Numerical Simulation of Dynamic Soil-Pile-Structure Interactive Behavior Observed in Centrifuge Tests

권선용 한국방재학회 2014 한국방재학회지 Vol.14 No.4

많은 토목구조물의 기초로써 사용되는 말뚝 기초의 동적 거동을 예측하는 것은 매우 중요한데, 이는 말뚝 기초의 동적 거동이 그 자체의 거동뿐 아니라 구조물 전체의거동에 커다란 영향을 미치기 때문이다. 이러한 말뚝 기초의 동적 거동을 평가하기위한 방법은 크게 현장 조사, 실내 모형시험, 수치 모델링의 세 가지로 나누어볼 수있다. 이 중 현장 조사는 지진에 의한 피해가 일어난 후에 수행되는 소극적 형태의 접근법이며, 최근 들어 실내 모형시험의 절차적, 경제적, 시간적인 한계점들로 인하여수치 모델링 기법의 효율성이 더욱 중요시되고 있는 상황이다. 수치 모델링 기법을 적용하여 말뚝 기초의 동적 거동을 예측하고자 한 선행 연구들은 대부분 단순화 접근법을 이용하였다. 단순화 접근법은 절차가 비교적 간단하고 해석이 간편하다는 장점이 있으나 단순화 과정에서 발생하는 여러 가지 가정조건들로인하여 정확하고 신뢰성 있는 결과를 기대하기 힘들다는 한계점을 가진다. 이에 대해2차원 혹은 3차원 연속체 모델링은 계산 과정이 복잡하고 해석 시간이 오래 걸린다는단점에도 불구하고 가장 직접적인 접근법이며, 적절한 모델링이 수행된다면 가장 정확하고 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 연속체 모델링기법을 사용하여 지진 시 지반-말뚝-구조물 동적 상호작용을 평가하고자 하였다. 원심모형시험 (Yoo, 2013) 에서 관측된 건조토 조건에서의 지반-말뚝-구조물 동적 상호작용을 모사하기 위하여 유한 차분법에 기초한 3차원 동적 수치 모델링이 수행되었다. 제안된 3차원 모델은 지반의 비선형 거동을 적절히 모사하기 위해 상용 유한 차분 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 시간 영역에서 해석이 수행되었다. 모델링방법론으로써 지반 구성 모델은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였으며 이력 감쇠 모델을 적용하여 지반의 비선형 거동을 모사하고자 하였다. 진동 중 지반과 말뚝 간의미끄러짐 및 분리 현상을 모사할 수 있는 인터페이스 모델을 적용하였으며 인터페이스 강성은 탄성이론에 기초하여 결정되어, 내장 함수인 FISH를 통해 깊이 별로 입력되었다. 경계 조건의 경우에는 지반-말뚝 상호작용의 영향을 받는 근역 지반만 메쉬를 생성하고 근역 지반의 경계부에 원역 지반의 가속도-시간 이력을 입력하는 방식인 단순화 연속체 모델링 기법 (Kim, 2011)을 적용함으로써 해석 시간을 감소시키고자 하였다. 수치 해석의 오차를 최소화하고 결과의 신뢰성을 확보하기 위해, 원심모형시험 결과와 수치 해석 결과와의 비교를 통한 제안된 기법의 캘리브레이션이 수행되었다.제안된 수치 모델로부터 계산된 말뚝 최대 휨 모멘트와 횡 방향 말뚝 최대 변위의 깊이 별 분포가 다양한 입력 하중 조건에서 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.제안된 수치 모델의 적용성 평가를 위해 다른 실험 케이스의 결과와 수치 해석 결과와의 추가적인 비교가 수행되었다. 수치 해석으로부터 계산된 다양한 말뚝의 동적응답이 다양한 입력 하중 조건에서 실험 결과를 적절히 모사하고 있는 것으로 나타났다. 이를 통하여 다양한 조건에서 제안된 수치 모델링 기법의 적용성이 검증되었다고 판단하였다. 제안된 수치 해석 기법의 적용성 평가를 토대로 다양한 조건에서의말뚝 동적 거동을 조사하기 위하여 제안된 수치 모델을 이용한 매개변수 연구를 수행하였다. 이를 통하여 건조토 지반에 근입된 말뚝 기초의 동적 거동에 미치는 다양한변수들의 영향을 평가하였으며, 기존의 연구결과와 매개변수 연구 결과를 비교함으로써 제안된 수치 모델링 기법의 적용성 및 신뢰성을 확인하였다. 원심모형시험 (Wilson, 1998) 에서 관측된 액상화 가능한 지반 조건에서의 지반-말뚝-구조물 동적 상호작용을 모사하기 위해 3차원 수치 모델링이 수행되었다. 액상화 시, 지반의 전단 변형으로 인해 야기되는 간극 수압의 발달을 모사하기 위해Finn 모델을 적용하였다. Finn 모델은 유효응력 해석법을 이용한 액상화 모델의 하나로써 임의의 지점에서의 다양한 액상화 거동을 실시간으로 파악할 수 있다. Finn모델은 건조토 조건에서 사용된 기존의 구성 모델에 결합되어 해석이 수행되었다.건조토 조건에서와 마찬가지로 실험 결과와 수치 해석 결과와의 비교를 통한 제안된 기법의 캘리브레이션이 수행되었다. 수치 모델로부터 계산된 과잉 간극수압 비,말뚝 휨 모멘트, 말뚝 두부 변위의 시간 이력이 실험 결과를 적절히 모사하고 있는 것으로 나타났다. 제안된 수치 모델의 적용성 평가를 위해 다른 실험 케이스와의 추가적인 비교를 수행한 결과, 수치 해석으로부터 계산된 다양한 말뚝의 동적 응답이 실험 결과를 대체로 잘 모사하고 있는 것으로 나타났다. 이를 통하여 제안된 수치 모델링 기법의 적용성이 검증되었다고 판단하였다. 다양한 조건에서의 말뚝의 동적 거동을 조사하기 위하여 제안된 기법을 이용한 매개변수 연구를 수행하였다. 이를 통하여액상화 지반에 근입된 말뚝의 동적 거동에 미치는 여러 변수들의 영향을 평가하였으며 기존의 연구결과와 매개변수 연구 결과를 비교함으로써 제안된

