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

본 연구에서는 중속 충돌하중을 받는 RC 벽체의 배면파쇄 영역을 모사할 수 있는 모델링 기법을 범용 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA을 통해 제안하였다. 충돌해석에 주로 사용되는 요소 삭제 기능이 발사체의 하중 전달에 영향을 미치고 이로 인해 배면파쇄 영역이 과소평가 된다고 판단하였다. 따라서 충돌 위치 주변에는 요소 삭제 기능을 사용하지 않는 모델링 기법을 제안하였다. 제안된 기법을 적용한 해석이 실험 결과를 근접하게 모사함에 따라, 제안한 기법이 연속적인 충돌에너지의 전달에 효과적임을 확인하였다. 추가적으로 다른 충돌 조건에 대해 해당 기법의 적용성 검토를 진행한 결과, 대칭 조건을 사용하지 않고, 철근의 결속을 함께 모사할 경우 RC 벽체의 파괴 거동을 더욱 근접하게 모사할 수 있음을 확인하였다.

본 연구에서는 방사선조사 유발 체적팽창(RIVE)이 원자력 발전소의 콘크리트 생체 차폐벽의 구조 건전성에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 이를 위해 원자로 압력용기 감시 프로그램의 데이터를 사용하여 콘크리트 생체 차폐벽의 누적 중성자 조사 수준을 추정하는 방법으로 원자로 압력용기(RPV) 내부 표면에서 차폐벽 외부까지의 누적 조사량의 감쇠를 계산하는 과정을 설명하고 콘크리트의 방사선 조사 유발 체적팽창에 대한 모델을 제시하였다. 콘크리트 생체 차폐벽의 응력 상태는 온도의 영향을 받을 수 있기 때문에 방사선조사유발 체적팽창 효과와 더불어 운전 중 차폐벽의 온도 상승 효과도 고려하였다. 콘크리트 생체 차폐벽 구조에 대한 방사선 조사 유발 체적팽창과 온도의 영향을 평가한 결과, 차폐벽의 안쪽 표면 부근 영역의 압축 응력이 국부적으로 콘크리트의 압축 강도 한계를 초과할 수 있으며, 외부 영역의 인장 응력은 균열을 유발할 가능성이 있음을 확인할 수 있었다. 또한 중성자 누적 조사량이 증가하면 응력도 증가하는 경향을 보였다. 온도도 차폐벽의 응력 상태에 영향을 미치지만, 그 영향은 방사선조사 유발 체적팽창의 효과에 비해 그다지 크지 않았다. 향후 추가 연구를 통해 차폐구조물의 보다 현실적인 기하학적 구조, 중성자 조사량 분포, 그리고 차폐벽 내부 보강 철근 요소 등을 포함하는 상세 모델을 바탕으로 콘크리트 생체 차폐벽에 설치되는 압력용기 지지 구조물 및 앵커 시스템에 대한 영향 평가를 수행할 계획이다.

저층 건축물의 횡-비틀림 거동은 고차모드 효과를 증폭시킬 수 있으며, 내진성능평가 시 관련 기준은 고차모드 지배 구조물에 대해 비선형정적해석과 함께 선형동적해석을 추가로 수행하도록 규정하고 있다. 선형동적절차에는 상당한 안전계수가 적용되므로, 이는 과도한 내진보강설계로 이어질 수 있다. 이를 방지하기 위해 엔지니어들은 내진보강 시 고차모드 효과를 줄이기 위해 시행착오법을 사용해 왔다. 그러나 시행착오법에는 많은 시간과 노력이 소요되며, 결정된 보강안이 최적인지 확인하기 어렵다. 본 연구는 저층 건축물의 수학적 모델을 수립하고 응답스펙트럼해석을 통해 고차모드 효과에 비틀림이 독립적으로 미치는 영향을 파악하였다. 이를 바탕으로 효율적인 내진보강 설계를 위해 활용될 수 있는 도표와 절차를 제시하였다. 제시된 절차를 통해 최소한의 내진보강으로 횡-비틀림 거동하는 저층 건축물의 고차모드 효과를 효율적으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

본 논문에서는 소성 설계를 기반으로 한 프레임 구조 설계 시, 기둥의 종류에 따른 구조 제작 비용과 거동의 차이를 연구하였다. 축력과 횡력을 모두 받는 구조물에 적합한 기둥 부재를 선택하는 것이 중요하며, 플라스틱 설계 방법을 채택할 경우 기둥의 역할이 더욱 강조된다다. 특히, 횡력은 기둥의 연성을 요구하며, CFT(콘크리트 충전 강관)형 기둥은 RC(철근 콘크리트) 기둥보다 높은 강철 비율로 연성을 확보하게 된다. 이 논문에서는 CFT 기둥이 RC 기둥보다 더 나은 성능을 보이는지 확인하기 위해 다양한 구조 유형에서 기둥을 설계하고 분석하였다. CFT 기둥을 소성 설계에 채택함으로써 얻을 수 있는 이점은 다양한 구조 유형에 따른 하중 유형의 분석을 통해 제시한다.

