폭풍파 및 파편 충돌에 대한 강판보강 콘크리트 패널의 복합적 수치해석 Numerical Analysis of Steel-strengthened Concrete Panels Exposed to Effects of Blast Wave and Fragment Impact Load Using Multi-solver Coupling원문보기
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.
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 o...
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.
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.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 폭발하중에 노출되어 요구성능을 달성할 수 있는 구조물 설계 방법으로 강판(steel plate)을 보강한 콘크리트 구조물에 대한 연구가 수행된다. 이를 위해 폭발하중으로 인한 동적하중인 폭풍파 및 파편 충돌 하중의 특징과 충격 및 충돌 해석의 기존이론이 고찰된다.
본 연구에서는 폭풍파 및 파편충돌로 인한 충격 및 충돌하중에 노출된 콘크리트 패널의 비선형 손상거동 해석이 수행되었다. 폭발하중에 대한 저항성능을 향상시키기 위해 강판이 보강되었고, 강판 보강 유무에 따른 패널의 거동을 평가하고 강판보강의 효과를 검증하기 위해 단순화된 2차원 축대칭 모델을 적용하여 수치해석이 수행되었다.
제안 방법
, 2002). 본 연구에서는 폭발 하중에 의한 콘크리트 패널의 변형 메커니즘이 매우 복잡하고 해석적 공식으로 모사가 불가능하기 때문에 폭발에 의한 충격압력과 파편충돌에 의한 패널의 순간적인 변형을 예측할 수 있는 수치모사 방법이 도입되며, 패널의 비선형 거동을 보다 효과적이고 정밀하게 예측할 수 있도록 explicit 시간적분 유한요소해석을 수행하게 된다. 또한, 파편의 충돌로 인한 콘크리트 패널의 대변형 거동과 장약 폭발로 인한 폭풍파와 같은 유체의 흐름을 정확하게 모사하기 위하여 다양한 시뮬레이션 기법들을 커플링한 복합적 수치해석기법이 적용된다.
따라서 본 연구에서는 폭발하중에 노출되어 요구성능을 달성할 수 있는 구조물 설계 방법으로 강판(steel plate)을 보강한 콘크리트 구조물에 대한 연구가 수행된다. 이를 위해 폭발하중으로 인한 동적하중인 폭풍파 및 파편 충돌 하중의 특징과 충격 및 충돌 해석의 기존이론이 고찰된다. 콘크리트 표적 재료의 충돌손상 거동을 수치적으로 구현하기위해 재료에 고정된 메쉬를 통해 거동을 기술하는 Lagrange 기법, 폭발 가스나 유체 전파현상을 모사하는 Euler 기법, 그리고 입자의 이동을 통해 재료거동을 기술하는 Lagrange 기반의 무메쉬(meshless) 기법인 SPH(smoothed particle hydrodynamics) 기법에 대한 특징과 주요 장단점들이 설명되며, 각 기법들의 메쉬 및 입자 의존성 그리고 요소 소진 변형률 의존성 문제 등이 검토된다.
이를 위해 폭발하중으로 인한 동적하중인 폭풍파 및 파편 충돌 하중의 특징과 충격 및 충돌 해석의 기존이론이 고찰된다. 콘크리트 표적 재료의 충돌손상 거동을 수치적으로 구현하기위해 재료에 고정된 메쉬를 통해 거동을 기술하는 Lagrange 기법, 폭발 가스나 유체 전파현상을 모사하는 Euler 기법, 그리고 입자의 이동을 통해 재료거동을 기술하는 Lagrange 기반의 무메쉬(meshless) 기법인 SPH(smoothed particle hydrodynamics) 기법에 대한 특징과 주요 장단점들이 설명되며, 각 기법들의 메쉬 및 입자 의존성 그리고 요소 소진 변형률 의존성 문제 등이 검토된다. 각 수치기법들의 한계점을 제시하고 폭풍파 및 파편 충돌 하중에 의한 콘크리트 패널의 비선형 거동을 효과적으로 모사하기 위하여 Lagrange 기법, Euler 기법, 그리고 SPH 기법을 커플링(coupling)하는 복합적 수치해석(multi-solver coupling) 기법이 제안된다.
패널을 구성하는 콘크리트 재료는 정수압 상태의 콘크리트의 거동을 기술하기 위하여 다공질 형태의 EOS가 적용되고, 다공질 재료의 모델링에 흔히 사용되며 불연속 선형 함수로 항복응력의 압력경화를 기술하는 Drucker-Prager 모델이 강도모델로 적용된다. 패널 인장부의 취성파손과 균열 연화현상을 모사할 수 있도록 정수압력 인장 한계값과 파괴에너지 값을 지정하여 해석을 수행한다. 스터드를 통해 콘크리트와 연결된 강판의 비선형 거동을 정확히 모사하기 위해서는 강판의 변형률 경화, 변형률 속도 경화, 열적 연화효과가 고려되어야 한다.