단변분 탐색법에 기초한 고속철도교량의 수치해석 모델 개선

박동욱,김남식,김성일,Park, Dong-Uk,Kim, Nam-Sik,Kim, Sung-Il 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.1

유한요소 해석 기술의 발달에 따라 수치해석은 실구조물의 상태파악 및 유지관리에 중요한 요소가 되었다. 이러한 유한요소 해석모델을 이용하여 실 구조물의 상태 파악하고 수치 실험을 행하기 위해서는 계측 응답을 바탕으로 수치해석 모델의 개선이 반드시 이루어져야 한다. 본 연구에서는 새롭게 개발된 단변분 탐색법을 기반으로 반복적 개선을 수행하면서도 미분함수를 작성하지 않아도 되는 새로운 수치해석모델 개선기법을 소개하고, 동적안정성 분석을 통하여 고속철도교량에서의 적용성을 검토하였다. 정확한 동특성 분석을 위하여 무선계측시스템과 계측점 이동법을 이용한 세밀한 계측을 실시하고, 상관성 검토 및 모드분해기법을 활용하여 고유진동수와 모드형상을 추정하였다. 설계자료를 바탕으로 구축된 수치해석 초기 모델을 추정된 동특성과 개발된 수치해석 모델 개선 기법을 이용하여 모델 개선을 수행하였으며, 개선된 모델을 이용한 수치 실험 결과와 실 교량에서의 응답과 비교하여 수치해석 모델 개선 기법의 적용성을 검토하였다. 또한, 개선된 모델의 유용성을 검토하기 위하여 고속철도교량의 동적안정성 분석을 실시하여 성공적으로 수행할 수 있었다. 개발된 수치해석 모델 개선기법의 적용성을 추가적으로 검증된다면, 다양한 구조물 및 교량에서 개발된 수치해석 모델 개선기법을 사용할 수 있을 것이다. Numerical model became one of most important tools for identifying the state of an existing structure in accordance with development of numerical analysis techniques. A numerical model should be updated based on the measured responses from the existing structure to accurately use the model for identifying the state of the bridge and executing numerical experiments. In this study, a new model updating method based on repetition method without a differential function is introduced and applicability for high speed railway bridge is verified with dynamic stability analysis. A fine measurement based on measurement points roaming method was executed with an wireless measurement system for precise dynamic characteristic analysis. The natural frequencies and mode shapes were estimated by correlation analysis and a mode decomposition technique. An initial numerical model was constructed based on design drawings and the model have been updated in accordance with the introduced model updating method. The results from numerical experiment and field test have been compared for verifying the applicability of the model updating method. And the dynamic stability analysis has been executed to verify the usability of the updated numerical model and the model updating method. It seems that the model updating method can be used for various bridges after evaluation of applicability for other type bridges in further studies.

