유한요소해석 기반 유도 전동기의 실시간 시뮬레이션 모델 개발

이준희 서울대학교 대학원 2021 국내박사

Induction machine has been widely used in industrial drive, due to its simple structure, high reliability, and rigidity. In recent years, its application expands to electric vehicles and servos with the development of inverters and control technologies. In this regard, the induction machine's output characteristic is closely related to the control algorithm because the inverter and the vector control mostly drive the machine used for this purpose. Therefore, in the motor's design process based on finite element analysis (FEA), it is necessary to consider the control algorithm and its performance. However, it is not easy to test the controller directly with FEA because of the long computational time. In this thesis, a new simulation model of an induction machine based on the FEA is proposed considering magnetic saturation, saliency, and spatial harmonics. Firstly, magnetostatic FEA was conducted in various current operating points, and flux linkage and torque were obtained. A flux map-based model was then introduced, which is fast and numerically stable without differential operation. Also, it has less burden on memory. To implement the proposed flux-based model, an inverse relation of current-flux is required. Finding the inverse relation of current-flux is equivalent to solve the inverse of a 4-dimensional vector function. Therefore, the existence of the inverse relation was proved, and it is implemented through the whitening transform and the artificial neural network. At learning the neural network, the accuracy was considered with the highest priority, and various learning methods were compared and chosen to reduce the learning time. Through the proposed model, various control algorithms can be tested fastly without conducting the FEA repetitively. Meanwhile, the rotor bar's skin effect should be considered, which affects the bar's current density distribution. Thus, the magneto-transient FEA was conducted to analyze the variation of resistance and the rotor bar's inductance. The analysis confirms that the rotor bar's skin effect has a different aspect than the general round conductor because of its unique shape for the deep bar effect. Also, the increase of resistance was affected by the frequency and the saturation of the magnetic core. Therefore, an analysis method was proposed, which can consider the induction motor's saturation level in the vector control situation, and the flux-based simulation model was modified with the analysis. The validity of the proposed simulation model was verified with two different induction