본 연구에서는 폭풍파 및 파편충돌로 인한 충격 및 충돌하중에 노출된 콘크리트 패널의 비선형 손상거동 해석이 수행되었다. 폭발하중에 대한 저항성능을 향상시키기 위해 강판이 보강되었고, 강판 보강 유무에 따른 패널의 거동을 평가하고 강판보강의 효과를 검증하기 위해 단순화된 2차원 축대칭 모델을 적용하여 수치해석이 수행되었다. 수치해석기법은 폭풍파의 대기전파에 따른 유체-고체 상호작용, 충돌과 같은 국부적 대변형 현상을 효과적으로 모사하기 위해 복합적 수치해석기법이 적용되었고, 수치해석 결과 강판을 보강하지 않은 경우 콘크리트 패널의 파손상태는 매우 극심한 것으로 나타났다.
데이터처리
제안된 복합적 수치해석(multi-solver coupling)기법과 재료모델을 이용하여 PE4 장약 폭발 시 발생되는 폭풍파에 의한 강판보강 콘크리트 패널의 충격손상거동과 파편충돌에 의한 충돌손상거동이 수치 모의실험을 통해 분석되었고 이는 기존 실험적 연구결과와 비교되었다(Pope, D.J. and Tyas, A., 2002).
이론/모형
스터드를 통해 콘크리트와 연결된 강판의 비선형 거동을 정확히 모사하기 위해서는 강판의 변형률 경화, 변형률 속도 경화, 열적 연화효과가 고려되어야 한다. 본 연구에서는 식 (18)과 같이 재료의 항복응력(Y)을 속도 의존적, 탄소성 거동으로 잘 모사할 수 있는 John-Cook(1983)모델을 채택하여 보강용 강판이 모델링 된다.
각 수치기법들의 한계점을 제시하고 폭풍파 및 파편 충돌 하중에 의한 콘크리트 패널의 비선형 거동을 효과적으로 모사하기 위하여 Lagrange 기법, Euler 기법, 그리고 SPH 기법을 커플링(coupling)하는 복합적 수치해석(multi-solver coupling) 기법이 제안된다. 순간적인 폭발하중에 의한 구조물의 비선형 동적 해석을 수행하기 위해 대상구조물의 충돌 손상거동 지배방정식과 충돌 투사체, 표적재의 재료구성모델이 제시되고, 복합적 수치해석에 적합한 explicit 유한요소 프로그램인 AUTODYN(Century Dynamics, 2007)을 통하여 수치해석이 수행된다. 이는 Pope and Tyas(2002)에 의해 수행된 실험결과를 바탕으로 3차원 실험 결과와 가장 유사한 2차원 축대칭 모델을 적용하여 해석시간을 단축시키고, 단순화한 2차원 시뮬레이션 기법을 통해 폭발하중의 폭풍파에 의한 강판보강 콘크리트 패널의 성능, 파편으로 발생될 수 있는 강판보강 콘크리트 패널의 충격손상과 파편억제효과를 평가하여 실험결과와 비교·분석된다.
fext는 외력벡터, fint는 내력벡터를 의미하고, 6육면체 요소의 1점 적분시 발생되는 모래시계 모드(hourglass mode)를 제거하기 위하여 안정화 벡터 fstab가 추가되어진다. 운동방정식의 시간적분은 explicit 차분방식인 중앙차분(central difference)방식이 적용된다. 즉, 시간이 tn인 상태에서 각 노드에서의 시간적분은 식 (8)~(10)과 같이 수행된다.
성능/효과
폭발하중에 대한 저항성능을 향상시키기 위해 강판이 보강되었고, 강판 보강 유무에 따른 패널의 거동을 평가하고 강판보강의 효과를 검증하기 위해 단순화된 2차원 축대칭 모델을 적용하여 수치해석이 수행되었다. 수치해석기법은 폭풍파의 대기전파에 따른 유체-고체 상호작용, 충돌과 같은 국부적 대변형 현상을 효과적으로 모사하기 위해 복합적 수치해석기법이 적용되었고, 수치해석 결과 강판을 보강하지 않은 경우 콘크리트 패널의 파손상태는 매우 극심한 것으로 나타났다. 특히, 인장파괴에 의한 콘크리트의 분쇄를 억제할 수 있는 충분한 제어력이 확보되지 못해 분쇄된 파편이 패널을 관통하는 현상이 발생되었다.
강판을 보강한 경우 폭풍파 및 파편충돌에 대한 최대처짐이 각각 40%와 30% 감소되었고 변위비 또한 보통손상기준 범위에 적합하였다. 이는 강판이 분쇄 파편의 운동에너지를 제어하고 변형에너지로 흡수하기 때문이며, 제안된 복합적 수치해석기법을 이용하여 충격 및 충돌하중에 노출된 콘크리트구조물의 손상거동을 효과적으로 평가할 수 있다.