3차원 개별요소해석 시의 초기 모델 및 재료 스케일 영향

전제성(Jeon Jesung),신동훈(Shin Donghoon),하익수(Ha Iksoo) 한국지반환경공학회 2011 한국지반환경공학회논문집 Vol.12 No.7

본 연구에서는 3차원 개별요소해석 코드인 Particle Flow Code, PFC<SUP>3D</SUP>(Itasca)를 이용, 조립재료의 실내 삼축압축시험에 대한 개별요소 수치 모델링을 수행하였으며, 해석 모델과 개별요소를 대상으로 다양한 상사 조건에 대한 개별요소 수치 모델링을 수행, 그 결과를 통해 각각의 스케일 조건이 최종 수치 모델링 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 3차원 개별요소 수치 모델링은 기존 2차원 모델링 대비 별도의 간극률 환산 없이 정확한 초기 조건 구현이 가능했으며, 응력-변형 및 체적변화 거동, 강도정수 등에 있어 실내시험 결과와 유사한 수치 해석적 예측이 가능하였다. 해석 모델과 개별요소에 대한 다양한 상사비 조건별 수치 모델링 결과, 3차원 해석 시의 안정적 예측결과 도출 및 수치 시험실 활용에 대한 적정성을 확보하되, 해석시간 단축 및 해석 효율성 확보를 위해서는 해석 모델과 개별요소에 대한 적정 상사비 결정이 필요함을 알 수 있었다. 해석 모델의 크기와 개별요소의 입경크기를 변화시켜 개별요소 수치모델링을 수행한 결과, 대부분의 경우 전체적인 응력-변형 거동에 차이가 발생하였지만, 점착력과 내부마찰각의 강도정수는 Dmod/Dgmax < 10 조건에 유사한 결과를 보였으며, 개별요소 방법이 수치 시험실 기법을 이용한 강도정수산정에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다. Numerical simulations by three-dimensional Particle Flow Code(PFC<SUP>3D</SUP>, Itasca) considering distinct element method (DEM) were carried out for prediction of triaxial compression test with sand material. The effect of scale conditions for numerical model and distinct material on final prediction results was analyzed by numerical models under various scale conditions, and following observations were made from the numerical experiments. It is very useful to model the initial material condition without any porosity conversion from 2-D to 3-D DEM. Numerical experiments have shown that in all cases considered, 3D distinct element modeling could provide good agreement on stress-strain behavior, volume change and strength properties with laboratory testing results. It was important thing to assess reasonable scale ratio of numerical model and distinct elements for saving calculation time and securing calculation efficiency under condition with accuracy and appropriateness as numerical laboratory. As results of DEM simulations under various scale conditions, most of results show that shear strength properties as cohesion and internal friction angle are similar in condition of Dmod/Dgmax < 10. It shows that 3-D distinct element method could be used as efficient tool to assess strength properties by numerical laboratory technique.

폭풍파 및 파편 충돌에 대한 강판보강 콘크리트 패널의 복합적 수치해석

윤성환(Yun Sung-Hwan),박대효(Park Taehyo) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 A Vol.31 No.1A

