사장교의 기하학적 비선형 거동의 해석적 연구

김승준(Kim Seungjun),이기세(Lee Kee Sei),김경식(Kim Kyung Sik),강영종(Kang Young Jong) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.1A

본 연구에서는 사장교의 기하학적 비선형 거동을 기하학적 비선형 유한요소 해석을 통해 분석한다. 사장교의 주탑 및 거더는 휨 모멘트 뿐만 아니라 케이블의 장력에 의해 축력이 작용한다. 즉 거더와 주탑은 보-기둥 부재와 같이 휨모멘트와 축력의 상호작용에 의한 대변위 거동을 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 기하학적 비선형 해석을 통해 완성계 사장교의 대변위 효과 주탑 및 거더의 보-기둥 효과 그리고 케이블의 새그효과가 모두 고려된 비선형 거동을 검토하였다. 거더 및 주탑은 6자유도 프레임 요소로 모사하고 사장교 케이블은 새그효과를 효율적으로 고려하기 위해 3지유도 등가 트러스 요소를 사용하여 모사하였다. 해석은 먼저 사하중에 대한 초기 형상 해석을 통해 사하중을 고려하고 이 후 각기 다른 형태의 활하중에 대한 기하학적 비선형 해석을 수행하였다. 해석 후 각 모델의 변형형상, 각 주요 지점의 하중-변위곡선 케이블 장력의 변화등의 정량적 수치를 분석하여 고려한 활하중 형태 및 사장교 형식에 대한 주요 기하학적 비선형 거동을 규명하였다. This paper presents an investigation on the geometric nonlinear behavior of cable-stayed bridges using geometric nonlinear finite element analysis method. The girder and mast in cable-stayed bridges show the combined axial load and bending moment interaction due to horizontal and vertical forces of inclined cable. So these members are considered as beam-column member. In this study, the nonlinear finite element analysis method is used to resolve the geometric nonlinear behavior of cable-stayed bridges in consideration of beam-column effect, large displacement effect (known as P-δ effect) and cable sag effect. To analyze a cable-stayed bridge model, nonlinear 6-degree of freedom frame element and nonlinear 3-degree of free-dom equivalent truss element is used. To resolve the geometric nonlinear behavior for various live load cases, the initial shape analysis is performed for considering dead load before live load analysis. Then the geometric nonlinear analysis for each live load case is performed. The deformed shapes of each model, load-displacement curves of each point and load-tensile force curves for each cable are presented for quantitative study of geometric nonlinear behavior of cable-stayed bridges.

동시회전의 화이버 단면 보 요소를 이용한 평면 구조물의 재료 및 기하 비선형 해석

김정수,김문겸 한국전산구조공학회 2017 한국전산구조공학회논문집 Vol.30 No.3

본 논문에서는 합성단면을 갖는 구조물의 극한 거동 해석에서 요구하는 재료 및 기하학적 비선형 해석을 수행하기 위한 보 요소를 제시하였다. 제안된 요소는 기하학적 비선형성을 효과적으로 모사할 수 있는 co-rotational 정식화를 통해 도출되 었으며, 다양한 합성단면의 저항성능을 재현할 수 있도록 화이버 단면법이 요소의 내력 및 강성을 산정하는데 활용되었다. 제안된 방법을 구현할 수 있도록 해석 프로그램이 개발되었으며, 호장법을 적용하여 최대내력 발생 이후의 연성거동뿐만 아 니라 심한 비선형 응답(snap-through 또는 snapback)까지 추적해낼 수 있도록 하였다. 본 연구에서 제안된 요소 정식화와 해석 프로그램의 정확성을 검증을 위해 몇 가지 수치예제가 수행되었고, 해석결과는 제안된 요소의 정확성과 효율성을 보이 기 위해 3차원 연속체 모델 및 기존 연구의 결과와 비교되었다. 추가로 합성단면을 갖는 골조 구조물에 대한 수치예제를 통 해, 합성단면을 구성하는 재료의 탄성계수 비 및 강도 비에 따른 영향을 분석하였다. 해석결과는 외층 재료의 탄성계수가 증 가됨에 따라 준취성 거동이 나타났으며, 외층 재료의 항복강도가 높을수록 선형 거동하는 기하적 비선형 응답과 유사한 응 답을 보였다. This paper presents a beam element capable of conducting material and geometric nonlinear analysis for applications requiring the ultimate behavioral analysis of structures with composite cross-sections. The element formulation is based on co-rotational kinematics to simulate geometrically nonlinear behaviors, and it uses the fiber section method to calculate the stiffness and internal forces of the element. The proposed element was implemented using an in-house numerical program in which an arc-length method was adopted to trace severe nonlinear responses(such as snap-through or snapback), as well as ductile behavior after the peak load. To verify the proposed method of element formulation and the accuracy of the program that was used to employ the element, several numerical studies were conducted and the results from these numerical models were compared with those of three-dimensional continuum models and previous studies, to demonstrate the accuracy and computational efficiency of the element. Additionally, by evaluating an example case of a frame structure with a composite member, the effects of differences between composite material properties such as the elastic modulus ratio and strength ratio were analyzed. It was found that increasing the elastic modulus of the external layer of a composite cross-section caused quasi-brittle behavior, while similar responses of the composite structure to those of homogeneous and linear materials were shown to increase the yield strength of the external layer.

