구조물의 비선형 지진응답 산정을 위한 스펙트럼 모드해석법

유진오,임남기,김재웅 대한건축학회지회연합회 2012 대한건축학회연합논문집 Vol.14 No.3

구조물의 비선형 응답을 가장 정확하게 산출할 수 있는 해석법은 비선형 시각이력법(NHA)이지만, 비선형 직접적분법에 따른 많은 시간과 노력을 필요로 한다. 이에 따라 다자유도계 구조물의 비선형 정적해석과 단자유도계의 비선형 동적응답을 고려하여 구조물의 비선형 응답을 보다 간편하게 산정하는 약산적인 방법들이 연구되고 있다. 이러한 약산법들로서 능력스펙트럼법(CSM)과 비선형 직접스펙트럼법(NDS) 등이 기존에 제시된바 있으나, 산정과정은 비교적 간단한 대신 1차모드만 고려하는 제한성을 갖고 있다. 또한, CSM은 반복과정이 요구되며 해가 수렴하지 않거나 수렴하여도 오차가 크게 발생하는 경우가 생긴다. 그리고 NDS는 단자유도계의 항복강성비와 진동주기에 대한 비선형 가속도 스펙트럼이 존재하지 않는 범위에서는 연성계수를 구할 수 없는 등의 취약점 등이 있다. 따라서 본 연구에서는 위와 같은 약산법들의 문제점을 개선하기 위하여, 고차모드를 고려하는 한편 변위 및 가속도를 시각이력대신 비선형 변위 스펙트럼과 가속도 스펙트럼으로부터 구하여 구조물의 비선형 응답을 약산적으로 산정할 수 있는 스펙트럼 모드해석법( SMA)을 제시하고 그 정확성 및 특성을 검토하는 것을 연구의 목적으로 한다. 전반적으로 볼 때, SMA는 TMA보다 정확도가 높을 뿐만 아니라, TMA는 복잡한 시각이력해석이 요구되지만 SMA는 응답스펙트럼을 사용하므로 산정방식에서도 SMA가 간편하다. 또한, pushover횡력분포로서, 모드형상횡력분포는 질량모드횡력분포에 비하여 응답오차가 약 2.0% 작다. 결과적으로, 모드형상횡력분포와 스펙트럼 모드해석법을 사용한 경우의 평균 응답오차는 약 5.0%정도인 것으로 나타난다.

비선형 정적 해석법을 이용한 사장교의 지진해석

신동규(Shin Dong Kyu),곽효경(Kwak Hyo-Gyoung) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 A Vol.31 No.2A

성능기반 내진 설계방법의 설계철학을 가지고 있는 비선형 정적 해석법(NSPs)은 최근 구조물의 지진해석방법으로서 그 사용성을 인정받고 있다. 비선형 정적 해석법을 통한 지진해석은 기존의 비선형 시간 이력법에 비해서 방법이 간단하며, 직관적으로 구조물의 지진해석을 수행할 수 있는 등의 장점으로 빌딩구조물의 지진해석법으로 널리 사용되고 있다. 하지만, 기본 진동모드에 의해서 구조물의 거동이 지배되지 않는 구조물의 경우에는 그 사용성에 대한 연구가 매우 제한적이다. 이를 개선하기 위한 고차모드의 기여분을 반영할 수 있는 비선형 정적 해석법으로 모드별 비탄성 정적해석법(Modal Pushover Analysis; MPA)이 제시되었고, 또한 이를 개선한 개선된 모드별 비탄성 정적해석법(Improved Modal Pushover Analysis; IMPA) 역시 소개되었다. 본 논문에서는 기존에 소개된 네가지 비선형 정적 해석법을 이용하여 국내에 설계/시공된 두 사장교의 지진해석 가능성을 알아보며, 각 방법의 장/단점을 분석 하여 비선형 정적 해석법의 응용가능성에 대해서 알아보았다. Nonlinear static procedures (NSPs) basing on the concept of performance based seismic design have become one of the promising procedures for seismic evaluation of buildings. Although it needs much less computational cost compared to non?linear time history analysis (NTHA), its usages are limited to simple structures by its inherent restriction to structures wherein the fundamental mode dominates the response. Several new nonlinear static procedures (Modal Pushover Analysis; MPA and Improved Modal Pushover Analysis; IMPA) which can consider higher modes effect were introduced. Nonetheless, its applicability for complex structures such as cable-stayed bridge has not studied yet. This paper focuses on applicability of nonlinear static procedures for the seismic analysis of cable-stayed bridges. Moreover, reliability indexes which can predict analysis procedure's accuracy are introduced.