본 논문에서는 폭발에 의한 폭풍파 및 파편 충돌하중을 받는 강판보강 콘크리트 패널의 충돌손상거동 수치해석이 수행된다. 폭발로 인해 발생되는 순간 동역학적인 충돌손상 메커니즘은 매우 복잡하며, 이에 대한 실험적 연구 또한 막대한 비용과 시설이 요구되기 때문에 explicit 유한요소해석 프로그램인 AUTODYN을 이용하여 수치적 연구가 수행된다. 그러나, 단일의 수치해석기법을 적용하여 폭풍파 및 파편의 충돌에 의한 손상거동을 명확히 모사하기에는 한계가 있다. 따라서 수치해석의 정확성 및 효율성을 높이기 위해 Euler-Lagrange, SPH(smoothed particle hydrodynamics)-Lagrange 기법을 커플링하는 복합적 수치해석(multi-solver coupling) 기법이 제안된다. 제안된 해석기법과 2차원 축대칭 모델을 적용하여 강판보강 유무에 따른 콘크리트 패널의 충돌손상거동 해석이 수행된다. 수치해석 결과 무보강 콘크리트 패널의 경우, 파편 충돌에 의해 파쇄 및 관통이 발생되었고 강판보강 콘크리트 패널의 경우 강도 및 강성의 증가로 인해 관통이 발생되지 않았고 최대처짐 및 파편억제효과가 나타났다. 해석결과는 기존의 실험결과와 비교하여 잘 일치되었고 제안된 복합적 수치해석 기법은 충돌손상에 대한 보강성능을 평가하는데 효과적으로 적용가능하다. The impact damage behavior of steel-strengthened concrete panels exposed to explosive loading is investigated. Since real explosion experiments require the vast costs to facilities as well as the blast and impact damage mechanisms are too complicated, numerical analysis has lately become a subject of special attention. However, for engineering problems involving blast wave and fragment impact, there is no single numerical method that is appropriate to the various problems. In order to evaluate the retrofit performance of a steel-strengthened concrete panel subject to blast wave and fragment impact loading, an explicit analysis program, AUTODYN is used in this work. The multi-solver coupling methods such as Euler-Lagrange and SPH-Lagrange coupling method in order to improve efficiency and accuracy of numerical analysis is implemented. The simplified and idealized two dimensional and axisymmetric models are used in order to obtain a reasonable computation running time. As a result of the analysis, concrete panels subject to either blast wave or fragment impact loading without the steel plate are shown the scabbing and perforation. The perforation can be prevented by concrete panels reinforced with steel plate. The numerical results show good agreement with the results of the experiments.

해석적-수치해석적 방법을 통한 낙석방지울타리에 작용하는 에너지 분석

김희수(Hee Su Kim),황영철(Youngcheol Hwang),장현익(Jang, Hyun-Ick),반호기(Hoki Ban) 한국지반환경공학회 2019 한국지반환경공학회논문집 Vol.20 No.12

우리나라의 국토는 약 70% 이상 산악지형으로 사업화와 도시화로 인한 도로의 확장과 연장으로 인해 사면을 변형시키는 규모가 매년 증가하고 있다. 이렇게 변형된 사면은 집중호우와 지진 등의 자연재해로 인해 낙석발생의 위험이 높아지고 있다. 국토교통부(2016) 도로안전시설 설치 및 관리지침 중 낙석방지시설 편에는 48∼61kJ에 상응하는 와이어로프, 지주, 망의 규격 등이 제시가 되어있으나 낙석방지울타리의 흡수에너지와의 상관관계는 명확하게 제시되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 해석적, 수치해석적 방법을 통해 낙석방지울타리에 작용하는 에너지를 계산하고 비교 분석하였다. 그 결과 낙석방지울타리 흡수에너지의 경우 지주의 형태가 H형강인 경우 1경간과 3경간일 때 수치해석의 경우가 2.3, 4.4kJ 정도 크게 계산되었다. 지주의 형태가 각형강관인 경우는 3경간인 경우 오히려 해석적 방법이 34.4kJ 정도 크게 계산되었다. 이는 수치해석에서는 중간지주 부분은 각형강관이 아닌 H형강을 사용하여 수행되었기 때문에 상대적으로 작은 흡수에너지를 보여주고 있다. 향후 각형강관으로 이루어진 3경간에 대해 추가적으로 수치해석을 수행 예정이며, 이들을 검징하기 위한 실물낙석시험을 실시할 예정이다. A man-made slope has been increased due to the construction of road. This slope lies at risk of rock falling, induced mostly by heavy rainfall. The MOLIT (Ministry of Land, Infrastructure and Transport) recommends the specific dimension of rockfall protection fence (post, wire-rope, and mesh) which should resist 48∼61 kJ. However, the energy absorption capacity of each component of rockfall protection fence is not clearly presented. Hence, this study made an effort to compute the energy absorption capacity of each component in analytical and numerical method, and compared with each other.

