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풍력 구조물의 진동 특성 분석을 위한 지반-구조물 상호작용 모델의 비교 연구
김정수,Kim, Jeongsoo 한국전산구조공학회 2020 한국전산구조공학회논문집 Vol.33 No.4
본 논문은 모노파일 풍력 지지구조물에 대한 공진 안전성 평가에서 여러 말뚝-구조물 상호작용(PSI) 모델을 사용하여 고유진동수를 비교하였다. PSI 재현을 위한 유한요소모델은 기저 스프링 모델, 분산 스프링 모델, 3차원 고체-쉘 모델을 사용하였다. PSI 모델이 고유주파수에 미치는 영향을 분석하기 위해 기저 스프링과 분산 스프링 모델 적용을 위한 강성행렬 산정법과 Winkler 보 모델을 각각 논문에 나타내고 이들 모델로부터 도출된 서로 다른 기하 및 지반조건을 갖는 모노파일의 고유진동수를 조사하였다. 해석결과는 또한 3차원 고체-쉘 모델의 고유진동수와도 비교되었다. 해석결과는 소구경 모노파일이 견고한 지반 및 암반에 관입된 경우 각 해석모델로부터 얻어진 고유진동수의 차이가 거의 없음을 보여준다. 반면 연약 지반에 설치된 대구경 모노파일에 대해 분산스프링 모델은 고유진동수를 과대평가할 수 있다. 따라서 고유진동수 평가 시 구조물 규모와 지반 조건을 고려해 적합한 PSI모델이 적용되어야 한다. In this study, natural frequencies are compared using several pile-soil interaction (PSI) models to evaluate the effects of each model on resonance safety checks for a monopile type of wind turbine structure. Base spring, distributed spring, and three-dimensional brick-shell models represented the PSIs in the finite element model. To analyze the effects of the PSI models on a natural frequency, after a stiffness matrix calculation and Winkler-based beam model for base spring and distributed spring models were presented, respectively; natural frequencies from these models were investigated for monopiles with different geometries and soil properties. These results were compared with those from the brick-shell model. The results show that differences in the first natural frequency of the monopiles from each model are small when the small diameter of monopile penetrates hard soil and rock, while the distributed spring model can over-estimate the natural frequency for large monopiles installed in weak soil. Thus, an appropriate PSI model for natural frequency analyses should be adopted by considering soil conditions and structure scale.
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석션 가물막이 보강 상판의 구조 거동에 대한 수치해석 연구
김정수(Jeongsoo Kim) 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.10
대형 해상 구조물 시공이 증가됨에 따라 석션 가물막이 또한 대형화되고 있고, 이로 인해 가물막이 상판의 휨 변형을 효과적으로 억제하기 위한 상판 보강 설계가 가물막이 설계의 핵심적인 요소가 된다. 본 연구는 석션 가물막이 상판의 보강으로 인한 구조 거동 변화를 유한요소모델을 이용해 분석하고, 효과적인 상판 보강 배치 방안 도출을 위한 통찰을 제공하고자 한다. 기존 석션 앵커를 조사하여 각형 석션 가물막이 상판의 여러 보강 유형을 결정하였으며, 각 보강 상판을 분석하였다. 보강 상판의 응력과 변형을 비교하여 구조성능을 평가하였고, 추가로 상판 가장자리의 반력분포를 분석함으로써 보강재 배치가 상판-케이슨 벽체 연결부에 미치는 영향을 함께 조사하였다. 유한요소해석 결과로부터, 방사방향 보강재가 상판의 처짐 및 응력 감소에 크게 기여한 반면, 상판-벽체 연결부의 수평 전단력을 집중 및 증가시켜 연결부 설계에 불리하게 작용함을 확인할 수 있었다. 또한, 내/외측 환형 보강재는 자체 보강 효과가 미미하나, 부분적으로 배치된 방사 보강재와 함께 연결해 배치되면 응력 및 처짐 개선에 기여함을 알 수 있었다. With increasing demand for large offshore infrastructures, suction cofferdams have been large, and the lid stiffener arrangement for a suction cofferdam has become a key element in cofferdam design to constrain the flexural deformation effectively. This study analyzed the changes in the structural behavior of a lid for a suction cofferdam due to lid stiffeners to provide insights into effective stiffener arrangements. By investigating conventional suction anchors, several stiffener patterns of a lid for a polygonal suction cofferdam were determined and analyzed. The structural performance of the stiffened lids was estimated by comparing the stress and deformation, and the reaction distributions on the edge of lid were investigated to analyze the effects of the stiffener arrangement on the lid-wall interface. Finite element analysis showed that radial stiffeners contribute dominantly to decreasing the stress and vertical deflection of the lids, but the stiffeners cause an increase in shear forces between the lid and wall; the forces are concentrated on the lid near the areas reinforced with radial stiffeners, which is negative to lid-wall connection design. On the other hand, inner and outer circumferential stiffeners show little reinforcement effects in themselves, while they can help reduce the stress and deformation when arranged with partial radial stiffeners simultaneously.