machines. The simulation models of the two machines were implemented and compared with FEA and the experimental results. First of all, the no-load test was conducted in the model, FEA, and the experiment. The input voltage varies in the wide range, and it is confirmed that the model shows the magnetic saturation well by comparing the results. Then, the vector control was applied to the model and the experiment, and the results were compared. In the current control, the effect of spatial harmonics appears in heavy load conditions even if the rotor is skewed, and it is shown both in the model and the experiment. Also, the current trajectory in flux weakening control and the model's output torque characteristics are very similar to those of the experiment. At last, it is confirmed that the modified model considering the skin effect represents the saturation induced saliency in dynamic inductances well. 간단한 구조, 높은 신뢰성과 견고함을 가지는 유도 전동기는 산업계 전반에 걸쳐 널리 사용되어 왔으며, 인버터와 제어 기술의 발달과 함께 최근에는 전기 자동차와 서보(servo) 등으로 그 적용 범위를 넓혀가고 있다. 이러한 목적으로 사용되는 유도 전동기는 기존의 산업용 전동기와 달리 인버터 및 벡터 제어를 통해 구동되므로, 제어 특성이 전동기의 출력 특성과 밀접한 관련이 있다. 따라서 유한요소해석을 이용한 설계 단계에서부터 제어를 고려하고 시뮬레이션 해봄으로써 그 결과를 설계 과정에 반영할 필요가 있다. 하지만, 유한요소해석과 제어를 직접 연계하여 시뮬레이션하는 것은 계산 및 소요시간의 부담으로 인하여 쉽지 않다. 본 논문에서는 유한요소해석을 토대로 유도 전동기의 자기 포화, 돌극성, 공간 고조파를 고려하여 제어기를 빠르게 시뮬레이션할 수 있는 모델을 제안하고 이를 구현하였다. 이를 위해 우선적으로 다양한 전류 운전점에 대하여 정적 자계 유한요소해석을 수행하고 그 결과로 자속 및 토크를 얻었다. 이로부터 시뮬레이션 모델을 구현할 수 있는 방법들 중 미분 계산을 피하며 메모리에 부담을 덜 수 있고 속도가 빠른 자속맵 기반의 모델을 소개하고 이를 구현하는 방법을 제시하였다. 구현에 있어서는 먼저 자속맵 기반의 모델에 필수적인 전류–자속의 역관계의 존재성을 살펴보고 구현을 위해 필요한 데이터 처리 기법인 화이트닝 선형변환을 적용하였다. 또한 전류-자속의 관계인 4차원 벡터함수의 역함수를 구하기 위해 인공신경망을 도입하였다. 인공신경망 학습 시에는 정확성을 최우선 순위로 고려하였고, 학습 속도를 높이기 위한 다양한 학습 방법들을 비교하고 선택하였다. 이를 통해 제안된 자속맵 기반 시뮬레이션 모델은 유한요소해석에 비해 계산 시간이 훨씬 적으면서, 빠르게 다양한 제어기들을 유도 전동기와 연결하여 시험해볼 수 있다. 한편, 유도 전동기의 고정자 권선과 달리 회전자 권선은 바(bar)의 형태를 띄므로 주파수에 따라 전류 밀도의 분포가 변하는 표피효과가 고려되어야 한다. 따라서 이를 위해 과도 자계 해석을 수행하고 표피효과로 인한 회전자 바의 저항 및 인덕턴스 변화에 대해 분석하였다. 이러한 분석에서는 심구효과(deep bar)를 위해 독특한 형상을 지니는 회전자 바에서 나타나는 표피효과가 일반적인 모양의 도선에서 나타나는 것과는 다른 양상을 보이며, 표피효과에 의한 저항의 증가가 주파수 뿐만 아니라 도체 주변 코어의 포화도에 따라 달라지는 것을 확인하였다. 이를 토대로 유도 전동기의 벡터 제어 상황 하에서 회전자 바에 나타나는 표피효과를 분석하는 방법을 제안하고 이 결과를 시뮬레이션 모델에 반영하였다. 이를 통해 제안된 시뮬레이션 모델은 주파수에 따라 달라지는 회전자 저항과 인덕턴스 특성을 근사적으로 표현할 수 있다. 제안된 시뮬레이션 모델의 타당성은 다양한 조건에서 서로 다른 두 전동기의 유한요소해석 및 실험을 통해 검증되었다. 우선적으로 무부하 테스트를 통해 자기 포화 특성을 과도 자계 유한요소해석 및 실험 결과와 비교하였다. 다음으로 제안 모델과 실험에서 벡터 제어를 적용하고 그 특성을 비교하였다. 전류 제어 시에는 특히 고부하시에 자기 포화와 함께 나타나는 공간 고조파의 영향이 실험 결과와 거의 동일하게 나타나는 것을 확인하였다. 더불어 약자속 운전 특성 및 출력 토크 특성 또한 상당한 유사성을 보였다. 마지막으로 표피 효과를 고려한 모델을 통해서 회전자 동특성 및 고주파 인덕턴스에서 나타나는 돌극성이 표현되는 것을 확인하였다.

