• Research Paper

    Dynamic Analysis of RC Piloti-Type Building Subjected to Earthquake Loads

    지진하중이 작용하는 RC 필로티 건축물의 동적해석

    Ju-Won Kim

    김주원

    Piloti-type buildings in Korea are usually composed of lower frames and upper shear wall structures. Piloti-type buildings have been seriously damaged during ...

    본 연구에서는 비틀림비정형성과 수직비정형성을 가진 RC 필로티 건축물의 지진동에 대한 거동을 층강성을 적용하여 간단하게 모델링하는 선형 동적해석 프로그램을 개발하고자 한다. 개발된 동적 ...

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    Piloti-type buildings in Korea are usually composed of lower frames and upper shear wall structures. Piloti-type buildings have been seriously damaged during earthquakes because of the construction of soft and weak stories. Piloti-type buildings with edge cores are two-way unsymmetric planes. This paper analyzed and obtained the dynamic response for structures modeled using a multistory two-way asymmetric system. The numerical results, obtained using the Newmark-β method, show the time-history responses and trends of maximum displacements and shear forces. The purpose of this study is to evaluate the effect of reinforcement on dynamic response when a shear wall or brace is reinforced in the corner opposite the piloti.


    본 연구에서는 비틀림비정형성과 수직비정형성을 가진 RC 필로티 건축물의 지진동에 대한 거동을 층강성을 적용하여 간단하게 모델링하는 선형 동적해석 프로그램을 개발하고자 한다. 개발된 동적 해석 프로그램을 적용하여 필로티 건축물의 동적 거동 및 필로티층 각 기둥의 전단력을 분석하고, 필로티층에 전단벽 또는 가새를 보강하였을 때 보강효과를 평가하고자 한다. 모서리코어가 있는 필로티 건축물에서 필로티층의 코어 반대편 모서리를 전단벽이나 K형 가새로 보강하였을 때 변위와 기둥 전단력이 크게 감소하는 것으로 나타났으며, 모서리 양면을 K형 가새로 보강하는 것보다 한 면을 전단벽으로 보강하는 것이 보강효과가 큰 것으로 나타났다.

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    June 2021
  • Research Paper

    Analysis of Ultimate Rockfall Energy Resistance of CFT Rock Shed Main Frame

    CFT 피암터널 주구조체의 극한 낙석에너지 저항능력 분석

    Jiho Moon, Juho Lee and Jong-Keol Song

    문지호, 이주호, 송종걸

    Rock sheds are a type of rockfall protection facility that is installed on the road near steep slopes, where large amount of ...

    피암터널은 낙석방지시설 중 하나로 비교적 큰 낙석이 발생할 수 있는 급경사지 도로위에 건설된다. 일반적으로 피암터널은 약 200kJ에서 3,000kJ 까지의 낙석에너지에 저항할 ...

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    Rock sheds are a type of rockfall protection facility that is installed on the road near steep slopes, where large amount of rockfall is expected. Rock sheds are generally designed to resist approximately 200 kJ to 3,000 kJ of rockfall energy. In a previous study, a new type rock shed structure having a concrete-filled tube (CFT) main frame was proposed. By using CFT as the main frame in a rock shed, rapid construction is possible. Additionally, high load carrying capacity and ductility can be achieved. The behavior of the proposed rock shed structure was studied via elastic analysis with the equivalent static load of rockfall energy as in a previous study. However, it is necessary to investigate the behavior of the proposed rock shed in more detail with a full 3D finite element (FE) model considering realistic rockfall load. The FE model for the CFT rock shed main frame was developed first in this study. Then, the resistance of the CFT rock shed main frame Under ultimate rockfall energy was investigated.


