Determination of the Critical Buckling Loads of Shallow Arches Using Nonlinear Analysis of Motion

비선형 운동해석에 의한 낮은 아치의 동적 임계좌굴하중의 결정

For shallow arches with large dynamic loading, linear analysis is no longer considered as practical and accurate. In this study, a method is presented for the dynamic analysis of shallow arches in which geometric nonlinearity must be considered. A program is developed for the analysis of the nonlinear dynamic behavior and for evaluation of critical buckling loads of shallow arches. Geometric nonlinearity is modeled using Lagrangian description of the motion. The finite element analysis procedure is used to solve the dynamic equation of motion and Newmark method is adopted in the approximation of time integration. A shallow arch subject to radial step loads is analyzed. The results are compared with those from other researches to verify the developed program. The behavior of arches is analyzed using the non-dimensional time, load, and shape parameters. It is shown that geometric nonlinearity should be considered in the analysis of shallow arches and probability of buckling failure is getting higher as arches are getting shallower. It is confirmed that arches with the same shape parameter have the same deflection ratio at the same time parameter when arches are loaded with the same parametric load. In addition, it is proved that buckling of arches with the same shape parameter occurs at the same load parameter. Circular arches, which are under a single or uniform normal load, are analyzed for comparison. A parabolic arch with radial step load is also analyzed. It is verified that the developed program is applicable for those problems.

낮은 아치는 동하중 재하시 재료는 탄성범위 내에 있더라도 큰 변형이 발생할 수 있으며, 좌굴 가능성이 높기 때문에 선형해석으로는 정확한 거동을 구명하기 어렵다. 본 연구에서는 이에 따라 낮은 아치의 동적 비선형 해석방법 및 좌굴판단기준을 제시하였으며, 제시된 방법을 토대로 낮은 아치의 동적 비선형 해석을 수행하고 임계좌굴하중을 구하였다. 형상의 비선형성은 Lagrangian 운동좌표를 고려하여 해석하였으며 동적운동방정식을 풀기 위하여 유한요소법을 사용하였다. 이 때, 동적 운동방정식의 시간적분으로 Newmark 해법을 채택하였다. 프로그램은 만재 방사형 등분포하중을 받는 낮은 원호 아치를 해석하여 그 결과치를 다른 연구결과와 비교하여 검증하였다. 모형해석을 통해서는 큰 동하중을 받는 원호 아치는 기하학적 비선형 거동을 고려하여 해석되어야 하며, 아치가 낮아질수록 좌굴발생 가능성이 높아짐을 알았다. 여러가지 형상의 아치에 대한 좌굴해석을 실시하여 임계 좌굴하중을 구하였으며 기존의 연구와 비교하여 정확성을 확인하였다. 원호 아치의 거동을 본 연구에서 사용한 무차원 매개변수를 이용하여 해석한 결과로 부터, 동일한 형상매개변수를 가진 아치들은 실제하중을 하중매개변수로 환산하여 같은 하중매개변수를 재하했을 때 시간매개변수에 따라 처짐비를 기준으로 같은 거동을 함을 알았으며, 좌굴현상도 같은 하중매개변수에서 나타남을 확인하였다. 또한, 포물선형상의 아치와 연직하중이나 집중하중이 재하된 경우의 해석에도 개발된 프로그램이 유용하게 사용될 수 있음을 해석예를 통하여 밝혔다.