최대속도는 약 70 mm/ms로 나타났으며, 휨 변형에 대한 파괴기준인 변위비 δ/L는 11.3%로 ASCE에서 제시하는 기준과 비교하여 심각한 손상에 해당된다.
폭풍파 및 파편 충돌에 대한 수치해석 결과, 두 경우 모두 파쇄 현상과 같은 콘크리트 패널의 인장파괴가 발생되어 심각한 손상이 초래되었다. 폭풍파에 대한 저항성능을 향상시키기 위한 목적으로 강판을 보강한 경우, 무보강 콘크리트 패널과 비교하여 최대처짐이 40% 이상 감소되었고, 파편 충돌에 대하여 최대처짐이 30% 이상 감소되었다. 이는 보강강판이 에너지 흡수 개념의 보강설계에 근거하여 충격력과 파편의 운동에너지를 흡수하여 콘크리트 인장부에 발생되는 파쇄와 같은 파편비산 현상을 억제하는 것으로 나타났다.
후속연구
폭풍파와 같은 대기전파의 경우 Euler 기법을 적용하면 매우 효과적으로 유체흐름을 설명할 수 있고, 반면에 폭풍파의 충격압력 또는 파편의 충돌하중을 받는 콘크리트 구조물의 거동은 일반적으로 재료의 거동 표현에 적합한 Lagrange 기법을 적용할 경우 효과적으로 모사될 수 있다. 따라서 폭풍파의 전파 모사에 적합한 메쉬 기반의 Euler 기법, 구조물의 재료 거동 모사에 적합한 메쉬 기반의 Lagrange 기법, 그리고 국부적 대변형 거동에 적합한 무메쉬 기반의 SPH 기법들의 우수한 특징을 충격 및 충돌 문제의 성격에 맞게 조합하여 효과적이고 정확하게 구조물 거동을 모사하는 기법이 제안된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Lagrange 기법은 무엇인가?
이를 위해 폭발하중으로 인한 동적하중인 폭풍파 및 파편 충돌 하중의 특징과 충격 및 충돌 해석의 기존이론이 고찰된다. 콘크리트 표적 재료의 충돌손상 거동을 수치적으로 구현하기위해 재료에 고정된 메쉬를 통해 거동을 기술하는 Lagrange 기법, 폭발 가스나 유체 전파현상을 모사하는 Euler 기법, 그리고 입자의 이동을 통해 재료거동을 기술하는 Lagrange 기반의 무메쉬(meshless) 기법인 SPH(smoothed particle hydrodynamics) 기법에 대한 특징과 주요 장단점들이 설명되며, 각 기법들의 메쉬 및 입자 의존성 그리고 요소 소진 변형률 의존성 문제 등이 검토된다. 각 수치기법들의 한계점을 제시하고 폭풍파 및 파편 충돌 하중에 의한 콘크리트 패널의 비선형 거동을 효과적으로 모사하기 위하여 Lagrange 기법, Euler 기법, 그리고 SPH 기법을 커플링(coupling)하는 복합적 수치해석(multi-solver coupling) 기법이 제안된다.
Euler 기법은 무엇을 모사하는 기법인가?
이를 위해 폭발하중으로 인한 동적하중인 폭풍파 및 파편 충돌 하중의 특징과 충격 및 충돌 해석의 기존이론이 고찰된다. 콘크리트 표적 재료의 충돌손상 거동을 수치적으로 구현하기위해 재료에 고정된 메쉬를 통해 거동을 기술하는 Lagrange 기법, 폭발 가스나 유체 전파현상을 모사하는 Euler 기법, 그리고 입자의 이동을 통해 재료거동을 기술하는 Lagrange 기반의 무메쉬(meshless) 기법인 SPH(smoothed particle hydrodynamics) 기법에 대한 특징과 주요 장단점들이 설명되며, 각 기법들의 메쉬 및 입자 의존성 그리고 요소 소진 변형률 의존성 문제 등이 검토된다. 각 수치기법들의 한계점을 제시하고 폭풍파 및 파편 충돌 하중에 의한 콘크리트 패널의 비선형 거동을 효과적으로 모사하기 위하여 Lagrange 기법, Euler 기법, 그리고 SPH 기법을 커플링(coupling)하는 복합적 수치해석(multi-solver coupling) 기법이 제안된다.
고속 파편에 의한 충격 및 충돌하중이 피해를 입힐 수 있는 이유는 무엇인가?
폭풍파와 더불어 폭발로 인한 동적하중의 또 다른 예가 고속 파편에 의한 충격 및 충돌하중이다. 폭발에 따른 폭탄의 금속 외피 파열과 폭풍파로 인해 날아갈지 모르는 주위 부속 물체들은 방호구조물에 직접 혹은 간접적인 파편하중으로 작용하여 피해를 입힐 수 있다. 작약 폭발 시 발생되는 금속 외피는 매우 많은 수의 파편들로 쪼개지고 형상도 매우 임의적일뿐만 아니라 질량은 미세한 가루로부터 수 kg까지 매우 다양하게 발생된다.
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