    피암터널은 낙석방지시설 중 하나로 비교적 큰 낙석이 발생할 수 있는 급경사지 도로위에 건설된다. 일반적으로 피암터널은 약 200kJ에서 3,000kJ 까지의 낙석에너지에 저항할 수 있도록 설계된다. 기존 연구에서 이러한 피암터널의 효율성을 증대하기 위하여 콘크리트 충전강관(CFT, Concrete-Filled Tube)를 주구조체로 사용하는 신형식 피암터널을 제시하였다. CFT를 주구조체로 활용함으로서 급속시공이 가능하며 높은 하중저항 능력과 연성 또한 확보할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 기존 연구에서는 선현 탄성 해석을 통하여 거동을 분석하여 한계를 가지고 있어 보다 실제적인 낙성하중을 고려한 3차원 유한요소해석을 통하여 제안된 피암터널의 거동을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 먼저 제안된 피암터널 주구조체에 대한 실제 낙석하중을 포함한 3차원 유한요소해석을 개발하였다. 이후 최대 낙석에너지에 대한 제안된 피암터널 주구조체의 낙석 저항능력에 대하여 연구를 수행하였다.

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    June 2021
  • Research Paper

    Structural Behavior Evaluation of a Cable-Stayed Bridge Subjected to Aircraft Impact: A Numerical Study

    항공기 충돌에 대한 사장교의 구조거동 평가: 수치해석적 접근

    Keunki Choi, Jungwhee Lee, Chul-Hun Chung, Dongwoo An and Jaeyong Yoon

    최근기, 이정휘, 정철헌, 안동우, 윤재용

    Cable-stayed bridges are infrastructure facilities of a highly public nature; therefore, it is essential to ensure operational safety and prompt response in ...

    사장교는 공공성이 매우 높은 사회기반시설물로 운용 중 안전성 확보가 필수적이며, 붕괴 또는 파손 시 신속한 대처가 필요하다. 사장교의 붕괴 또는 파손을 야기시킬 ...

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    Cable-stayed bridges are infrastructure facilities of a highly public nature; therefore, it is essential to ensure operational safety and prompt response in the event of a collapse or damage caused by natural and social disasters. Among social disasters, impact accidents can occur in bridges when a vehicle collides with a pier or when crashes occur due to aircraft defects. In the case of offshore bridges, ship collisions will occur at the bottom of the pylon. In this research, a procedure to evaluate the structural behavior of a cable-stayed bridge for aircraft impact is suggested based on a numerical analysis approach, and the feasibility of the procedure is demonstrated by performing an example assessment. The suggested procedure includes 1) setting up suitable aircraft impact hazard scenarios, 2) structural modeling considering the complex behavior mechanisms of cable-stayed bridges, and 3) structural behavior evaluation of cable-stayed bridges using numerical impact simulation. It was observed that the scenario set in this study did not significantly affect the target bridge. However, if impact analysis is performed through various scenarios in the future, the load position and critical load level to cause serious damage to the bridge could be identified. The scenario-based assessment process employed in this study is expected to facilitate the evaluation of bridge structures under aircraft impact in both existing bridges and future designs.


    사장교는 공공성이 매우 높은 사회기반시설물로 운용 중 안전성 확보가 필수적이며, 붕괴 또는 파손 시 신속한 대처가 필요하다. 사장교의 붕괴 또는 파손을 야기시킬 수 있는 원인은 크게 자연재난과 사회재난으로 분류할 수 있다. 이 중 사회재난에 속하는 충돌사고는 차량이 교량 하부구조인 교각에 충돌하는 사고, 항공기의 결함으로 인한 추락사고 등이 있을 것이며, 해상교량의 경우 주탑 하단에서의 선박 충돌사고가 있을 것이다. 본 연구에서는 수치해석적 접근법을 기반으로 항공기 충돌에 대한 사장교의 구조거동을 평가하는 절차를 제안하고, 충돌해석을 수행하여 절차의 타당성을 보였다. 제안된 절차에는 1) 적절한 항공기 충돌 시나리오 설정, 2) 사장교의 복잡한 거동 메커니즘을 고려한 구조 모델링, 3) 충돌해석을 통한 구조거동 평가가 포함된다. 해석 결과, 본 연구에서 설정한 시나리오는 대상 교량에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났지만, 향후 다양한 시나리오를 통한 충돌해석을 수행한다면 교량에 심각한 손상을 일으키는 하중 위치 및 임계 하중 수준을 결정할 수 있을 것으로 판단한다. 본 연구에서 수행한 충돌해석 절차를 바탕으로 사장교에서 발생하는 항공기 충돌에 대한 간접적인 평가가 가능할 것으로 기대된다.

