부유식 초대형 해상구조물(VLFS : Very Large Floating Structures)의 구조설계는 대상 구조물의 종류와 그 구조형식 등에 따라 구체적인 설계조건 혹은 설계의 기본 계획이 달리 나타날 수 있다. 본 연구에서는 설계조건의 설정, 구조형식 및 재료의 선택, 설계하중의 추정, 부재 배치 및 치수결정 등의 과정으로 나타나는 초대형 해상구조물의 구조설계 기법에 관하여 기술하고, 구체적인 적용례로서 부산 해상공항 및 컨테이너 물류기지 개발안에 대한 초기 구조설계 과정과 그 결과를 소개한다.
최근 의류용 감성소재가 다양해지면서 소재의 특성에 따른 최적 설계가 data-base에서 빨리 공급 될 수 있다면 시행착오에 따른 시간과 경비가 적게 소비되면서 소비자의 요구에 빨리 대응할 수 있는 소위 Q.R.도 가능하게 될 것이다. 이러한 감성 의류용 직물의 data base화를 위해서는 rapier, water-jet, air-jet 등 직기에 따른 소재의 설계분포 그리고 직기의 종류에 따라서 직물 설계 data의 분포가 어떠한지를 우선 조사하여야 한다. 본 연구에서는 국내 3개 업체의 실제 현장에서 생산되고 있는 PET 소재의 감성의류용 직물소재의 설계 Data를 직기별로 구분하고 직물 설계 조건들을 조사ㆍ분석하여 경사, 위사 번수별 조직계수를 계산하여 이들 data를 data-base화하고 도시하였다. 또한 이들 분석된 그래프에서 직기 종류별, 직물 조직별, 소재 item별 조직계수와 직물밀도를 예측할 수 있는 방법을 제시함과 더불어 조직에 따른 이들 직물의 설계조건을 제안함으로서 실제 현장에서 쉽게 사용할 수 있는 연구자료를 업체에 제공하고자 한다.
철골 Pre-Engineered Building System(PEBS)이 국내에서도 80년도 후반부터 상당히 일반화되었지만 변단면 PEBS는 대부분 국외에서 개발된 최적화 프로그램으로 구조설계가 수행되고 있다. 이 연구에서는 3차원 변단면 PEBS의 구조설계를 AISC2005의 허용응력설계법과 KBC 기준에 따라 주어진 여러 제약조건들을 만족하도록 수치해석법으로 최적화하는 프로그램을 개발하였다. 변단면 구조물의 최적화 설계는 구조해석과 최적 부재설계를 수행하는데, 구조물의 최소 중량화를 위해서 구조해석과 부재설계 과정을 허용응력조건과 변위조건이 만족될 때까지 반복 수행한다. 2, 3차원 변단면 구조물을 최적화 설계한 결과에 의하면 변단면 용접 H-형강으로 설계하는 것이 압연 H-형강보다 상당한 철골 절약효과가 있는 것으로 나타났다. 변단면 용접 H-형강으로 설계하는 경우 구조물의 종류에 따라 차이는 있지만 AISC2005 기준으로 설계하는 것이 AISC1989 기준보다 철골량이 줄어들었고, 부재 춤도 작게 설계되어 웨브 좌굴에 새 기준이 더 안전한 것으로 평가되었다.
LCD panel 검사를 위한 Probe unit은 대형 TV 및 모바일용 스마트폰을 중심으로 각광을 받고 있는 소모성 부품으로 최근 pitch의 미세패턴화가 급속히 진행되고 있다. 본 연구에서는 Slit Wafer 제작 공정을 최적화하기 위해 25 um pitch의 마스크를 설계, 제작하였다. 단공과 장공을 staggered 형태로 배열하여 25 um/25 um line/space pitch로 설계하였다. 또한 단위실험을 위해 직접 25 um pitch로 설계하여, 동일한 실험조건을 적용하여 최적 조건을 찾고자 하였다. 반응변수는 Etch rate 및 profile angle로 결정하였으며, 약 200~400 um 에칭된 slit의 상단과 하단의 폭, 그리고 식각깊이를 SEM 측정사진을 통해 정한 후 etch rate 및 profile angle을 결정하였다. 인자는 식각속도 및 wall의 각도를 결정하는 식각 및 passivation 가스의 유량, chamber 압력(etching/passivation), 식각시간 등으로 정하였으며, 이들의 최대값과 최소값 2 수준으로 실험계획을 설계하였다. 식각 조건에 따라 8회의 실험을 수행하였다. 가스의 유량은 SF6 400 sccm, C4F8 400 sccm, 식각 싸이클 시간은 5.2~10.4 sec, passivation 싸이클시간 4 sec로 하였으며, 압력은 식각시 7.5 Pa, passivation 시 10 Pa로 할 경우가 가장 sharp하게 나타났다. Coil power 와 platen power는 각각 2.6 KW, 0.14 KW로 하였으며, 최적화를 위한 인자의 값들은 이 범위에서 조절하였다. 이러한 인자의 조건 조절을 통해 etch rate는 5.6 um/min~6.4 um/min, $88.9{\sim}89.1^{\circ}$의 profile angle을 얻을 수 있었다.
