지식과 시간이 필요하므로 편직 루프 작동 시트의 생산 비용이 높아진다. 이 논문에서는 전압을 가할 때 큰 변형이 발생하는 SMA 직물 기반 액추에이터의 변형을 평가하는 새로운 방법을 소개하였다. SMA 재료의 매우 비선형적인 구성 방정식으로 인해 수치 분석을 위한 분석 모델을 개발하는 것은 어렵다. 따라서 본 연구에서는 SMA 재료의 대변형을 고려하면서 SMA-섬유 액추에이터의 초기 설계에 사용할 수 있는 선형 구성 방정식을 활용하는 새로운 접근 방식을 제안하였다. 전기-기계연성 효과를 모델링할 수 있는 선형구성방적식은 ABAQUS의 UMAT을 사용하여 구현하였다. 이 등가 단위 셀 모델(EUC)은 K-루프와 P-루프의 실험적 굽힘 작동 결과와 비교하여 검증하였다.

수소 취성 파괴는 수소가 풍부한 환경에 노출된 재료의 구조적 무결성을 보장하는 데 있어 다양한 산업 응용 분야에서 큰 도전 과제이다. 본 연구는 연성 파괴 모델인 Gurson-Cohesive 모델과 수소 확산 모델을 통합하는 수치 모델을 제안하고 수소 취화가 파괴 거동에 끼치는 영향을 조사한다. 사용된 연성 파괴 모델은 손상 진화를 모사하는 Gurson 모델과 균열 표면의 불연속성과 응력-균열폭 관계의 연화 거동을 설명하는 표면 요소 기반의 Cohesive zone 모델을 결합한 파괴 모델이며, 균열 시작 기준으로 공극과 삼축성을 고려한다. 또한, 파괴 모델과 통합된 수소 확산 분석은 수소 강화 탈결합(HEDE) 메커니즘과 그에 따른 균열 시작 및 진전에 미치는 영향을 고려하며, 응력-균열폭 관계에 대한 수소의 영향을 고려한다. 수치 예제로 매개변수 연구를 통하여 확산 계수와 수소 취화 파과 특성에 대한 민감도를 조사한다. 수소 확산 모델과 연성 파괴 모델을 통합한 프레임워크를 제시함으로써 본 연구는 수소 취화 파괴에 대한 이해를 제공하여 엔지니어링 응용 분야에서 기여할 수 있을 것이다.

최근 제안된 탄소감축을 위한 조립 해체가 용이한 접합부는 주기적 하중을 가력하여 시험하였다. 시험체의 거동을 더 잘 이해하기 위해 “Tied Model”(볼트 접촉 면이 묶여 있음)과 “Bolt-slip Model”(접촉 면이 미끄러지고 분리됨)을 사용하여 3차원 유한요소(3D-FE) 해석을 수행하였다. Tied Model은 제안된 접합부가 강 접합(Rigid Joint)으로 거동할 경우 보의 소성 힌지가 발생하는 것을 시사한다. 반면, Bolt-slip Model은 제안된 접합부가 적절히 제조(간극 없이) 및 조립된 경우 강성 접합부의 약 0.5배의 에너지를 소산할 수 있음을 시사한다. 그러나 시험 결과와 비교했을 때, 모멘트-회전 이력 곡선이 잘 맞지 않는 것으로 나타났으며, 이는 시험체의 제조 결함(약 5-10mm 간극)으로 인해 성능이 저하되었음을 시사한다. 그럼에도 불구하고 실험에서 관찰된 이력곡선의 핀칭 현상과 시험체의 파괴 모드는 서로 일치하였다.

본 논문에서는 지진 하중으로 인한 급격한 구조손상탐지를 수행하기 위해 분산점 칼만필터(Unscented Kalman Filter, UKF)와 파티클 필터(Particle Filter)를 소개하고 지진 손상 시나리오에 적용 및 비교･검토하였다. 이때, 비선형 전단 빌딩을 모사하기 위해 Bouc-Wen 모델을 사용하였고, 급격한 변화를 추정하기 위해 추가적으로 적응형 기법(Adaptive rule)인 Adaptive Jumping Method를 두 필터 모두에 적용하였다. 적용 결과 두 오리지날 필터 모두 급격한 손상 시점과 정도를 파악하지 못하였고, 적응형 기법을 반영하였을 경우에만 시점 파악이 가능하였다. 하지만, 여전히 손상 정도를 정확히 파악하지 못하였고, 두 방법 모두 제안된 적응형 기법을 새로이 조정하였을 경우에 정확한 추정이 가능함을 확인하였다. 최종적으로 계산시간을 고려하였을 때, 새로운 형태의 적응형 기법을 적용한 UKF 사용을 제안하는 것으로 비교 검토를 수행하였다.