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    June 2021
  • Research Paper

    Convergence of Nonlocal Integral Operator in Peridynamics

    비국부 적분 연산기로 표현되는 페리다이나믹 방정식의 수렴성

    Gwanghyun Jo and Youn Doh Ha

    조광현, 하윤도

    This paper is devoted to a convergence study of the nonlocal integral operator in peridynamics. The implicit formulation can be an efficient ...

    본 연구에서는 비국부 적분 연산기로 표현되는 페리다이나믹 방정식의 수렴성을 검토한다. 정적/준정적 손상 해석 문제를 효율적으로 해석하기 위해 페리다이나믹 방정식의 implicit 정식화가 ...

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    This paper is devoted to a convergence study of the nonlocal integral operator in peridynamics. The implicit formulation can be an efficient approach to obtain the static/quasi-static solution of crack propagation problems. Implicit methods require constly large-matrix operations. Therefore, convergence is important for improving computational efficiency. When the radial influence function is utilized in the nonlocal integral equation, the fractional Laplacian integral equation is obtained. It has been mathematically proved that the condition number of the system matrix is affected by the order of the radial influence function and nonlocal horizon size. We formulate the static crack problem with peridynamics and utilize Newton-Raphson methods with a preconditioned conjugate gradient scheme to solve this nonlinear stationary system. The convergence behavior and the computational time for solving the implicit algebraic system have been studied with respect to the order of the radial influence function and nonlocal horizon size.


    본 연구에서는 비국부 적분 연산기로 표현되는 페리다이나믹 방정식의 수렴성을 검토한다. 정적/준정적 손상 해석 문제를 효율적으로 해석하기 위해 페리다이나믹 방정식의 implicit 정식화가 필요하다. 이 과정에서 페리다이나믹 비국부 적분 방정식으로부터 대수방정식 형태가 나타나게 되어 시스템 행렬 계산을 위해 많은 시간이 소요되기 때문에, 효율적인 계산을 위해 수렴성이 중요한 요소가 된다. 특히 radial influence 함수를 적분 kernel로 사용하는 경우 fractional Laplacian 적분 방정식이 유도된다. 비국부 적분 연산기의 교윳값 성질에 의해 대수방정식의 condition number가 radial influence 함수의 차수 및 비국부 영역의 크기에 영향을 받는 것이 수학적으로 확인되었다. 본 연구에서는 이를 토대로 균열이 있는 페리다이나믹 정적 해석 문제를 Newton-Raphson 방법으로 해석할 때 적분 커널의 차수, 비국부 영역의 크기 등이 대수방정식의 condition number와 preconditioned conjugate gradient (PCG) 방법으로 계산 시 수렴성 및 계산 시간에 미치는 영향을 수치적으로 분석한다.

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    June 2021
  • Research Paper

    Functionally Graded Structure Design for Heat Conduction Problems using Machine Learning

    머신 러닝을 사용한 열전도 문제에 대한 기능적 등급구조 설계

    Yunho Moon, Cheolwoong Kim, Soonok Park and Jeonghoon Yoo

    문윤호, 김철웅, 박순옥, 유정훈

    This study introduces a topology optimization method for the simultaneous design of macro-scale structural configuration and unit structure variation to ensure effective ...

    본 연구는 효과적인 열전도를위한 거시적 구조 구성과 단위 구조 변화의 동시 설계를 위한 위상 최적화 방법을 제시한다. 거시적 규모의 구조 내에서 위치에 ...

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    This study introduces a topology optimization method for the simultaneous design of macro-scale structural configuration and unit structure variation to ensure effective heat conduction. Shape changes in the unit structure depending on its location within the macro-scale structure result in micro- as well as macro-scale design and enable better performance than using isotropic unit structures. They result in functionally graded composite structures combining both configurations. The representative volume element (RVE) method is applied to obtain various thermal conductivity properties of the multi-material based unit structure according to its shape change. Based on the RVE analysis results, the material properties of the unit structure having a certain shape can be derived using machine learning. Macro-scale topology optimization is performed using the traditional solid isotropic material with penalization method, while the unit structures composing the macro-structure can have various shapes to improve the heat conduction performance according to the simultaneous optimization process. Numerical examples of the thermal compliance minimization issue are provided to verify the effectiveness of the proposed method.