F.E.M 해석을 통한 대형 선박블록 LIFTING작업 시 DECK, LONGI SIZE에 따른 응력분석 및 설계기준

김우현 경상대학교 대학원 2013 국내석사

During assembling the ship block process, the block lifting and turn-over events are not only inevitable but also very important for safety and block accuracy. In this study, the stress of the upper deck is calculated during side shell block lifting and turn-over events by using F.E.M. And we will predict the stress through non-linear function which is calculated by poly-nominal curve Fitting.

유한요소해석에 의한 지압보강재 유효단면 산정

박설아 명지대학교 대학원 2010 국내석사

The effective section for bearing stiffeners at an interior pier of continuous steel girder is investigated by applying the finite element analysis. The plate girder and box girder with several different spans are considered. The bearing stiffeners are designed by the AASHTO LRFD provisions in which the stiffeners are considered as axial compression members. The designed sections are found to reach close to the yield strength because of the extremely small values of member slenderness. In the finite element analysis, the steel girders are modeled three-dimensionally in which the elements of steel girders including flanges, web, and stiffeners are modeled as thin shell elements of S4R in ABAQUS. The effective width of web plate over a bearing support is approximated by observing the distribution of axial compressive stress obtained by the linear finite element analysis. The yield strength of the bearing section is estimated by the linear interpolation of the average axial stress of stiffener to the yield stress. The ultimate strength of bearing stiffener is also calculated by applying the nonlinear finite element method in which the steel is assumed to be an elasto-plastic-strain hardening material. The effective section and the axial resistance of bearing stiffeners obtained by the present finite element approach are compared with those by current code provisions. The bias factor which indicates the ratio of an actual strength to the nominal strength by code provisions is also evaluated. Based on the observations made in this study, an effective width of the web plate of a box girder, supported by two bearings on both webs, is proposed. 연속교 강박스거더의 내측지점부 지압보강재 유효단면은 유한요소해석에 의해 산정하였다. 플레이트 걷돠 박스거더는 각각 다른 경간을 고려하였다. 지점부보강재는 AASHTO LRFD법의 압축부재 설계규정에 따라 설계하였다. 설계된 단면은 세장비가 아주 작게 계산되어 항복강도에 도달하는 것으로 나타났다. 유한요소해석은 플랜지, 복부판 및 보강재로 구성된 강거더 단면을 3차원으로 모델링하였다. 지점부 보강재의 유효폭은 선형해석으로 얻은 축방향 압축응력으로부터 산정하였다. 지압보강재와 복부판으로 구성된 내측지점부 압축극한강도는 강재를 탄-소성-변형경화 모델로 가정하여 비선형 유한요소해석으로 구하였다. 지점부보강재의 유효단면과 압축저항강도는 기존 설계규정과 유한요소해석에 의한 결과를 비교하였다. 설계규정에 의한 압축강도와 해석에 의한 압축강도를 편심계수를 통해 평가하였다. 아울러, 복부판 양측에서 베어링 두 개로 지지된 박스거더에 대해 지압보강재 유효단면을 선형 및 비선형 ABAQUS 유한요소해석 결과의 분석을 통하여 제안하였다.

