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

본 논문은 그래핀 혈소판(GPL)으로 보강되고 내부 균열을 가진 원통 복합 구조물에 대한 임계 좌굴하중의 수치적 고찰을 다루고 있다. 임계 좌굴하중을 정확하게 평가하기 위해 이차원 자연요소법(NEM) 기반으로 개발한 효과적인 위상필드 균열모델을 제시하였다. 그래핀 혈소판은 두께방향으로 특정한 기능적 분포패턴으로 원통형 구조물에 삽입되어 있다. 수치적으로 균열의 존재를 표현하는 전통적인 절점분리 기법은 모델링의 번거로움은 물론 수치적 불안정성을 야기할 수 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 본 논문에서의 위상필드 정식화에서는 수치 그리드의 복잡한 작업 없이 위상 필드를 도입하여 균열을 표현하였다. 개발된 수치기법의 안정성과 신뢰성은 그리드 밀도에 따른 수렴성과 참고문헌과의 비교를 통해 입증하였으며, 그래핀이 보강된 원통 복합재의 좌굴특성을 관련된 주요 인자들에 따른 파라메트릭 수치실험을 통해 고찰하였다.

본 연구는 장대형 터널 입구에서 발생한 TNT 폭발로 인해 터널 내부로 전달되는 충격파 하중의 거리별 분포를 수치적으로 분석하였다. 특히 마하파가 평면파로 전이되는 구간에서 최대 압력 및 충격량의 감쇠 특성을 정량적으로 규명하는 데 중점을 두었다. 해석에는 고폭발물 해석에 특화된 도구인 ANSYS AUTODYN 2023R1을 사용하였으며, 25제곱미터 정사각 단면을 가진 직선형 터널을 대상으로 TNT 중량 10kg, 50kg, 100kg, 500kg 조건을 적용하였다. 터널 중심선 상의 관측 지점을 통해 데이터를 수집하고, 거리(D)를 폭약 중량(W)으로 나눈 환산 거리(Z = D/W)를 도입하여 중량 간 비교를 수행하였다. 분석 결과, TNT 중량에 따라 절대 응답 값은 달랐으나 정규화된 축에서는 최대 압력과 충격량이 유사한 감쇠 경향을 나타냈다. 이러한 결과는 터널 입구부 폭발 시 발생하는 하중 분포가 환산 거리 기준으로 일정한 패턴을 갖는다는 점을 보여주었으며, 향후 방호 설계, 위험 구역 산정 및 폭발 피해 예측 등에 활용 가능한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

본 논문은 에지 기반 평활화 유한요소법(Edge-based smoothed finite element method, ES-FEM)을 도입한 위상 최적화를 간결하고 효율적인 MATLAB 코드로 구현하였다. 제안한 MATLAB 코드는 교육적 목적을 위해 내부 및 경계 에지를 중심으로 평활화 영역을 체계적으로 생성하고, 해당 영역에 대한 평활화 강성 행렬을 계산함으로써 ES-FEM을 효과적으로 벡터화하는 방법을 보여준다. 특히 배열 사전 할당을 통해 계산 효율성을 한층 향상시켰다. 아울러, 개선된 밀도 필터를 도입하여 기존 ES-FEM 기반 위상 최적화 기법보다 수식을 단순화하면서도 계산 성능을 크게 향상시켰다. 이러한 개선으로 전체 MATLAB 코드는 175줄로 구현되어 높은 가독성과 사용 편의성을 갖춘다. 또한 경계 조건과 하중의 적용은 몇 줄만 수정하면 되어, 연구자가 손쉽게 코드를 유연하게 확장할 수 있다. MATLAB 코드는 부록에 수록되어 있으며, 이를 통해 위상 최적화와 ES-FEM에 입문하는 연구자들이 보다 쉽게 학습할 수 있도록 명확하고 직관적인 교육적 자료를 제공하고자 한다.

지진에 대한 플랜트 시스템의 확률론적 안전성 평가(Probabilistic Safety Assessment, PSA)를 수행하기 위해 고장수목(Fault Tree) 기반의 베이지안 네트워크(Bayesian Network, BN) 방법론이 제안된 바 있다. 해당 PSA를 수행하기 위해서는 구조물 및 설비들의 지진 취약도 곡선 정보는 필수적이며, 해당 정보는 Federal Emergency Management Agency(FEMA)에서 일부 제공하고 있다. 그러나 다양한 종류의 설비에 비해 제공되는 정보는 매우 제한적이며, 특히 플랜트 운영지속성을 위해 여분의 설비가 배치된 경우에도 개별 설비의 구조적 상태가 반영되지 못하고 같은 정보가 사용되어, 결과적으로 일률적인 리스크 평가와 제한적인 의사결정만이 이루어질 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 플랜트의 여러 주요 설비 중 석유화학 플랜트의 증류탑을 선정하고, 증류탑의 손상 메커니즘을 모사 가능한 조이스틱 모델을 구축하였다. 이와 더불어 지진 취약도 해석 기법 세가지(다중띠해석, 증분독적해석, 산점도분석법)에 대해 간략히 설명하고 주어진 예제에 대해 각 기법을 이용하여 취약도 곡선을 도출하였다. 도출된 결과에서 세기법의 차이가 크지 않음을 확인하였고, 앵커 파단과 같은 구조적 손상 시나리오를 가정하여 취약도를 도출하였는데, 이 결과를 토대로 개별 설비의 구조적 상태에 따라 상이한 취약도 곡선이 필요함을 확인할 수 있었다.