등가하중을 이용한 비선형 정적 응답 위상최적설계의 기초연구

이현아(Hyun-Ah Lee),Ahmad Zeshan,박경진(Gyung-Jin Park) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.12

실제 대부분의 공학 문제들은 크고 작은 비선형성을 내포한다. 구조물의 최적설계 과정에서는 다수의 구조물 사이에 발생하는 접촉이나 비선형 물성치를 가지는 재료, 또는 대변형을 고려해야만 한다. 그러나 민감도 계산이 고가이기 때문에 비선형성을 최적화에 고려하는 것은 매우 어렵다. 따라서 비선형 정적 반응 위상최적설계를 위하여 등가하중법을 사용한다. 등가하중이란 비선형 해석에서 유발되는 반응장과 동일한 반응장을 유발하는 선형 정적하중이다. 등가하중법은 치수/형상최적설계를 위하여 연구되어 왔다. 위상최적설계는 치수/형상최적설계에 비하여 설계변수가 많기 때문에 기존의 등가하중법을 그대로 적용할 수 없기 때문에 위상최적설계를 위하여 등가하중법을 확장하고 수정한다. 간단한 예제를 통하여 등가하중법을 이용한 위상최적설계 결과가 수치적으로 도출한 결과와 유사함을 보이고 실제 공학 예제의 위상최적설계를 통하여 기존의 선형 정적 위상최적설계와 결과를 비교한다. Most components in the real world show nonlinear response. The nonlinearity may arise because of contact between the parts, nonlinear material, or large deformation of the components. Structural optimization considering nonlinearities is fairly expensive because sensitivity information is difficult to calculate. To overcome this difficulty, the equivalent load method was proposed for nonlinear response optimization. This method was originally developed for size and shape optimization. In this study, the equivalent load method is modified to perform topology optimization considering all kinds of nonlinearities. Equivalent load is defined as the load for linear analysis that generates the same response field as that for nonlinear analysis. A simple example demonstrates that results of the topology optimization using equivalent load are very similar to the numerical results. Nonlinear response topology optimization is performed with a practical example and the results are compared with those of conventional linear response topology optimization.

코일 스프링 설계인자의 내구 성능 영향 분석

전정일(Jeongil Jeon),장의선(Euisun Jang),유영일(Youngil Ryu) 한국자동차공학회 2006 한국자동차공학회 춘 추계 학술대회 논문집 Vol.- No.-

In the past, many prototypes of coil spring have been necessary to find out the optimal design parameters for good performances in stiffness, NVH, durability and etc. However, these days, many design variants of spring can be evaluated before manufacturing stage due to engineering software which can simulate the nonlinear characteristics of spring motion. In this paper the effect of design parameters affecting the durability performance is analyzed using CAE(Computer Aided Engineering). The stress time history was obtained by means of geometric nonlinear analysis considering large deformation and contact of a spring and then the fatigue analysis was performed. A test for measuring strain was performed to verity the reliability of the finite element model for geometric nonlinear analysis, and the fatigue test was done for validation of fatigue analysis. As the result of these simulations, appropriate design parameters for improving durability performance of a coil spring were proposed.

기하 비선형성을 고려한 철근콘크리트모멘트골조의 연쇄붕괴 해석

김진구(Kim Jin-Koo),유지성(Yu Ji-Sung) 대한건축학회 2008 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.24 No.9

The objective of this study is to investigate the progressive collapse potential of reinforced concrete moment frame structures considering geometric nonlinearity. To this end 3-, 6-, and 15-story RC moment frames were designed as analysis model structures with and without considering seismic load, and their progressive collapse potentials were investigated by performing nonlinear static and dynamic analyses. It was observed from the analysis results that the catenary action is activated by the reinforcing steel and is proportional to the amount of the reinforcement. It was also observed that the amount of stirrup affects the onset of the catenary action and the progressive collapse behavior at large deformation. According to the nonlinear dynamic analysis results the structures not designed for seismic load turned out to be highly vulnerable for progressive collapse, whereas the structures designed considering seismic load showed superior performance against progressive collapse.