강합성 생태아치구조물의 성능평가를 위한 수치해석 및 모형실험연구

김용희 상명대학교 일반대학원 2011 국내석사

최근 급속한 도시화 및 고속화된 산업발달로 인해 도로 및 철도와 같은 사회간접자본의 확충이 필연적으로 중요시되고 있다. 이에 따라 도심지역 및 우수 생태계지역이 도로 및 철도로 단절되어 주변지역에 소음, 분진, 열섬 등의 문제가 발생하며 대절토에서 발생하는 야생동물의 로드킬(Road Kill)과 산사태 등이 발생하다. 이러한 문제점을 개선하고 친환경적인 생태라인을 복원하고자 아치 혹은 라멘형식을 이용한 육교형 생태통로 또는 상부 덮개공원화 공법이 추진되고 있다. 본 연구는 개착식 대단면 강합성 아치교량 구조물을 연구대상으로 하고 있으며, 4차로 이상의 고속도로나 국도를 아치지간중간에 교각이나 기둥을 설치하지 않고 횡단하는 장경간 강-프리캐스트 콘크리트(PC)합성 아치구조물이다. 강재거더와 프리캐스트패널의 합성효과를 이용하여 30∼50m를 가지는 장대폭원의 아치구조물이 가능하며 교각을 설치하지 않으므로 운전자의 시야확보와 차량충돌사고를 예방할 수 있다. 또한 주형 및 프리캐스트 콘크리트 패널을 사전 제작하여 공사기간을 단축하고, 강재 거더가 동바리거푸집 역할을 수행하여 공사기간 중 도로교통 통제를 최소화할 수 있다. 합성아치구조 형식상 지반아칭효과(Arching effect)로 인하여 토피에 따른 재하하중의 경감으로 경제적이고 조형미가 우수하며 개방감이 양호한 장점이 있다. 본 논문에서는 연구대상구조물인 생태아치교량 개발을 위하여 다음과 같은 세부적인 연구과정을 수행하였다. 첫째, 생태아치교량을 활용한 도심지 육교형 공원의 우수한 조형미와 운전자의 심미성과 쾌적성을 확보하기 위하여 강재거더의 단면을 교체하여 단면의 조형미와 강성을 확보하는 신형식단면을 개발했다. 또한 유한요소해석을 통하여 대칭하중을 받는 신형식단면 원형아치의 기하비선형과 재료비선형이 모두 고려된 비탄성-비선형해석을 수행하여 신형식단면의 구조적 특성과 거동을 분석하고 면내좌굴강도를 평가하였다. 이에 기존의 연구결과들과 비교 신형식단면 원형아치에 적용가능한 새로운 좌굴계수를 제안하고 이를 활용한 표를 만들어 설계에 간편하게 적용할 수 있도록 제안하였다. 둘째, 강-프리캐스트 콘크리트 비합성․합성형 생태아치교량의 구조적 안전성과 성능평가를 위하여 비합성․합성아치 유한요소해석을 실시하고 해석결과를 기존연구와 비교․검토하였다. 합성형 생태아치교량의 거동특성 및 종국강도를 평가하기 위하여 모형실험체를 제작하여 정적파괴실험을 실시하여 이 결과를 유한요소해석결과와 비교․분석하여 실제 생태아치교량의 시공과 적용에서 발생할 수 있는 극한의 상황을 평가해보았다.

R/C 건축물에 대한 비선형 동적유한요소해석법 타당성 평가에 관한 연구

정호영 한양대학교 대학원 2024 국내석사

최근 세계적으로 2023년 2월 튀르키예에서 발생한 대규모 지진을 포함한 규모(M) 6.0 이상의 지진 발생 빈도가 계속 증가하는 추세이며, 매년 100건 이상 빈발하고 있다. 한국에서도 2016년 경주 및 2017년 포항지진으로 비내진 상세를 가지는 학교 시설과 필로티 건물 및 공동주택 등에 직접적인 지진 피해가 발생했다. 특히, 내진설계가 되지 않은 철근콘크리트 (이하 R/C) 부재의 전단파괴는 기존 R/C 건축물의 내진 안전성에 대한 경각심을 나타내었다. 내진성능평가를 비롯한 내진대책을 통한 구조물 안전성 확보의 중요성이 부각됨에 따라 국내에서도 R/C 건축물의 구조 특성을 고려한 실험 및 동적해석적 분석 기반 내진성능평가에 대한 연구가 다수 진행되고 있다. 그러나, 지진 등으로 인한 구조물의 피해 정도와 부재의 내력을 실험적으로 추정하는 것에는 많은 한계가 있다. 실험적 연구는 R/C 구조물의 비균질한 재료 특성으로 인해 제작과 실험결과에 대한 불확실성을 내포하고 있으며, 많은 시간과 비용이 소요된다는 단점이 있으며, 또한 재료, 하중, 구속 등 다양한 조건에 대한 검토가 어렵다. 한편 국내의 대부분의 동적해석 연구는 부재의 선재 치환을 통한 해석에 기반을 두고 있으며, 선재 치환 동적해석은 부재 모델의 단순화로 인해 구조물의 미세한 파괴 형상, 균열 등 부재의 상세 분석에는 한계가 있다. 따라서 보다 정밀한 동적해석적 연구의 중요성이 커지고 있으며, 부재 요소 단위의 안전성 검토 수단으로써 지진파를 고려한 유한요소 기반의 비선형 동적해석에 관한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 비선형 동적유한요소해석법에 기반하여 기둥 및 골조를 포함한 R/C 구조물의 실물 크기의 구조 실험을 통해 내진성능을 평가하였다. 유한요소해석에서는 범용 프로그램인 VecTor2를 활용하여, 하중-변위 곡선, 시간 이력 곡선, 철근 변형률 등의 정적 및 유사동적실험 결과와의 비교를 통해 구조물의 재료 및 구조적 특성을 고려한 유한요소해석 모델의 구축과 함께 지진 하중을 고려한 비선형 동적유한요소해석의 타당성을 검증하였다.