비선형 동적해석을 통한 국내 비보강 조적조 건축물의 내진성능 평가

백은린,김정현,이상호 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.3

본 연구의 목적은 비선형 동적해석을 통한 국내 비보강 조적조의 내진성능을 평가하는데 있다. 보다 정밀한 내진성능 평가를 위해 조적벽체의 파괴모드를 고려한 비선형 이력모델을 이용하고자 하나, 선행연구의 비선형 이력모델은 정적반복가력해석에 대한 검증만이 수행 되었다. 이에 본 연구에서는 진동대실험과 동적해석 결과를 비교하여 제안한 비보강 조적조 비선형 해석모델의 신뢰성을 검증한 다음, 국내 비 보강 조적조 건축물의 비선형 동적해석을 수행하고 결과를 분석하여 내진성능을 평가하였다. 그 결과, 1층의 조적조 건축물의 경우 개구부율 에 관계없이 비교적 지진피해가 작은 반면, 2층 이상의 국내 비보강 조적조 건축물의 대부분이 국내에 발생가능한 지진에 취약하였다. The purpose of this study is to evaluate the seismic performance of domestic unreinforced masonry(URM) buildings using nonlinear dynamic analysis. For that, the nonlinear hysteresis models suggested in the previous research were validated for the dynamic analysis. The results of the shaking table test were compared with the dynamic analysis results using the suggested nonlinear hysteresis models. As a result, the nonlinear hysteresis models were expected to be applicable to the dynamic analysis of URM buildings. Based on the models, the dynamic analysis of domestic URM buildings varying the number of stories and opening ratio was carried out. The analysis results showed that most of the domestic URM buildings were very vulnerable to design earthquake in Korea.

연성계수를 이용한 비선형 지진응답 약산법

유진오,임남기,김재웅 대한건축학회지회연합회 2012 대한건축학회연합논문집 Vol.14 No.1

최근 우리나라와 인접한 일본(2011년 3월, 규모 9.0)과 중국(2008년 5월, 규모 8.0)에 발생한 대지진의 영향으로 우리나라 또한 대규모 지진 발생 가능성에 대한 우려가 커져가고 있다. 따라서 우리나라에서도 경제적이면서도 안전한 성능기반 내진설계가 이루어져야 하며 이를 위해서는 비선형 응답산정이 필수적이다. 구조물의 비선형 응답을 가장 정확하게 산출할 수 있는 해석법은 비선형 동적해석법 (Nonlinear Dynamic Analysis; NDA)이나, 많은 시간과 노력을 필요로 한다. 이에 따라 다자유도계 구조물(Multi Degree of Freedom; MDF)의 비선형 정적해석(pushover)과 등가단자유도계(Equivalent Single Degree of Freedom; ESDF)의 비선형 동적응답을 고려하여 구조물의 비선형 최대응답을 정확성과 실용성의 측면에서 보다 간편하게 산정하는 약산적인 방법들이 연구되고 있다. 이러한 약산법들로서 능력스펙트럼법(Capacity Spectrum Method; CSM)과 비선형 직접스펙트럼법(Nonlinear Direct Spectrum Method; NDS) 등이 기존에 제시된바 있다. 그 중에서 CSM는 반복과정이 요구되며 해가 수렴하지 않거나 수렴하여도 오차가 크게 발생하는 경우가 있으며, NDS는 ESDF의 항복강성비와 진동주기에 대한 비선형 가속도 스펙트럼이 존재하지 않는 범위에서는 연성계수를 구할 수 없는 등의 취약점이 있다. 따라서 본 연구에서는 위와 같은 약산법들의 문제점을 개선하기 위하여, 비선형 연성 스펙트럼으로부터 연성계수를 직접 구하여 구조물의 비선형 최대응답을 약산적으로 산정하는 비선형 연성계수법(Nonlinear Ductility Factor Method; NDF)을 제시하고 신뢰성을 검토하기로 한다.

