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

본 연구에서는 플랜트 내 파이프랙의 지진취약도함수를 효율적으로 추정하기 위한 등가단자유도계(E-SDOF) 기반 방법론을 제안하였다. 파이프랙은 배관을 지지하는 산업시설로서, 지진 시 화재 및 폭발과 같은 2차 피해로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 국내 파이프랙 데이터베이스를 바탕으로 표본 파이프랙을 선정하고, 비선형해석모델을 구축하였다. 비선형정적해석 결과를 이용하여 E-SDOF 모델을 수립하였으며, 배관하중은 별도 외력으로 고려하였다. 검증 결과, E-SDOF 모델은 표본 파이프랙의 이력거동 및 증분동적해석 결과를 적절히 재현하였다. 또한, E-SDOF 기반 취약도 중앙값은 ±20% 이내의 오차를 보였다. 따라서 제안된 방법론은 파이프랙의 지진취약도함수를 효율적으로 추정하는 대안이 될 수 있다.

본 논문에서는 구조 최적화를 위한 요소 연결 매개법 기반 구조 접촉 해석 기법을 제시한다. 구조 최적화에서는 설계 변수에 대한 민감도 해석이 필요하며, 이를 위해서는 연속적이고 미분 가능한 접촉 모델이 요구된다. 그러나 기존의 구조 접촉 해석 기법은 접촉 상태의 불연속성으로 인해 최적화에 적용하기 어렵고, 대변형 문제에서는 빈 요소의 뒤집힘과 같은 수치적 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 입자가 추가된 요소 연결 매개법(P-ECP)을 이용한 새로운 구조 접촉 해석 기법을 제시한다. 제안한 기법에서는 밀도 구배를 이용하여 접촉 침투 깊이를 계산하고, 이를 기반으로 접촉 퍼텐셜 에너지를 정의한다. 이후 최소 퍼텐셜 에너지 원리를 이용하여 구조 접촉 문제를 정식화한다. 제안한 기법의 적용 가능성을 검증하기 위하여 2차원 디귿자형 구조 접촉 문제와 실린더-평판 접촉 문제를 해결하였다. 또한 기존 절점-면 접촉(node-surface contact) 해석 결과와 비교하여 제안한 기법이 기존 접촉 해석 결과와 유사한 응력 분포를 나타내는 것을 확인하였다. 대변형 조건에서도 빈 요소의 뒤집힘없이 안정적으로 접촉 해석이 수행되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 본 논문에서 제안한 기법이 구조 최적화를 위한 접촉 해석 기법으로 활용 가능함을 보여준다.

본 연구에서는 중수형 원전에 설치된 안전관련 철골 지지구조물을 대상으로 확률론적 지진 안전성평가(Seismic Probabilistic Safety Assessment, SPSA)의 입력자료 생산을 위한 지진취약도 평가를 수행하였다. 대상 구조물은 주요 안전관련 배관･밸브 계통과 관련된 기기 및 부속설비를 지지하는 구조물로서, 지진 시 상부 철골 구조, 접합부 및 정착부를 통한 하중전달 성능 확보가 요구된다. 이를 위해 설계문서와 내진 현장답사 결과를 반영하여 기초부, 하부 지지부 및 상부 철골 프레임으로 구성된 3차원 내진해석 모델을 구축하였다. 해석모델에는 구조물 자중, 기기하중, 플랫폼 및 보행로 하중, 외장재 하중 등을 반영하였으며, 고유치 해석을 통해 기존 설계자료와 동특성 비교를 수행하였다. 지진취약도 평가는 EPRI NP-6041-SL 및 EPRI 3002012994에서 제시하는 보수적 결정론적 파손여유도 방법(CDFM)을 기반으로 수행하였다. 주요 평가 대상은 철골 부재, 접합부 및 기둥 정착부로 구분하였다. 평가 결과 구조물의 지진취약도는 부재 자체의 강도보다는 상부 철골 구조와 하부 구조 사이의 하중전달부분인 정착부의 국부 파손모드에 의해 지배되는 것으로 나타났다. 특히 전단에 의한 콘크리트 연단 파열이 지배 파손모드로 확인되었으며, 가장 낮은 내진성능을 가지는 파손모드일지라도 설계기준과 비교하여 충분한 내진성능을 확보하고 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 향후 중수형 원전 구조물의 지진 PSA 입력자료 생산 및 내진성능 개선 우선순위 도출에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 축력비 변화가 부식된 철근콘크리트 단주의 전단지배 파괴거동에 미치는 영향을 해석적으로 분석하였다. 이를 위해 기존에 검증된 매트로 해석모델을 활용하였으며, 해석모델은 휨 거동을 모사하는 비선형 파이버 요소, 철근의 부착 및 미끄러짐을 모사하는 스프링 요소, 그리고 전단스프링으로 구성하였다. 해석 대상은 서로 다른 횡보강근 및 주철근 부식률을 갖는 실험체를 설정하였으며, 각 부식 수준에 대해 기둥에 작용하는 축력비를 변화시켜 해석 케이스를 설정하였다. 해석결과는 최대전단강도, 강도저하가 시작되는 변위, 하중전달 능력을 중심으로 비교하였다. 해석결과, 축력비가 증가할수록 최대강도 이후의 강도저하가 조기에 발생하고 하중전달 능력이 상실되는 변형이 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 횡보강근의 부식률이 큰 실험체에서 축력비 증가에 따른 전단파괴 취약성이 더욱 뚜렷하게 확인되었다.