지반굴착 해석모델에 따른 변위거동에 관한 연구

정지승(Jeeseung Chung),신영완(Youngwan Shin),김만화(Manhwa Kim),국윤모(Yunmo Kook),정규경(Kyukyung Jeong),김필수(Pilsoo Kim),이상환(Sanghwan Lee) 한국지반환경공학회 2018 한국지반환경공학회논문집 Vol.19 No.4

제한된 토지의 효율적인 활용을 위해 과거로부터 지하공간 개발에 따라 수많은 지반굴착 공사가 이루어져 왔다. 지반굴착은 굴착면 주변지반의 응력변화와 변위를 수반함에 따라 굴착면의 안정성에 영향을 미치게 되어 지반거동에 대한 영향을 예측하는 것이 매우 중요한 문제이다. 이러한 영향 예측을 위한 방법으로 수치해석방법이 주로 이용되며, 최근 컴퓨터 성능 향상과 더불어 수치해석 프로그램의 발달로 매우 복잡한 문제도 적용이 가능해졌다. 그러나 일부 특수해석을 제외하고 대부분 해석모델을 산정 및 적용이 간편한 Mohr-Coulomb 해석모델을 적용함에 따라 굴착면 바닥부에서 실제보다 큰 변위가 발생하는 것으로 예측되어 필요 이상의 보강이 이루어지는 문제점이 발생한다. 본 연구에서는 지반굴착 과정을 모사하여 수치해석을 수행하였으며, 해석모델로 Mohr-Coulomb, Modified Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Hardening Soil 해석모델을 적용하여 그 결과를 비교분석하였다. 본 연구는 수치해석을 통한 지반굴착 문제해결 시 다양한 지반굴착 조건별로 적합한 해석모델 선정을 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다. There were many ground excavation projects from past to present to make effective use of the limited land. And it is very important to predict the ground behavior depending on construction stage for ground excavation. Excavation of the ground involves changes in the stress and displacement of the ground around the excavated surface. Thus it affects the stability of the adjacent structure as well as the excavated surface. Therefore, it is very important to predict the ground behavior and stability of adjacent structure. And nowadays, numerical analysis methods are most often used to predict the effects of ground excavation. Recent, improvements of numerical analysis programs, along with improved computer performance, have helped solve complicated ground problems. However, except some specialized numerical analysis, most numerical analysis often predicts larger excavation floor displacement than field data due to adopt the Mohr-Coulomb analysis model. As a result, it raise the problem that increasing the amount of support on ground and structure. In this study, ground behavior analysis depending on analysis model (Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Modified Mohr-Coulomb and Hardening Soil model) has been carried out through the numerical analysis. When numerical analysis is carried out, this study is expected to be used as a basic data for adopting a suitable analysis model in various ground excavation project.

효율적 수치해석을 위한 오픈소스 프로그램 기반 해석 플랫폼 구축 및 사례 연구

박찬희(Chan-Hee Park),김태현(Taehyun Kim),박의섭(Eui-Seob Park),정용복(Yong-Bok Jung),방은석(Eun-Seok Bang) 한국암반공학회 2020 터널과지하공간 Vol.30 No.6