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김정수(Kim, Jeongsoo),정연주(Jeong, Yeon-Ju),박민수(Park, Min-Su) 대한토목학회 2019 대한토목학회논문집 Vol.39 No.2
석션 케이슨은 설치 수심제한이 적고, 비교적 단순한 설치공정과 빠른 시공이 가능하기 때문에 해양 구조물용 앵커 및 기초형식으로 활용되고 있으며 그 적용이 점차 확대되고 있다. 석션 케이슨 기초의 설계는 지반의 지지력 및 안정성 검토가 중심이 되며, 관련 설계기준에서 해석 방법을 제시하고 있다. 반면, 케이슨의 구조적 안전성 분석은 방법이 정형화되지 않았으며 특히 케이슨에 작용하는 하중 모델링에 대한 명확한 산정 방법이 정립되지 않아 석션 케이슨 단면 설계에 어려움이 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 이론 및 수치적 침투해석을 통해 석션압에 의해 발생되는 케이슨 내외부의 간극수압 크기 및 분포를 분석하고, 이를 바탕으로 구조해석에 적용할 수 있는 합리적인 하중 평가 방법을 제시하였다. 추가적으로 관입깊이, 투수계수의 이방성, 석션압 변화가 내외벽에 작용하는 간극수압에 미치는 영향을 분석하였다. A suction caisson has been widely used for anchor and foundation of offshore structures due to its broad application, simple installation, and rapid construction. In design of suction caisson foundation, the bearing capacity and the stability of soil are mainly dealt with and analysis methods for them are presented in design codes related to the foundation. On the other hand, the method for structural safety analysis of the suction caisson is not generalized, in particular for load modeling of the caisson under suction. Consequently, there are difficulties in design of the caisson cross section. For this reason, this study analyzed the magnitude and distribution of pore water pressure on inner and outer surface of the caisson using theoretical and numerical seepage analyse, and an approach to reasonably estimate the load applied to the structural analysis of the caisson was presented. Furthermore, effects of penetration depth, anisotropy of permeability, and suction pressure on the pore water pressure were analyzed.
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거문도 암반조간대의 먹이망구조와 애기삿갓조개의 섭식변화
김정수(Jeongsoo Kim),이인옥(Inok Lee),노준성(Junsung Noh),김종성(Jong Seong Khim) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.10
암반조간대는 육상과 해상의 에너지 흐름의 경로, 높은 생물 다양성으로 생태적 가치가 높은 지역이지만 이와 관련된 저서생태계 기능 연구는 미비한 실정이다. 본 연구는 안정동위원소비 (δ<SUP>13</SUP>C, δ<SUP>15</SUP>N) 분석을 통해 거문도 암반조간대의 저서먹이망 구조와 애기삿갓조개를 포함한 대형저서동물들 및 잠재적 먹이원(조간대: 부착미세조류; 조하대: 해조류; 표영생태계: 부유성유기 입자)의 기여도를 분석하였다. 거문도 내 저서생태계의 영양단계는 상대적으로 짧았고(3.0) 대부분의 대형저서동물들은 해조류, 부착저서미세조류, 부유성유기입자를 골고루 섭식하였다. 거문도 암반조간대 내 저서생태계에서는 인근 조하대 및 표영생태계와 강한 영양연결을 하고 있는 것으로 나타났다. 특히, 비교적 작은 애기삿갓조개 (<20 mm) 는 주로 해조류 (50%) 를 섭식하였고 큰 애기삿갓조개 (>20 mm) 는 부착미세조류 (42~52%) 를 섭식하는 변동을 보였다. 애기삿갓조개 섭식 변동은 애기삿갓조개가 조하대 저서생태계와 조간대 생태계의 영양연결자임을 나타낸다. 본 연구는 국내 암반조간대 내 저서먹이망과 에너지흐름을 확인하고 나아가 생태계 기능을 파악하기 위한 유용한 정보를 제공한다. Rocky shores have high ecological value due to their biodiversity and the link in the transfer energy between terrestrial and marine ecosystems. However studies of trophic function in rocky shore ecosystem are insufficient. This research analyzed the stable isotope ratio (δ<SUP>13</SUP>C and δ<SUP>15</SUP>N) of macrofaunas, including Cellana toreuma, potential food sources (epilithic algae, macroalgae, particulate organic matter) and diet contribution. The trophic level of benthic ecosystem in Geomundo is relatively short (3.0), and most macrofauna fed on macroalgae, epilithic algae, and particulate organic matters homogeneously. In particular, the relatviely small size (< 20 mm), mainly fed on macroalgae (50%), and large size mainly fed on epilithic algae. The dietary shift of the small size to large size indicates that limpets are trophic linkage between subtidal and intertidal zone. Overall, this study provides useful information for identifying benthic food web and energy flows in the Korean rocky shore and further understanding the trophic function.
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