非線形 有限要素解析을 利用한 鐵筋콘크리트 橋脚의 耐震性能評價

김태훈 成均館大學校 大學院 2002 국내박사

A great number of reinforced concrete bridge piers were damaged seriously during earthquake. The greatly important lesson derived from aforementioned earthquake shows that the detailing and dimensioning brought by some specified procedure do not always satisfy the requirements of seismic performance of structure. For that reason the checking for seismic performance is to be indispensable for existing reinforced concrete structures as well as newly constructed one. A numerical procedure has been developed to predict the inelastic behavior of reinforced concrete bridge piers and evaluate the seismic resistant performance correctly. A general purpose finite element analysis program implementing the reinforced concrete plane stress element and the interface element is developed. The proposed structural element library RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology) is built around the finite element analysis program shell named FEAP, developed by Taylor. The analysis takes into account material nonlinearity by incorporating tensile, compressive and shear models of cracked concrete, in addition to including a model for the reinforcing steel. Using the smear crack method, cracked concrete is treated as an orthotropic nonlinear material. The constitutive models, which cover the loading, unloading, and reloading paths, and the developed finite element predict with reasonable accuracy the behavior of reinforced concrete bridge piers subjected to a variety of types of loading. This study defines a damage index based on the predicted hysteretic behavior of a reinforced concrete bridge pier. Damage indices aim to provide a means of quantifying numerically the damage in reinforced concrete bridge piers sustained under earthquake loading. Finally, a series of numerical examples are analyzed to study the applicability and validity of the proposed method of analysis. The results are compared with the available experimental and analytical results obtained by other investigators. Consequently, the response of reinforced concrete bridge piers can be predicted accurately using the proposed nonlinear finite element procedure. This study contributes to establish the checking method system for seismic performance applicable for reinforced concrete bridge piers. The research results will be used to develop a performance-based seismic design framework for reinforced concrete bridge piers.

NATM터널에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구

황태하 단국대학교 2000 국내석사

최근 대중교통수단의 확충을 위한 지하철 및 지하도로 건설이 전국의 대도시를 중심으로 활발히 진행되고 있다. 현재 대부분의 국내 터널설계는 유한차분법과 유한요소법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터널 및 지반의 변위 및 지보재의 안정성이 검토되고 있으나, 측압계수 변화에 의한 터널거동과 암반상태에 대한 연구가 미비한 실정이다. 이에 본 연구는 풍화암, 연암, 경암에 위치한 터널의 4개현장 13개의 실시 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따른 지표변위, 천단변위, 내공변위, 인버트 변위, 지보재의 응력등을 유한차분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압계수의 증가에 따른 지표침하, 천단침하, 인버트변위의 크기는 유한차분해석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수적인 결과를 나타내고 있었으며. 내공변위, 숏크리 트의 압축응력은 유한요소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보수적인 결과를 나타냈으며, 또한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이 유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 영향이 큼을 알 수 있었으며, 이는 각 수치해석 프로그램에 따라 지반의 거동 및 터널에 미치는 정도가 다르므로 프로그램 특성파악이 터널설계시 고려되어야 함을 알 수 있었다. Recent development of transportation system require tunnelling method in metropolitan sites due to the heavily complex environments. This paper presents a comparative study between finite element method(SMAP) and finite difference method(FLAC) based on ground surface settlement, crown displacement, divergence and invert displacement and stress of tunnel support for various lateral earth pressure coefficients in NATM tunnelling. Selected 13 tunnel design sections in weathered rock, soft rock, hard rock for 4 construction sites are analysed. Based on the results of ground surface settlement, crown displacement, and invert displacement, finite element method of SMAP provided more conservative results than finite difference method by FLAC. But the results of divergence and compressive stress of shotcrete, values by the finite difference method are more conservative than finite element method(SMAP). It is found that the results of finite difference method by FLAC is more dependent on lateral earth pressure coefficients in the most of cases. The analytical computer program need to be properly understood before the execution of design works as each numerical program has an distinct effects on tunnel and ground movement.