본 연구에서는 실제 지질구조를 반영한 실규모 수치해석을 효율적으로 수행하고자 탐사 자료를 바탕으로 한 메쉬 생성, 해석수행, 결과분석을 위한 후처리의 일련의 과정을 포함한 해석 플랫폼을 구축하였다. 해석 플랫폼 구축을 위하여 연구자의 필요에 따른 코드 수정 및 다양한 수치해석 프로그램과 호환이 가능할 수 있도록 소스코드가 공개되어 있는오픈소스 프로그램을 활용하였다. 먼저 드론을 활용하여 촬영한 탐사 정보를 바탕으로 3차원 모델을 획득한 후, 오픈소스 3차원 창작 소프트웨어인 Blender를 활용하여 도메인의 메쉬 밀도를 해석 가능한 수준으로 조정하였다. 다음 단계로는 유한요소 메쉬 생성 프로그램인 Gmsh를 활용하여 도메인 내부에 사면체 기반의 메쉬를 생성하여 3차원 모델을 생성하였다. Gmsh를 통해 획득된 메쉬 정보를 수치해석 프로그램에 활용하기 위해서 메쉬 생성 규약에 적합하도록 변환하는 과정이 필요하며, 이는 Python을 통해 코드를 작성하여 수행하였다. 안정성 해석이 완료된 뒤에는 자료의 후처리 작업을 위해 시각화 및 데이터 분석 프로그램인 ParaView를 활용하여 다양한 시각화 자료를 생성하였다. 구성된 플랫폼의 활용성을 확인하기 위해 드론 탐사자료를 바탕으로 생성한 실규모 독도 모델을 대상으로 예비 안정성 분석을 성공적으로 수행하였으며, 예비해석을 통해 구축된 해석플랫폼이 향후 다양한 해석 과정에 활용될 수 있음을 확인하였다. This study constructed a new simulation platform, including mesh generation process, numerical simulation, and post-processing for results analysis based on exploration data to perform real-scale numerical analysis considering the actual geological structure efficiently. To build the simulation platform, we applied for open-source programs. The source code is open to be available for code modification according to the researcher"s needs and compatibility with various numerical simulation programs. First, a three-dimensional model(3D) is acquired based on the exploration data obtained using a drone. Then, the domain"s mesh density was adjusted to an interpretable level using Blender, the free and open-source 3D creation suite. The next step is to create a 3D numerical model by creating a tetrahedral volume mesh inside the domain using Gmsh, a finite element mesh generation program. To use the mesh information obtained through Gmsh in a numerical simulation program, a converting process to conform to the program"s mesh creation protocol is required. We applied a Python code for the procedure. After we completed the stability analysis, we have created various visualization of the study using ParaView, another open-source visualization and data analysis program. We successfully performed a preliminary stability analysis on the full-scale Dokdo model based on drone-acquired data to confirm the usefulness of the proposed platform. The proposed simulation platform in this study can be of various analysis processes in future research.

고전계 응답 공간 전하 거동의 다중 물리 해석 및 수치 안정화 기법

이호영 국제차세대융합기술학회 2021 차세대융합기술학회논문지 Vol.5 No.4

본 연구에서는 단극성 전하 모델에서 전하 주입에 의한 공간 전하 전파 해석을 위해 전계-전하수송장으로 구성된 다중 물리계를 수학적으로 모델링하고, 수치 안정화 기법을 도입하여 양방향 다중물리 연성 수치해석법을 제안하였다. 수치해석은 2차원 평행 평판 전극 사이에 유전체가 존재하는 전기수력학적 모델을 선정하여 진행하였다. 고전계가 인가된 전극으로 전하가 주입되고, 유전체 내 단극성 공간 전하가 드리프트와 확산에 의해 거동하는 다물리 메커니즘을 수치해석으로 분석하였다. 인공 확산항을 도입하여 수치적 불안정성을 극복하였고, 기존 문헌에서 제안한 이론해와 비교하여 수치해석법의 타당성을 검증하였다. 유한요소법 기반의 양방향 다중물리 결합 해석은 기체, 유체, 고체 방전분야에서 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 공학분야에서 다물리계 해석에서 활용할 수 있는 유용한 수치해석기법이다. In this study, for the analysis of space charge propagation by charge injection in a single charge model, a multi-physical system composed of an electric-charge transport field was mathematically modeled, and a bidirectional multi-physics coupled numerical analysis method was proposed by introducing a numerical stabilization technique. The model for numerical analysis was carried out by selecting an electro-hydrodynamic model in which a dielectric exists between two-dimensional parallel plate electrodes. The multi-physical mechanism in which electric charges are injected into the electrode to which a high electric field is applied and the unipolar space charge in the dielectric behaves by drift and diffusion was analyzed by numerical analysis. The numerical instability was overcome by introducing an artificial diffusion term, and the validity of the numerical analysis method was verified by comparing it with the theoretical solution proposed in the previous literature. The bidirectional multi-physics coupling analysis based on the finite element method is a useful numerical analysis technique that can be applied not only in gas discharge, fluid discharge, and solid discharge fields, but also in multi-physics analysis in various engineering fields.