본 연구는 강풍에 취약한 설비로 선정된 154kV 직선형 송전철탑을 대상으로 극한 풍하중에 대한 구조 성능을 검토하였다. 선행연구에 따르면 송전철탑은 정면풍보다 45° 풍향에서 더 취약한 거동을 보이며, 이를 고려하여 ABAQUS를 이용한 Pushover 해석을 수행하였다. 극한 풍속 조건에서의 취약 부재와 거동 특성을 분석한 후, 길이 차원에서 1/2 상사율을 적용한 부분축소모형을 제작하였으며, 지압이음 조건과 마찰이음 조건으로 구분하였다. 또한 두 대의 가력기를 이용해 전체모델에서 산정된 수평력과 휨모멘트를 상사법칙에 따라 재현하였다. 실험 결과, 볼트 체결력을 향상시킨 경우 항복변위는 약 30% 감소했으나 항복하중에는 큰 차이가 없었다. 특히 마찰이음 조건에서는 해석과 실험의 항복하중 및 항복변위가 모두 5% 이내의 오차를 보여 Pushover 해석의 신뢰성이 검증되었다. 향후 연구에서는 주요 부재의 보강 방안을 수립하고, 보강된 부분축소모형 실험을 통해 내풍 및 내진 성능 향상을 검증할 예정이다.

콘크리트는 세계에서 가장 많이 사용되는 건설재료이며, 그 주요 구성요소인 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)는 전 세계 CO₂ 배출량의 약 8%를 차지한다. 또한 콘크리트 수요 증가로 인해 막대한 양의 모래와 굵은 골재 생산이 요구되면서 환경 생태계 파괴 문제가 증가하고 있다. 이에 따라 기능성 건설재료 개발과 대체 골재 활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 해양 패각은 풍부한 탄산칼슘 함량으로 주목받고 있다. 한편, 다수의 내부 기공을 가지는 기포콘크리트는 우수한 단열 성능, 낮은 밀도, 내동해성을 특징으로 하는 친환경･에너지 효율적 재료로 떠오르고 있다. 게다가, 기포콘크리트는 기공 특성으로 인한 소음 저감 성능이 우수하여 차음･흡음 건설재료로의 적용 가능성을 지닌다. 본 연구에서는 이러한 장점을 결합하여, 해양 패각을 혼입한 기포콘크리트를 대상으로 천연 잔골재 고갈 문제와 해양 환경오염 문제를 동시에 해결하고자 하였다. 연구 수행을 위해 post-foaming 공법을 적용하고, 공기연행제(AE제)를 발포제로 사용하여 공극을 형성하였으며, 꼬막 및 굴 패각을 모래 잔골재 대체재로 활용하였다. 다양한 패각 대체율과 AE제 함량 조건에서 제작된 시편에 대해 미세구조 특성을 분석하고, 기계적 성능과의 상관관계를 분석하였단. 또한 수치해석 기법을 통해 패각 혼입 기포콘크리트의 흡음 성능을 평가하였다. 본 연구는 해양 패각을 혼입한 기포콘크리트에서 기계적 성능을 저하시키지 않으면서 흡음 및 단열과 같은 기능적 성능 향상이 가능함을 확인하였다.

본 논문에서는 기어 소음 및 진동 저감을 위해 베이지안 최적화 기법을 이용하여 기어 전달오차를 최소화하는 최적설계 기법을 제안하였다. 이는 기어의 형상에 큰 영향을 받는다. 기존의 ISO 6336과 AGMA 2101 기반의 전달오차 해석은 기어 형상과 물림률을 충분히 반영하지 못하며, 유한요소해석은 정확도가 높으나 세밀한 요소망과 접촉 비선형 해석으로 인해 계산 비용이 매우 크다는 한계가 있다. 본 연구에서는 물림률을 고려한 유한요소 간소화모델을 구성하여 비교적 적은 샘플로 정확한 확률 모델을 만들 수 있는 가우시안 프로세스 기반 대리모델과, 여기서 얻어진 기대치 개선값을 바탕으로 새로운 최적점을 탐색하였다. 제안된 기법의 결과를 유전자 알고리즘 기법과 비교하여 유효성을 검증하였다.

본 논문에서는 상반회전 추진 프로펠러 이중축계의 회전 동특성을 정밀하게 분석하기 위한 수치해석 방법을 제안하였다. 제안된 해석 기법은 티모쉔코 보 이론 기반의 유한요소법을 이용하여 자이로스코픽 효과와 베어링 감쇠를 포함한 운동방정식을 정식화하였다. 개발된 해석 코드는 기존 동축 회전체 모델과의 비교를 통해 검증되었으며, 고유진동수와 캠벨선도 결과가 매우 잘 일치함을 확인하였다. CRP 축계의 시뮬레이션 결과 1차 공진모드에서 내축의 변위가 외축보다 커 축간 충돌 가능성이 높은 것으로 나타났다. 베어링 강성 증가 시 고유진동수가 상승하여 공진영역을 회피할 수 있었으며, 축 직경 변화는 상대적으로 영향이 작았다. 제안된 해석 기법은 상반회전 추진 이중축계의 설계 평가 및 진동 안정성 분석에 유용하게 활용될 수 있으며, 향후에는 비선형 베어링 특성 및 유체–구조 연성효과를 포함한 확장 연구로 발전시킬 수 있을 것이다.