비선형 와류 격자법과 기하학적 정밀 보 이론 결합을 통한 로터 블레이드 공탄성 해석자 개발

이사랑,정인호,조해성,강우람,이학진 한국항공우주학회 2024 韓國航空宇宙學會誌 Vol.52 No.1

회전익기 로터 시스템의 특성상, 로터 블레이드의 진동 현상이 불가피하게 발생한다. 로터 블레이드의 진동 특성을 분석하고 저감하기 위해서는 공탄성 해석 연구가 선행적으로 요구된다. 공탄성 해석의 필요성이 높아짐에 따라 국내외 관련 연구가 활발히 수행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 비선형 와류 격자법을 적용한 공력 모델과 기하학적 정밀보 이론을 적용한 구조 모델을 결합하여 로터 블레이드의 공탄성 해석자를 개발하였다. 각 공력 모델과 구조 모델의 개별적인 검증을 수행 후, 개발된 해석자를 검증하였다. 제자리 비행 조건에서 공력 성능 및 공탄성 안정성을 예측할 수 있으며, 로터 블레이드의 구조 변형이 후류에 미치는 영향을 분석하였다. 개발된 해석자를 통해 예측된 값과 타 선행 연구 결과를 비교하여 해석자 검증을 수행하였다. 이를 통해 본 방법론을 적용한 공탄성 해석자가 공력-구조 상호작용에 의한 공탄성 해석에 활용될 수 있음을 확인하였다. The vibration of the rotor blades inevitably occur due to the nature of the rotating system. Therefore, the aeroelastic analysis is required to analyze the vibration characteristics of the rotor blade and develop novel technology for reducing vibratory loads. As the demand for aeroelastic analysis increases, the domestic and international studies in this field have been conducted. In this study, we developed an aeroelastic analysis code for the rotor system by combining a nonlinear vortex lattice method for aerodynamic model and geometrically exact beam theory for structural model. For solver validation, two rotor blades operating hover flight conditions, Sharpe and BO-105 rotor blades, are considered. The aeroelastic analysis is conducted to predict the aerodynamic performance and aeroelastic stability, and investigate the effects of the rotor blade's structural deformation on the evolving wake geometry. By comparing the predicted values with results from other previous studies, we performed the validation of the analysis tool. The validation results showed that the aeroelastic analysis code developed in this study can provide reasonable results considering the aerodynamic-structural interaction.

기하학적 비선형을 고려한 강재 댐퍼의 거동 분석

한태경(Han, Tae Gyeong),이규선(Lee, Gyu Seon),김동건(Kim, Dong Keon) 대한건축학회 2017 대한건축학회 학술발표대회 논문집 Vol.37 No.1

직교이방성을 고려한 Barrel Vault형 지붕 막구조물의 비선형 구조해석에 관한 연구

김승덕,정을석,백인성 한국공간구조학회 2005 한국공간구조학회지 Vol.5 No.1

연성구조물의 일종인 막구조물은 대공간 구조물을 보다 효과적으로 구축할 수 있다. 연성구조물은, 축강성은 강하고 휨강성이 매우 작은 재료를 주 구조재로 사용하므로 초기강성에 매우 약한 구조체이다. 초기강성을 확보하기 위해서는 초기응력의 도입이 필수적이고, 초기강성을 갖기 전에는 불안정현상을 나타내지만, 초기강성의 도입과 함께 안정상태가 된다. 초기 불안정 구조물에 초기강성을 도입함으로써 야기되는 대변형 현상을 파악하기 위해서는 기하학적 비선형을 고려한 형상해석이 요구된다. 본 연구에서는 비선형 해석프로그램인 NASS를 이용하여 해석을 수행한다. 해석모델은 Barrel Vault형 지붕 막구조물을 대상으로 하며, 직교이방성을 고려한 형상해석 및 응력-변형해석을 수행한 후 안정성을 검토한다. Membrane structures, a kind of lightweight soft structural system, are used for spatial structures. The material property of the membrane has strong axial stiffness, but little bending stiffness. Therefore membrane structures are unstable structures initially. These soft structures need to be introduced initial stresses first because of its initial unstable state, and it happens large deformation phenomenon. To find the structural shape after large deformation caused by initial stiffness introduced, we need the shape analysis considering geometric nonlinearity in structural design procedure In this study, we analyze the soft spatial structures by the NASS which is the program for nonlinear analysis. The analytic model is a roof membrane structures of Barrel Vault-Type. We have done the shape analysis and the stress-deformation analysis considering the orthotropic material, and then study the safety.