지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 거동 모사를 위한 최적 유한요소 모델링 가이드라인 제시

김은찬 서울과학기술대학교 2023 국내석사

In this paper, the elastic-plastic finite element analysis results according to the analysis conditions of the piping system under the seismic loading and internal pressures were analyzed, Through this, the optimal finite element modeling guideline for the strain-based seismic assessment procedure of the piping system was presented. Since the existing stress-based seismic assessment procedure of the piping system of a nuclear power plant under seismic loading shows excessive conservatism, research on strain-based seismic assessment procedures to improve this is being actively conducted. The strain-based assessment uses equivalent plastic strain as the main factor, which is calculated through elastic-plastic finite element analysis. In particular, in the case of equivalent plastic strain, it tends to be sensitive depending on the analysis variables due to the nonlinearity of elastic-plastic finite element analysis. In addition, elastic-plastic finite element analysis takes a lot of time compared to elastic analysis. Therefore, a finite element analysis guideline that considers the convergence and efficiency of elastic-plastic finite element analysis is required for reliable strain-based seismic assessment of piping systems. In this paper, to present a modeling guideline for efficient elastic-plastic finite element analysis of piping systems under the seismic loading and internal pressures, the acceleration, strain, and equivalent plastic strain results according to finite element types and densities were compared. Based on the seismic test information of the piping system performed at BARC, the elastic-plastic finite element analysis was performed applying the guideline presented in the JSME Code Case, and the density of the quadratic solid element that can obtain the sufficiently converged elastic-plastic finite element analysis result was reviewed. Then, for the efficiency of the elastic-plastic finite element analysis, the analysis results according to the linear solid element types were compared, and the linear solid element that could obtain the analysis results sufficiently comparable to that of the quadratic solid element was selected. In addition, by increasing the density of the selected linear solid element, reviewed the element density that can obtain the results of acceleration, strain, and equivalent plastic strain converging to the quadratic solid element. Through the above study, this paper presented a finite element modeling guideline that can efficiently obtain converged results from elastic-plastic finite element analysis of piping systems under seismic load and internal pressure. It is expected that the results of this study will enable stable and efficient strain-based seismic evaluation of piping systems. 본 논문에서는 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 유한요소해석 조건에 따른 결과를 분석하였으며, 이를 통해 배관계의 변형률 기반 내진평가절차를 위한 최적의 유한요소모델링 가이드라인을 제시하였다. 기존의 지진하중이 작용하는 원전 배관계의 응력 기반 내진평가절차는 과도한 보수성을 보이므로, 이를 개선하기 위한 변형률 기반의 내진평가절차의 연구가 활발히 수행되고 있다. 변형률 기반의 내진평가는 주요 평가인자로 등가소성변형률을 사용하며, 이는 탄소성 유한요소해석을 통해 계산된다. 특히 등가소성변형률 같은 경우 탄소성 유한요소해석의 비선형성으로 인해 해석 변수에 따라 민감한 경향을 보인다. 또한 탄소성 유한요소해석은 탄성 해석에 비해 해석에 많은 시간이 소요된다. 따라서 신뢰성 있는 배관계의 변형률 기반 내진평가를 위해서는 탄소성 유한요소해석의 수렴성과 효율성을 고려한 해석 가이드라인이 요구된다. 본 논문에서는 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 효율적인 탄소성 유한요소해석을 위한 모델링 가이드라인을 제시하기 위해, 유한요소 종류와 밀도에 따른 가속도, 변형률 등가소성변형률 결과를 비교하였다. BARC에서 수행된 배관계 지진동 시험 정보를 바탕으로 JSME Code Case에 제시된 탄소성 유한요소해석 가이드라인의 적용한 해석을 수행하였으며, 수렴된 탄소성 유한요소해석 결과를 얻을 수 있는 2차 솔리드 요소의 밀도를 검토하였다. 이후 효율적 해석을 위해 1차 솔리드 요소 종류에 따른 해석 결과를 비교하였으며, 2차 솔리드와 가장 유사한 해석 결과를 얻을 수 있는 1차 솔리드 요소를 선정하였다. 또한 선정된 1차 솔리드 요소의 밀도를 증가시켜 2차 솔리드 요소에 수렴하는 가속도, 변형률, 등가소성변형률 결과를 얻을 수 있는 요소 밀도를 검토하였다. 본 연구를 통해 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 유한요소해석에서 수렴된 해석 결과를 얻기 위해 소요되는 시간을 단축할 수 있는 유한요소 모델링 가이드라인을 제시하였으며, 연구의 결과물을 통해 신뢰성 있고 효율적인 배관계 변형률 기반 내진평가를 수행할 수 있으리라 기대된다.