내진성능의 증분동적해석을 위한 비선형 약산법의 비교 검토

배경근,유명화,강병두,김재웅 한국지진공학회 2008 한국지진공학회논문집 Vol.12 No.1

구조물의 내진 성능 평가는 구조물에 가해진 지진력에 대한 변위요구와 같은 구조물의 성능 평가를 필요로 한다. 증분동적해석(IDA)은 지진하중에 대한구조물의 성능 평가를 위해 최근에 알려진 해석 방법이다. 이 방법은 구조물의 탄성 단계에서부터 항복, 파단에 이르기까지 지반가속도의 증가 수준에 따른 구조물의 전체 거동을 파악할 수 있는 방법이다. 대부분의 구조물들은 강한 지진을 받을 경우, 비선형 거동의 변형이 예상된다. 여러 가지 비선형해석법 가운데 구조물의 내진역량을 계산하기 위한 가장 정확한 방법은 비선형 시간이력해석(NRHA)이긴 하나 많은 시간과 노력이 요구되고 있다. 따라서 구조물의 비선형 거동을 보다 간편하게 예측하기 위한 정확하고 실용적인 비선형 약산해석법에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 비선형 모드중첩법(UMRHA)은 pushover곡선으로부터 구한 등가단자유도계를 비선형 시간이력해석 또는 응답스펙트럼을 이용하여 구조물의 비선형 응답을 구할 수 있는 방법이다. 직접스펙트럼해석법(DSA)은 pushover 해석으로부터 구조물의 선형 진동주기와 항복강도를 구한 다음, 반복계산 없이 비선형 응답을 직접 산정하는 약산법이다. 본 연구에서는 내진성능의 증분동적해석을 위한 비선형 약산법의 정확성과 신뢰성을 비교 검토한다. Seismic performance evaluation of structure requires an estimation of the structural performance in terms of displacement demand imposed by earthquakes on the structure. Incremental Dynamic Analysis(IDA) is a analysis method that has recently emerged to estimate structural performance under earthquakes. This method can obtained the entire range of structural performance from the linear elastic stage to yielding and finally collapse by subjecting the structure to increasing levels of ground acceleration. Most structures are expected to deform beyond the limit of linearly elastic behavior when subjected to strong ground motion. The nonlinear response history analysis(NRHA) among various nonlinear analysis methods is the most accurate to compute seismic performance of structures, but it is time-consuming and necessitate more efforts. The nonlinear approximate methods, which is more practical and reliable tools for predicting seismic behavior of structures, are extensively studied. The uncoupled modal response history analysis(UMRHA) is a method which can find the nonlinear reponse of the structures for ESDF from the pushover curve using NRHA or response spectrum. The direct spectrum analysis(DSA) is approximate nonlinear method to evaluate nonlinear response of structures, without iterative computations, given by the structural linear vibration period and yield strength from the pushover analysis. In this study, the practicality and the reliability of seismic performance of approximate nonlinear methods for incremental dynamic analysis of mixed building structures are to be compared.

구조 안전성 향상을 위한 온실 전용 구조해석 프로그램 개발

이종원 ( Jongwon Lee ),박순응 ( Sooneung Park ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

파이프 온실 구조는 안전성이 지나치게 강조되면 과다설계가 되어 자재의 낭비를 초래할 수 있으며, 과소 설계로 안전성이 확보되지 않으면 눈이나 바람에 의하여 온실의 파손으로 인한 막대한 피해를 입게 된다. 기존의 농업시설의 기상재해에 따른 경감대책으로 내재해형 규격시설과 보강방법에 대해 연구가 진행되어 왔으나 구조안정성 검토에 있어서 구조공학적 측면인 구조해석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 그리고, 입력 조건이 간단하고 사용이 간편하여 전문지식이 부족하더라도 온실의 설계가 가능한 온실 자동설계 프로그램인 GreenSAD가 개발되었으나 선형구조해석을 기본으로 하고 있다. 일반적인 구조해석 방법은 크게 1차 탄성해석과 2차 탄성 및 비선형해석으로 구분된다. 1차 탄성해석의 가장 큰 특징은 변위를 아주 작다고 가정함으로써 재료의 항복을 무시한 변형이 거의 없는 기하학적 상태에서 평형방정식과 적합방정식을 세우는 것이다. 2차 탄성해석(기하학적 비선형해석)은 기하학적 비선형을 고려한 부재곡률효과와 횡변위 효과를 고려한 해석이다. 1차 소성힌지해석(재료 비선형해석)의 기본가정은 구조물이 하중을 받으면 소성저항모멘트에 도달하고, 소성힌지가 발생하면서 하중분배가 생긴다는 것이다. 즉, 소성힌지가 생기기전까지는 탄성거동을 한다고 가정한다. 2차 탄소성힌지해석(재료 및 기하학적 비선형해석)은 변형된 구조물의 기하학적 형상을 고려한 해석이다. 이 해석은 개별부재는 물론 전체 구조시스템의 극한 상태의 강도와 안전성을 충분히 예측할 수 있는 방법이다. 적설하중은 시간에 의존하여 점차 증가하므로 하중단계별 해석이 필요하다. 따라서, 실제 온실 구조의 거동을 정확하게 파악하기 위해서는 하중단계별 변형된 부재의 특성을 고려할 수 있는 기하학적 비선형 구조해석을 수행하여야 한다. 본 연구에서는 온실 구조물의 실제 거동을 잘 반영하기 위해서 온실의 구조해석이 기존의 선형해석에 국한되어 있는 것을 기학적 비선형해석, 소성해석, 재료 및 기하학적 비선형 해석과 최적설계가 가능한 온실 전용 구조해석 프로그램 GSAP(Greenhouse Structure Analysis Program)을 개발하는데 목적이 있다. 구조해석 방법별 결과에 따른 최적설계가 가능한 GSAP의 개발에 앞서 해석방법별 구조해석이 가능한 프로그램을 개발하고자 유한요소법을 기초로 트러스와 프레임 요소에 대하여 집중하중, 등분포하중에 대한 정적해석을 수행할 수 있는 구조해석 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 상용 구조해석 프로그램인 SAP2000과 결과를 비교ㆍ검증한 결과, 동일한 구조해석 결과를 얻을 수 있었다. 향후 전후처리기의 개발을 통하여 온실 전용 구조해석 프로그램인 GSAP이 완성이 되면 보다 정확한 온실 구조의 해석을 수행하여 최적설계가 가능 할 것으로 판단되며, 구조적 안전성 향상에 기여하는 한편 지역별 기상조건을 고려한 온실의 설계자료를 쉽게 제공할 수 있으며 다양한 형태의 단동온실 및 연동온실의 규격화 및 표준화에 이바지 할 수 있을 것으로 판단된다.