비정상 공기력의 주파수 의존성을 고려한 사장교의 시간영역 버페팅 해석

장석(Chang Suk),김호경(Kim Ho-Kyung),권순덕(Kwon Soon-Duck),장승필(Chang Sung-Pil) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 A Vol.27 No.6A

사장교의 기하비선형 효과가 버페팅 응답에 미치는 영향을 평가하기 위하여 비선형 시간영역 버페팅해석을 수행하였다. 교량의 진동에 의해 유발되는 자발진동하중은 거더의 진동 주파수 함수로 표현되므로 주파수영역 버페팅해석법에서는 이를 고려하기 수월하지만 시간영역해석법에서는 별도의 기법이 필요하다. 시간영역에서도 비정상 공기력의 주파수 의존성을 고려하기 위하여 플러터계수를 유리함수로 근사한 후 합성적분법을 수행하여 교량의 응답을 산정하였다. 실교량 예제를 통하여 비정상 공기력의 주파수 의존성 고려여부에 따른 해석결과의 차이를 제시하였으며 또한 기하비선형성이 응답에 미치는 영향도 평가하였다. 풍속이 증가함에 따라 비정상 공기력의 주파수 의존성과 교량의 기하비선형성을 고려한 해석결과가 그렇지 않은 경우에 비하여 구별될 수 있을 만큼 차이가 발생하게 됨을 확인하였다. A time-domain nonlinear buffeting analysis procedure is presented to estimate geometrical nonlinear effects of a cable-stayed bridge on buffeting responses. Since the self-excited forces are formulated in terms of motional frequency of a girder, a linear frequency-domain approach is straightforward to consider the frequency-dependency of the unsteady aerodynamic force. A time-domain approach, however, requires much complicated techniques and procedures. The current nonlinear buffeting analysis procedure approximated flutter derivatives as rational functions and then the unsteady forces are calculated through a convolution integral. An actual cable-stayed bridge was numerically modeled and a series of buffeting analysis were performed to estimate the effects of the frequency-dependency of unsteady aerodynamic forces and the geometrical nonlinearity of cable-stayed bridge structure on buffeting responses of girders. The consideration of these two properties in buffeting analysis was found to change the overall magnitude of buffeting responses of the examined bridge to a certain extent as mean wind velocity increased.

섬유다발의 굴곡도에 따른 유연직물복합재료의 등가탄성계수 예측

서영욱(Young W. Suh),김성준(Sung-Joon Kim),안석민(Seok-Min Ahn) 한국항공우주연구원 2010 항공우주기술 Vol.9 No.2

본 연구에서는 비선형 유한요소 해석을 수행하여 굴곡도에 따른 유연직물복합재료의 등가 탄성계수를 예측하였다. 해석은 상용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 수행되었다. 해석에서는 섬유다발의 재료적 비선형성과 대변형 시 발생하는 기하학적 비선형성이 고려되었으며, 섬유다발의 대 전단 변형으로 발생하는 기하학적 비선형성을 고려하기 위하여 사용자 부프로그램을 작성하여 이를 ABAQUS내에 삽입하였다. 결과에서는 일축하중 상태에 있는 유연직물복합재료의 응력-변형률 거동을 예측하여 이로부터 계산된 등가탄성계수를 시험결과와 비교하였으며, 다양한 섬유 굴곡도를 갖는 유연직물복합재료에 대한 등가탄성계수를 계산하였다. In this study, the equivalent elastic modulus of flexible textile composites was predicted by nonlinear finite element analysis. The analysis was carried out considering the material nonlinearity of fiber tows and the geometrical nonlinearity during large deformation using commercial analysis software, ABAQUS. To account for the geometrical nonlinearity due to the large shear deformation of fiber tows, a user defined material algorithm was developed and inserted in ABAQUS. In results, nonlinear stress-strain curve for the flexible textile composites under uni-axial tension was predicted from which effective elastic modulus was obtained and compared to the test result. The effective elastic moduli were calculated for the various finite element models with different waviness ratio of fiber tow.