수직도 조정이 가능한 해상풍력 연결부 상세 구조 개발 및 유한요소해석을 통한 검증

곽동우 고려대학교 대학원 2018 국내석사

본 논문에서는 수직도 조정이 가능한 해상풍력 콘크리트 지지구조 연결부 설계식의 적정성을 검토하였다. 설계식 및 피로 검토는 CEB – FIP 1990 기준을 참고하였으므로, 부재별 저항 성능 및 재료 물성치 또한 동일 기준을 토대로 유한요소모델을 구현하였다. 유한요소 해석을 통해 각 부재별 안전성을 검토한 결과 통합하중해석 결과에 따른 부재 발생 응력이 허용응력범위를 만족함을 확인하였다. 제안된 수직도 조정이 가능한 해상풍력 콘크리트 지지구조 연결부는 최대 0.5°의 기울기 보정 성능을 목표로 하였으므로, 최대 기울기 보정이 이루어진 상황을 모사한 기울기 보정 유한요소모델 또한 검토하였다.

연직배수공이 설치된 연약지반의 거동해석을 위한 2차원 등가모형의 개발과 적용

조기영 東亞大學校 大學院 1998 국내박사

연직배수공이 설치된 연약점성토지반의 거동을 해석하기 위하여 3차원 해석이 수행되어야 하지만, 시간과 노력을 절약하기 위하여 2차원 평면변형률 해석을 실시하는 것이 일반적이다. 따라서 이러한 2차원 해석을 위해서는 간극수의 방사상 흐름을 평면변형률 조건으로 모형화하는 것을 필요로 한다. 본 논문에서는 기존의 수평배수이론들과 등가모형들에 대하여 재고찰하였다. 기존의 등가모형이 갖는 문제점을 극복하고, 교란 및 배수정저항을 고려할 수 있는 이론적으로 정교하며 유한요소해석시에 적용성이 좋은 2차원 등가모형을 새로이 개발하였다. 그리고 새로운 등가모형은 기존의 등가모형 및 수평배수이론과의 결과 비교를 통하여 우수성을 입중하고자 하였다. 최종적으로, 새로이 제안된 모형을 실제 현장에 적용하여 현장 계측자료와 비교하여 접근성을 살펴보았다. 이러한 연구과정을 통하여 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다. 1, 수평배수이론들 중에서 Scott(1963)의 이론과 Yeshikuni-Nakanodo(1974)의 이론은 다른 수평배수이론들에 비하여 압밀분포가 과소 또는 과대 평가됨을 보여주었고, Barren(1948)의 이론은 특별한 조건하에서 압밀도의 경향이 다른 이론들에 비하여 상이한 결과를 보여 주었다. 그러나 Hansbo(1981) 및 Onoue(1988)의 이론에 의한 계산결과에서는 크게 문제점이 발견되지 않았다. 2. 기존의 등가모형들에 의한 해석결과와 Hansbo(1981)의 이론해 및 축대칭 유한요소해석결과를 비교분석하고 제반 모형들을 재고찰한 결과에 의하면, 배수재의 폭이 아주 좁은 경우에 유한요소해석의 수행시 모형지반의 복잡성, 모형요소의 불균형비, 사용 컴퓨터의 대용량, 소요시간의 증대 등의 어려움과 배수재 등가폭(b_(w))의 미소화로 인한 해석수행의 불가능 및 유도과정중 계산의 오류 등이 문제점으로 발견되었고, 그들에 의한 결과는 축대칭 해석결과와 상당한 차이를 나타내었지만, 그 중에서 Hird 등(1992)에 의한 결과가 축대칭해석결과와 비교적 근접하였다. 3. 새로운 2차원 평면변형률 등가모형이 Hansbo(1981)의 수평배수 이론해를 이용하여 제안되었으며, 사용자가 자유롭게 연직배수재의 간격을 조절하면서 유한요소망을 선정할 수 있도록 B≠R인 경우에도 확장되었다. 새로이 제안된 등가모형은 축대칭 유한요소해석결과 및 Hansbo(1981)의 이론해와 아주 잘 일치함을 알 수 있었다. 4. 새로이 제안된 등가모형을 이용한 유한요소해석에서 얻어진 압밀도는 기존의 등가모형들보다 Hansbo(1981)의 이론해 및 축대칭 해석결과에 아주 잘 일치함을 알 수 있었다. 그리고 Porto Tolle 현장에서 측정된 계측치와 단위셀에 의한 유한요소해석결과도 비교적 좋은 일치를 보였다. 5. 시험성토현장에 대하여 새로이 제안된 등가모형을 적용한 평면변형률 유한요소해석의 결과와 현장 계측치틀 비교한 결과, 지표면과 각 깊이별로 측정된 침하량의 분포 및 과잉간극수압의 시간별 변화는 현장 계측치와 유한요소해석결과가 잘 일치함을 알 수 있었다. To evaluate consolidation behaviour of the soft clayey ground that has vertical drains, two dimensional plane strain analysis has been generally used instead of three dimensional analysis to save time and efforts. The simulation of cylindrical pore water flow into the plane strain condition is required for the two dimensional plane strain