비선형 지반-구조물 상호작용해석을 위한 새로운 복합법

김재민,최준성,이종세 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.6

이 논문에서는 비선형 지반-구조물 상호작용해석을 위한 새로운 시간-주파수영역 복합법을 제시하였다. 제안한 방법은 등가선형 지반-구조물 상호작용해석 프로그램과 범용 비선형 유한요소해석 프로그램을 동시에 사용하는 실용적인 방법이다. 이 방법에서는 먼저 주파수영역에서 등가선형 지반-구조물 상호작용해석을 수행하여 유한요소 영역의 경계면에서 응답을 구한 다음, 이를 범용 비선형 유한요소해석 프로그램에 의한 비선형 동적해석의 시간의존 경계조건으로 입력한다. 제안된 방법의 검증을 위하여 2차원 지하철 정거장 구조물에 대한 지진해석을 수행하였다. 이를 위하여 등가선형 지반-구조물 상호작용해석 프로그램 KIESSI-2D와 비선형 유한요소해석 프로그램 ANSYS를 사용하였다 수치적인 해석결과로부터 이 연구에서 제안한 방법의 타당성을 확인할 수 있었다. This paper presents a novel hybrid time-frequency-domain method for nonlinear soil-structure interaction(SSI) analysis. It employs, in a practical manner, a computer code for equivalent linear SSI analysis and a general-purpose nonlinear finite element program. The proposed method first (calculates dynamic responses on a truncated finite element boundary utilizing an equivalent linear SSI program in the frequency domain. Then, a general purpose nonlinear finite element program is employed to analyze the nonlinear SSI problem in the time domain, in which boundary conditions at the truncated boundary are imposed with the responses calculated in the previous frequency domain SSI analysis, In order to validate the proposed method, seismic response analyses are carried out for a 2-D underground subway station in a multi-layered half-space, For the analyses, a equivalent linear SSI code KIESSI-2D is coupled to ANSYS program. The numerical results indicate that the proposed methodology can be a viable solution for nonlinear SSI problems

지진응답해석에 의한 역량스펙트럼의 정밀도 분석

유진선,양원직,이원호,김형준 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-

일반적으로 건축물의 손상도평가 및 성능평가시 비선형 등가정적해석(Push-over Analysis)이 사용된다. 등가정적해석법은 지진하중을 등가의 정적하중으로 환산하여 정적해석을 수행하는 방법으로 각층을 변위제어로 가력하여 각층의 강성에 의한 복원력만이 산출하기 때문에 지진파와 같은 동적하중에 대한 건축물의 동적거동을 평가하기에는 곤란하다. 지진하중에 의한 건축물의 거동은 주기 및 강성의 변화에 따라 동적거동이 달라지며 반복적인 거동으로 같은 변위에서의 내력저하 현상도 발생하게 된다. 따라서 건축물의 동특성이 반영된 손상도평가 및 성능평가를 위한 역량스펙트럼은 동적거동을 평가할 수 있는 비선형 지진응답해석을 통하여 산출되어야한다. 본 연구에서는 질점계 비선형 지진응답해석을 수행하여 역량스펙트럼을 도출한다. 도출된 역량스펙트럼을 등가정적해석과 비교하여 질점계 비선형 지진응답해석이 고차모드 및 층별 동특성의 영향을 고려하고 있음을 확인하고자 한다. 또한, 질점계 비선형 지진응답해석과 등가정적해석을 3차원 해석에 의한 결과와 비교·검토하여 질점계 비선형 지진응답해석과 등가정적해석의 정밀도를 비교·분석하고자 한다.