대공간의 연기유동에 대한 수치해석적 분석

김정엽,김지석 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-

본 연구에서는 대공간에서의 연기유동을 해석하기 위한 방안으로 전산유체역학을 바탕으로 하는 수치해석 기법을 적용하였으며, 구체적으로는 정확성과 타당성이 검증되어 열·유동 해석문제에 널리 적용되고 있는 3차원 범용프로그램인 CFX14를 사용하였다. 수치해석 대상은 스페인에서 수행된 Murcia Atrium Fire Tests의 대공간을 선정하였다. 대상 대공간은 19.5 m x 19.5m x 20.0m 의 전체적인 크기를 갖는다. 천장에는 4개의 배연 송풍기가 설치되어 있고, 벽의 하단부에 8개의 그릴형 흡입구가 설치되어 있다. 수치해석 조건은 상기의 실규모 실험 Test 1과 동일하게 열방출율과 흡입구의 개방방식 조건을 적용하였다. 열방출율이 1.35 MW이고 흡입구는 모두 개방하는 조건이 적용되었다. 한편 배연용 송풍기는 모든 송풍기가 가동되는 조건이며 기준온도는 실험시의 외부기온이 적용되었다. 수치해석 결과에 대한 분석은 다음과 같다. 우선 수치해석 대상 대공간의 중앙 단면에서의 시간별 온도분포를 살펴보면 중앙 화염원에서 고온의 연기가 생성되어 천장까지 상승해서 천장의 배기구로 배출되며 일부는 천장을 타가 측면으로 퍼져서 벽면을 타고 아래로 하강하는 것을 알 수 있다. 시간이 지나면서 차차 연기가 공간의 상층부에 축적되고 일부는 하층부로 하강하면서 전체적인 공간내 온도가 상승하는 것을 알 수 있다. 실규모 실험과 수치해석의 결과를 비교하여 분석해 보면 실규모 실험과 수치해석 결과가 비교적 유사한 추이를 보이고 있으며, 이로부터 본 연구에서 설정한 수치해석 방안이 대공간 건축물의 연기유동 해석과 효과적인 연기제어 시스템 개발에 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

지하암반 냉동저장고 주변의 온도분포 예측을 위한 수치해석

이규상(Gyu-Sang Lee),이정인(Chung-In Lee) 한국암반공학회 2004 터널과지하공간 Vol.14 No.4

지하암반 냉동저장고 주변의 온도분포를 예측하기 위하여, FLAC을 이용한 2차원 및 3차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석 수행 시 암반 열물성에 대한 지하수 및 동결잠열의 영향을 고려하였으며, 2차원 및 3차원 수치해석 결과와 5년간의 지하암반 온도계측 자료를 비교하였다. 2차원 수치해석 결과 실험실 물성을 이용한 경우는 계측 결과와 큰 오차를 나타내었으며, 지하수 부피비 20% 및 동결잠열을 고려한 수치해석 결과가 계측 결과와 가장 작은 오차를 나타내었다. 하지만, 냉동기 가동시간이 증가하면서 지표면으로의 열 유동의 영향으로 커지는 오차는 커지는 경향을 나타내었다. 지표면의 영향을 고려하는 3차원 수치모델을 정립하여 수치해석을 수행한 결과, 지하수 및 동결잠열의 영향을 고려한 수치모델이 계측 결과가 잘 일치하는 경향을 나타내었다. To predict the temperature distribution around a underground rock storage cavern, two- and three-dimensional numerical analysis using FLAC was conducted. The effects of groundwater and latent heat on thermal properties were considered in numerical calculation. The temperature estimated by FLAC are compared with the temperature measured for 5-year operation at Gonjiam storage cavern. Estimated and measured temperatures showed great discrepancy when thermal properties from laboratory tests were used and showed good agreement when the effects from 20% of volumetric water fraction and latent heat were considered. However, the discrepancy still increased with operation time due to the heat flow from ground surface. Three-dimensional numerical models were established to closely approximate the boundary condition of the test site, and numerical results better agreement when groundwater and latent heat effects were considered.