본 논문에서는 탄성체의 접촉과 대변형 거동을 해석하기 위한 Total Lagrangian SPH(TL-SPH) 기반 수치 해석 프레임워크를 제안한다. 응력 평가와 시간 적분에는 초기 기준 형상 기반 정식화를 적용하고, 현재 형상에서 평가한 접촉력을 이에 결합하였다. 접촉 처리는 표면 인식(surface-aware) 침투 깊이 기반의 페널티 접촉 모델과 쿨롱 마찰 모델로 수행한다. 이 표면 인식 방식은 표면이 침투할 때만 접촉력을 계산하여, 기존 SPH에서 접촉 이전의 커널 중첩으로 발생하던 비물리적 반발력을 제거한다. 2D 진동판, 경사면 접촉･마찰, 고무 링 충돌의 세 가지 벤치마크 문제를 통해 프레임워크의 정확성, 수렴성, 에너지 보존 특성을 검증하였다.

전기차 운행 중 발생하는 동적 충격은 리튬이온 배터리 내부의 전극 변형 및 활물질 입자 균열을 유발하여 내부 단락과 열폭주로 이어질 수 있으며, 이를 충격 직후 신속하게 판별하는 조기 경고 체계의 구축이 요구된다. 본 연구에서는 낙하 충격 실험을 통해 0.1J에서 2.0J의 다양한 충격 에너지 조건에서 파우치형 리튬이온 배터리의 음향 방출(Acoustic Emission, AE) 신호를 수집하고, 주사 전자 현미경(SEM) 분석을 통해 0.2J 이하를 정상, 0.3J 이상을 이상으로 정의하는 물리적 판단 기준을 제안하였다. AE 파형으로부터 에너지, 감쇠, 주파수, 통계 영역에 걸친 7개의 물리적 의미 기반 특징을 추출하고, 비지도학습 기반 오토인코더(AutoEncoder)를 활용하여 복원 오차 기반의 실시간 이상 탐지를 수행하였다. 제안한 모델은 Precision, Recall, F1-score 1.000, ROC-AUC 1.0000을 달성하였으며, 정상과 이상 샘플 간 복원 오차에 따른 우수한 분리 성능을 보이며 충격 에너지 수준에 따른 탄성파 특성 변화가 효과적으로 정량화되고 있음을 확인하였다. 특히 이상 데이터 없이 정상 패턴만으로 학습하여 강건한 탐지 성능을 달성하였다는 점에서 다양한 충격 상황이 혼재하는 실제 주행 환경에서도 적용 가능한 실용적 조기 경고 프레임워크로서의 가능성을 제시한다.

본 연구는 쇄빙연구선 아라온호의 흘수 변화에 따른 국부 빙하중 추정을 위해 선수부 늑골 변형률 응답 기반 영향계수법을 제안하였다. 유한요소해석을 통해 늑골별 변형률 분포를 검토하고, Z′ 방향 및 제이갑판 하부 위치가 계측에 적합함을 확인하였다. 또 흘수별 압력 패치 해석 결과를 선형 최소제곱법으로 근사하여 흘수 의존 영향계수행렬을 구성하였다. 다양한 흘수와 해빙 두께 조건에서 기존 외판 응답 기반 방법과 비교한 결과, 제안 방법은 하중 위치가 계측 영역을 벗어나는 경우에도 상대적으로 안정적인 추정 성능을 보였으며, 기존 방법보다 적은 수의 스트레인게이지로 실선 계측에 적용 가능한 효율적 대안이 될 수 있음을 확인하였다. 다만 빙 두께 변화에 따른 오차 개선과 실측자료 기반 검증이 후속 과제로 요구된다.

본 연구에서는 Naghdi 5-parameter 쉘 이론에 기반하여 주어진 열하중을 받는 쉘 구조의 열변형 해석을 위한 약형 물리정보 신경망(PINN)을 제시한다. Duhamel-Neumann 관계식으로 열변형률을 분리하고, 이를 쉘 에너지 범함수에 대입하여 열에 의한 막 및 굽힘 하중 항을 변분 손실함수에 포함하였다. 제안한 방법은 fully pinned 평판, cantilever 평판, 양단 고정 원통형 쉘 문제에서 Abaqus 유한요소해와 비교하여 검증하였다. 변위장의 상대 L2 오차는 모든 예제에서 3% 이내였으며, 회전장 오차도 대부분 2~4% 수준으로 나타났다. 다만, cantilever 평판의 회전 성분에서는 9.04%의 상대 오차가 관찰되었다. 본 정식화는 신경망 구조의 변경없이 열변형을 도입할 수 있으며, 향후 측정된 변형장으로부터 열하중 및 물성을 추정하는 역문제 및 데이터 융합 해석으로 확장될 수 있다.