Module은 세부적으로 PAS(Pre-Assembled Steel structure), PAR(Pre-Assembled pipe Rack), PAU(Pre-Assembled Unit), VAU(Vendor Assembled Unit) 그리고 VPU(Vendor Package Unit)로 분류될 수 있다. 이러한 Module의 설계 및 제작 시에는 Stick built type 구조물과는 달리 육상 또는 해상 운송 조건이 고려되어야 하며, 운송 조건에 따른 Module division design이 수반되어야 한다. 육상 운송 및 설치를 위해서는 무게중심(Center of gravity) 관리가 중요하며, 해상 운송을 위해서는 구조물이 Sea acceleration force에 대해 안전성을 확보할 수 있도록 설계되어야 한다. 운송 조건 및 설치 방법은 구조물의 규모와 무게를 제한하게 되며, 이는 Module 대상 구조물 선정 시, 그리고 선정된 Module의 분할 계획 시 요구조건으로 작용하게 된다.
저차원분해을 이용한 분모분란형 디지틀 필터(SDDF)의 공간영역설계는 특이치분해(SVD)에 의하여 주어진 2차원 임펄스 응답설계명세조건이 한쌍의 1차원 설계명세조건으로 분해될 때 실현될 수 있는데, 1차원 설계 알고리즘으로서 평형형근사와 등가변환을 사용하기 때문에 알고리즘이 수치적으로 안정하며 양자화 오차를 최소화할 수 있다. 본 논문에서는 이들 오차를 분석하고 감소시키기 위하여 임펄스 응답 설계명세조건으로부터 직접 최소 계산양자화 실현을 유도하고 또한 최소계산양자화 오차와 최소 Round off 오차 실현 사이의 등가변환 관계로부터 SDDF를 최적실현한다. 이러한 알고리즘은 시뮬레이션에 의하여 분석되어지는데 양자화오차 문제에 있어서 직접형이나 평형형 실현보다 우수한 특성을 갖는다.
이 논문에서는 지하식 LNG 저장탱크의 설계조건 변화에 따른 구조거동에 대한 사례연구를 다루었다. 지하식 LNG 저장탱크의 설계에 있어서, 치적의 탱크 형상과 치수를 결정하는 것은 다양한 하중조건과 이들의 하중조합 하에서 더욱 향상된 구조거동을 위해 매우 중요하다. 저장 탱크의 설계단계에서 유지단계에 이르기까지 구조거동에 영향을 미치는 주요인자에 대한 분석과 평가가 이루어졌으며, 이러한 매개변수연구를 토대로 한 결과에 근거하여 지하식 LNG 저장탱크의 보다 합리적인 설계에 대한 기초자료를 제안하였다.
이젝터는 고속의 주 유동으로 주변의 낮은 운동량을 가지는 유동을 운동량 교환을 통해 압축시켜 수송하는 장치로서 각종 초음속 시험설비의 마하 4, 고도 20 km 이상의 고고도 조건을 모사하기 위한 목적으로 사용될 수 있다. 항공우주연구원에서는 램제트 엔진 시험설비의 마하 $4\sim5$, 고도 $20\sim25km$의 작동조건을 모사하기 위한 이젝터를 설계하기 위하여 일본 항공우주연구소(JAXA)의 램제트/스크램 제트 엔진 시험설비(RJTF)의 공기 이젝터 성능해석 기법 및 설계 기법을 적용하여 기본 설계를 수행하였다. 또한 설계된 이젝터 형상을 토대로 FLUENT를 이용한 수치해석을 수행하여 이젝터 시스템 내부의 충격파 구조와 고고도 조건 모사를 위한 흡입 압력 값 및 시스템 내에서 냉각이 요구되는 영역을 파악하고 기본 설계 과정 결과의 타당성을 검증하였다.
위상최적설계는 개념설계에 적합하며, 제품의 설계에서 사용되어지고 있다. 전통적인 위상최적화는 균질화법과 최적조건법을 사용해 왔다. 균질화법은 구멍으로 구성된 구조물과 강성행렬사이의 관계를 연결해주는데 사용되며, 최적조건법은 부피분율을 유지하며 설계변수의 개선에 사용되어진다. 전통적인 위상최적설계는 수렴성이 좋은 장점은 있지만 수렴시간이 많이 걸린다는 단점이 있었다. 이 문제를 해결하는 하나의 방법으로 평균 응력량을 기준으로 요소를 제거하는 요소제거법을 제시하였다. 예제에서 수렴속도가 향상됨을 알 수 있었다.
본 연구에서는 해저 터널의 특수성을 고려한 NATM 2차 라이닝의 최적 설계 시스템을 개발하였다. 해저 터널은 일반적으로 일정 수압 하의 토사나 암반 등으로 구성된 해저 지반 내에 시공된다. 본 설계 시스템은 특정 해저 터널 단면에서의 지반 조건, 시공 조건 및 터널 조건을 고려하여 인공신경망 기반의 라이닝 부재력 예측 시스템을 구축하고, 시공성이 확보된 단면 DB를 구축하여 해저터널에서 최적 단면 설계가 가능하도록 구성하였다. 단면 검토 및 설계에 사용되는 라이닝 부재력 예측은 유한요소해석을 토대로 구축한 인공신경망을 통해 일반화한 후 별도의 추가 해석이 필요없이 유사 단면의 해저 터널 설계에 적용이 가능하도록 하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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