비선형 구조 시스템에서의 효율적인 공력/구조 연계 해석 기법 연구

김의영,장성민,김정화,박경현,조맹효,이동호 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

비행체 구조 시스템의 설계에서는 공기력에 의해 변형이 발생하고 이에 따라 다시 공기력이 변하기 때문에 공력/구조 연계 해석을 필요로 한다. 그러나 발생하는 변형이 비선형 구조 해석을 요구할 정도로 클 때, 선형 시스템에서와 같이 공력 해석과 구조 해석을 순차적으로 반복하는 것은 바람직하지 않다. 구조적 변형에 따라 변하는 공기력을 고려하지 못하여 결과가 정확하지 않기 때문이다. 본 연구는 공력장 내부의 비선형 구조의 거동을 정확하고 효율적으로 예측할 수 있는 공력/구조 연계 해석기법을 다룬다. 비선형 구조 해석 단계 도중에 주기적으로 공력 해석을 통한 외력 업데이트를 수행하였고, 고세장비의 유연날개를 가지는 글로벌 호크 모델을 사용하여 다양한 기법의 비선형 공력/구조 연계 해석의 결과를 비교하였다. Fluid/structure interaction (FSI) analysis is necessary to predict the response of a system in which aerodynamic pressure causes deformation of the structure, and vice versa. In dealing with a nonlinear behavior of the structure, however, a simple iterative algorithm of aerodynamic analysis with structure analysis yields no accurate results since aerodynamic pressure need to be changed in accordance with the deformation of structures. In this paper, we explore an efficient and accurate method for integrating FSI analysis into structural nonlinear systems. During the course of nonlinear structure analysis, loading conditions are periodically updated by aerodynamic analysis. The accuracy and efficiency of the method will be demonstrated with a high-aspect-ratio flexible wing of Global Hawk.

비선형 구조 해석과 공력 해석의 효율적인 연계 알고리즘에 대한 연구

김의영(Euiyoung Kim),장성민(Seongmin Chang),이동호(Dongho Lee),조맹효(Maenghyo Cho) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.11

비행체 구조는 공기력에 의해 변형이 발생하고 이 구조의 변형은 다시 공기력의 변화를 유발하므로 비행체 구조 시스템의 고정밀 설계를 위해서는 공력/구조 연계 해석이 필요하다. 그러나 발생하는 변형이 비선형 구조 해석을 요구할 정도로 큰 경우, 선형 시스템에서와 같이 공력 해석과 구조 해석을 순차적으로 반복하는 연계 해석 기법은 바람직하지 않다. 구조적 변형에 따라 변하는 공기력을 충분히 고려하지 못하며, 소요 시간 또한 크기 때문이다. 본 연구는 공력장 내부의 비선형 구조의 거동을 보다 효율적으로 예측할 수 있는 공력/구조 연계 해석 기법을 다룬다. 즉, 비선형 구조 해석 단계 도중에 주기적으로 공력해석을 통한 외력 업데이트를 수행하는 알고리즘을 제안한다. 또한 고세장비의 유연날개를 가지는 글로벌 호크 모델을 사용하여 여러 가지 기법의 비선형 공력/구조 연계 해석의 결과를 비교하였다. Fluid/structure interaction (FSI) analysis is necessary to predict the response of a system in which aerodynamic pressure causes deformation of the structure, and vice versa. In dealing with a nonlinear behavior of the structure, however, a simple iterative algorithm of aerodynamic analysis with structural analysis yields no accurate results since aerodynamic pressure need to be changed in accordance with the deformation of structures. In this study, we explore an efficient and accurate method for integrating FSI analysis into structural nonlinear systems. During the course of nonlinear structural analysis, loading conditions are periodically updated by aerodynamic analysis. The accuracy and efficiency of the method is demonstrated with a high-aspect-ratio flexible wing of Global Hawk.