초음속 혹은 극초음속 미사일의 레이돔은 공력 가열로 인해 과도한 열유속에 노출된다. 또한 미사일은 발사 후 속도와 고도가 변화하면서 이에 따라 레이돔에 가해지는 열유속이 변화한다. 이러한 열부하에 의해 레이돔의 온도가 소재의 허용 온도를 초과하면, 레이돔은 레이더를 보호하는 기능을 상실하게 된다. 따라서 비행 시나리오에 따른 레이돔의 열전달 특성을 고려하여 레이돔을 설계해야 한다. 본 연구에서는 준-비정상 기법을 적용하여 가상의 비행 시나리오에서의 레이돔의 열전달 특성을 분석하고 준-비정상 기법의 정확도와 효율성을 평가하였다. 준-비정상 기법을 적용하여 시간에 따른 레이돔 외벽의 열유속과 온도 분포를 도출하였으며, 15초 이후 레이돔 외벽의 온도가 소재의 허용 온도 이상으로 가열되는 부분이 있는 것을 확인하였다. 또한 준-비정상 기법을 통해 도출된 결과와 비정상 해석 결과를 비교하여 레이돔 평균 온도 측면에서 15% 이내의 오차로 예측할 수 있고 해석 소요 시간은 75%가 단축되는 것을 확인하여 준-비정상 기법의 효율성을 입증하였다.

압축하중을 받는 콘크리트 충전 강관(CFT) 부재는 강관에 의한 심부구속효과로 인해 내부 콘크리트의 취성이 감소하며, 이는 CFT 부재의 압축강도를 크게 증가시킨다. 본 연구에서는 강관을 퍼포본드 리브 전단연결재로 보강하여 콘크리트의 심부구속효과를 향상시키고, 유한요소해석 모델에서 재료 특성 및 경계 조건을 설정하여 이를 평가하였다. 이때, 강재와 콘크리트 사이의 계면 거동을 보다 정확하게 모사하기 위해 cohesive element를 사용하였으며, 이를 통해 강관과 콘크리트 간 하중 전달을 모델링하였다. 전단연결재로 인한 심부구속효과 향상을 검증하기 위해 퍼포본드 리브 전단연결재가 적용된 CFT 부재의 축소 모델에 대한 실험 및 유한요소해석을 수행하였고, 전단연결재가 없는 CFT 부재와의 비교를 통해 성능 향상이 확인되었다. 퍼포본드 리브 전단연결재는 홀의 지름 및 개수를 변화시키며 파라미터 스터디를 수행하였고, 이로 인해 전단연결재의 전단저항력 변화가 심부구속효과에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 전단연결재의 전단저항력 변화에 따른 CFT 부재의 구조적 성능 차이를 분석하면서, 실험과 유한요소해석의 일치성을 검토하였다.

본 논문에서는 마스크 설계에 다양한 위상 최적설계 기법을 적용하고, 광학 근접 보정 성능을 비교한다. 포토리소그래피 공정 중 포토레지스트에 가해지는 빛의 간섭 효과를 보정하는 광학 근접 보정 기술은 반도체 품질을 결정하는 중요한 요소 중 하나이다. 전통적인 광학 근접 보정 기술에서는 마스크의 일부 요소를 조정하며 보정 효과를 시뮬레이션과 실험으로 확인하면서 설계를 진행한다. 이러한 경험적 설계를 통해 최적의 마스크 형상을 얻는 데는 한계가 있기 때문에, 위상 최적화 기법을 이용한 마스크 설계의 필요성이 증가하고 있으며, 민감도 기반 알고리듬을 이용한 위상 최적설계가 진행되어 왔다. 본 논문에서는 이진 구조 위상 최적설계(TOBS)와 새롭게 고안한 완화된 이진 구조 위상 최적설계(Continuated TOBS)를 이용하여 기존 최적설계와 비교하고, 더 발전된 최적설계 방향을 제시한다.

이 논문에서는 부유식 구조체의 계류선에 작용하는 장력을 계산함에 있어서 동적 효과를 고려할 수 있는 준동적 계류선 해석 방법을 제안하였다. 준동적 계류선 해석 방법은 매 시간 단계에서 계류선의 탄성 현수선 해석해에 기반한 정적 장력을 계산한 후, 준동적 장력 계수를 적용해 속도와 가속도에 따른 항력 및 관성력의 영향을 반영하는 방법이다. 제안하는 방법은 정적 탄성 현수선 해석해를 구할 때 계산 효율성을 높이기 위해 응답면 기법을 도입하고, 수평 및 수직 방향의 동적 계수를 결합하여 준동적 장력 계수를 결정하는 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 모델은 계류된 바지선의 운동 해석을 통해 검증하였으며, 다양한 파 조건에서 동적, 준정적, 준동적 모델을 비교한 결과, 제안된 준동적 모델은 상대적으로 계류선의 동적 효과가 큰 주파수 대역에서 동적 모델과 유사한 장력 응답을 도출할 수 있음을 확인하였다.