analysis. Radial drain theories and 2D equivalent models were reviewed, in this study, and a 2D equivalent model that could overcome existing problems in older ones was newly developed. The consolidation of well resistance and smear effects is more theoretically correct in this new model. Also a comparative study of the new model to the radial drain theories and 2D equivalent models were conducted to verify a confidence of results. Finally, the newly developed model was applied to a site and the results were compared to the measured values. The conclusions thought in this study are : 1. It is shown that the consolidation analyses by Scott(1963) and Youshikuni -Nakanodo(1974)'s theory are overestimated or underestimated compared to others and that the degree of consolidation by Barren(1948)'s theory under particular conditions are different from those of others. The results by Hansbo(1981) and Onoue(1988)'s theories m very similar. 2. According to the results of comparative studies for Hansbo(1981)'s solution using an existing 2D equivalent model to the axi-symmetric finite element analysis, many problems were found in case of a narrow width of drains. These problems result in considerable differences from axi-symmetric solutions, but Hird(1992)'s solution gives a rough agreement with axi-symmetic solutions. 3. A new 2D equivalent model was developed based on Hansbo(1981)'s radial drain solution, and it was extended to B≠R for the flexibility of finite element meshes controlling vertical in spaces. It was shown that the results of a new 2D equivalent. model gives good agreement with the results of axi-symmetric and Hansbo(1981)'s solutions. 4. The degree of consolidation by the finite element method using developed equivalent model is in better agreement with Hansbo's and axi-symmetric solution than with existing 2D equivalent models. In addition, it was shown that the results of the finite element method with a unit cell give good agreement with the measured valves for Porto Tolle site. 5. The results from the plane strain finite element method using a newly developed model were compared to in-situ measurements for a testing site. For the settlement distribution and excess pore water pressure measured on the surface and different depths, the variation with time agree well with the solution by the finite element method.