    본 연구는 효과적인 열전도를위한 거시적 구조 구성과 단위 구조 변화의 동시 설계를 위한 위상 최적화 방법을 제시한다. 거시적 규모의 구조 내에서 위치에 따른 단위 구조의 형태 변화는 거시적 규모뿐만 아니라 미시적 단위의 설계도 가능하며 등방성 단위 구조를 사용하는 것보다 더 나은 성능을 제공할 수 있다. 이 결과로 두 구성을 결합한 기능적으로 등급의 복합 구조가 생성된다. 대표 체적 요소 (RVE) 방법은 형태 변화에 따른 다중 재료 기반 단위 구조의 다양한 열전도 특성을 얻기 위해 적용된다. RVE 분석 결과를 바탕으로 머신 러닝 기법을 이용하여 특정 형태의 단위 구조물의 물성치를 도출할 수 있다. 거시적 위상 최적화는 기존의 SIMP 방법을 사용하여 수행되며, 거시 구조를 구성하는 단위 구조는 동시 최적화 과정에 따라 열전도 성능을 향상시키기 위한 다양한 형태를 가질 수 있다. 제안된 방법의 효과를 확인하기 위해 열 컴플라이언스 최소화 문제의 수치예가 제공된다.

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    June 2021
  • Research Paper

    Elastic Wave Propagation in Nuclear Power Plant Containment Building Walls Considering Liner Plate and Concrete Cavity

    라이너 플레이트 및 콘크리트 공동을 고려한 원전 격납건물 벽체의 탄성파 전파 해석

    Eunyoung Kim, Boyoung Kim, Jun Won Kang and Hongpyo Lee

    김은영, 김보영, 강준원, 이홍표

    Recent investigation into the integrity of nuclear containment buildings has highlighted the importance of developing an elaborate diagnostic method to evaluate the ...

    최근 국내 원자력발전소의 격납건물 벽체와 Containment Liner Plate(CLP) 사이에서 다양한 크기의 공극이 발견됨에 따라 원전 격납건물의 보수를 위해 내부 공극의 분포와 ...

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    Recent investigation into the integrity of nuclear containment buildings has highlighted the importance of developing an elaborate diagnostic method to evaluate the distribution and size of cavities inside concrete walls. As part of developing such a method, this paper presents a finite element approach to modeling elastic waves propagating in the containment building walls of a nuclear power plant. We introduce a perfectly matched layer (PML) wave-absorbing boundary to limit the large-scale nuclear containment wall to the region of interest. The formulation results in a semi-discrete form with symmetric damping and stiffness matrices. The transient elastic wave equations for a mixed unsplit-field PML were solved for displacement and stresses in the time domain. Numerical results show that the sensitivity of displacement, velocity, acceleration, and stresses is large depending on the size and location of the cavity. The dynamic response of the wall slightly differs depending on the existence of the containment liner plate. The results of this study can be applied to a full-waveform inversion approach for characterizing cavities inside a containment wall.


    최근 국내 원자력발전소의 격납건물 벽체와 Containment Liner Plate(CLP) 사이에서 다양한 크기의 공극이 발견됨에 따라 원전 격납건물의 보수를 위해 내부 공극의 분포와 크기를 정밀하게 평가할 수 있는 진단기법의 개발이 요구되고 있다. 이에 따라 이 연구에서는 격납건물 벽체에서의 탄성파 전파거동을 계산하는 2차원 유한요소해석 기법을 제시한다. 격납건물 벽체를 기반으로 해석영역을 구성하고 경계면에서의 반사파를 제거하기 위해 수치적 파동흡수 경계층인 perfectly matched layer를 도입하였다. Galerkin 기반 혼합유한요소법을 이용해 2차원 유한영역에서 탄성파 파동방정식의 해를 구하여 충격하중에 대한 격납건물 벽체의 변위와 응력을 계산하였다. 제시한 수치적 기법을 이용하여 격납건물 콘크리트 벽체의 CLP 부착 유무와 공동의 위치 및 크기 변화에 따른 탄성파 전파거동을 살펴보았다. 이 연구의 결과는 원전 격납건물 내부의 공동을 진단하는 탄성파 전체파형 역해석 기법 개발에 활용될 수 있다.

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    June 2021