• Wind and Structures
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• 제31권2호
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• pp.103-142
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• 2020

One of the next frontiers in structural wind engineering is the design of tall buildings using performance-based approaches. Currently, tall buildings are being designed using provisions in the building codes and standards to meet an acceptable level of public safety and serviceability. However, recent studies in wind and earthquake engineering have highlighted the conceptual and practical limitations of the code-oriented design methods. Performance-based wind design (PBWD) is the logical extension of the current wind design approaches to overcome these limitations. Towards the development of PBWD, in this paper, we systematically review the advances made in this field, highlight the research gaps, and provide a basis for future research. Initially, the anatomy of the Wind Loading Chain is presented, in which emphasis was given to the early works of Alan G. Davenport. Next, the current state of practice to design tall buildings for wind load is presented, and its limitations are highlighted. Following this, we critically review the state of development of PBWD. Our review on PBWD covers the existing design frameworks and studies conducted on the nonlinear response of structures under wind loads. Thereafter, to provide a basis for future research, the nonlinear response of simple yielding systems under long-duration turbulent wind loads is studied in two phases. The first phase investigates the issue of damage accumulation in conventional structural systems characterized by elastic-plastic, bilinear, pinching, degrading, and deteriorating hysteretic models. The second phase introduces methods to develop new performance objectives for PBWD based on joint peak and residual deformation demands. In this context, the utility of multi-variate demand modeling using copulas and kernel density estimation techniques is presented. This paper also presents joined fragility curves based on the results of incremental dynamic analysis. Subsequently, the efficiency of tuned mass dampers and self-centering systems in controlling the accumulation of damage in wind-excited structural systems are investigated. The role and the need for explicit modeling of uncertainties in PBWD are also discussed with a case study example. Lastly, two unified PBWD frameworks are proposed by adapting and revisiting the Wind Loading Chain. This paper concludes with a summary and a proposal for future research.

• Wind and Structures
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• 제31권2호
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• pp.143-152
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• 2020

The wind design of buildings is typically based on strength provisions under ultimate loads. This is unlike the ductility-based approach used in seismic design, which allows inelastic actions to take place in the structure under extreme seismic events. This research investigates the application of a similar concept in wind engineering. In seismic design, the elastic forces resulting from an extreme event of high return period are reduced by a load reduction factor chosen by the designer and accordingly a certain ductility capacity needs to be achieved by the structure. Two reasons have triggered the investigation of this ductility-based concept under wind loads. Firstly, there is a trend in the design codes to increase the return period used in wind design approaching the large return period used in seismic design. Secondly, the structure always possesses a certain level of ductility that the wind design does not benefit from. Many technical issues arise when applying a ductility-based approach under wind loads. The use of reduced design loads will lead to the design of a more flexible structure with larger natural periods. While this might be beneficial for seismic response, it is not necessarily the case for the wind response, where increasing the flexibility is expected to increase the fluctuating response. This particular issue is examined by considering a case study of a sixty-five-story high-rise building previously tested at the Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory at the University of Western Ontario using a pressure model. A three-dimensional finite element model is developed for the building. The wind pressures from the tested rigid model are applied to the finite element model and a time history dynamic analysis is conducted. The time history variation of the straining actions on various structure elements of the building are evaluated and decomposed into mean, background and fluctuating components. A reduction factor is applied to the fluctuating components and a modified time history response of the straining actions is calculated. The building components are redesigned under this set of reduced straining actions and its fundamental period is then evaluated. A new set of loads is calculated based on the modified period and is compared to the set of loads associated with the original structure. This is followed by non-linear static pushover analysis conducted individually on each shear wall module after redesigning these walls. The ductility demand of shear walls with reduced cross sections is assessed to justify the application of the load reduction factor "R".

• 한국지진공학회논문집
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• 제9권1호통권41호
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• pp.33-42
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• 2005

국내와 같이 풍하중이 지배 횡하중으로 작용하는 중/약진대라 할지라도 초고층건물의 설계를 담당하고 있는 구조기술자는 특정세기의 잠재지진(가령 재래기 500년 정도의 설계용지진동 또는 재래기 2400년 정도의 최대한도지진)이 구조시스템에 미칠 수 있는 구조적 영향을 합리적으로 평가할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 중/약진대로 분류되는 국내의 지진환경하에서, 국내 구조사무소의 평균적 실무관행에 따라 내풍설계된 초고층 철골중심가새골조를 가정하여 지진해석을 수행하고 내진성능을 평가하였다. 내풍설계에서 요구되는 사용성 요건 및 횡력저항 철골부재에 부과돠는 폭-두께비 제한 등으로 인해 상당한 크기의 시스템 초과강도(system overstrength)가 유입됨을 확인할 수 있었다. 내풍설계과정에서 부차적으로 기인하는 이 시스템 초과강도로 인하여, 본 연구의 세장비 6 이상의 철골조 초고층 중심가새골조는 2400년 재래기의 최대한도지진에 대해서도 즉시입주 가능한 거동수준에서 탄성적으로 저항할 수 있음을 확인하였다.

• 한국지진공학회논문집
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• 제7권2호
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• pp.75-84
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• 2003

대부분의 구조물들은 강한 지진을 받을 경우, 비선형 거동의 변형이 예상된다. 구조물의 내진평가는 구조물에 가해진 지진력에 대한 변위요구와 같은 구조물의 성능평가를 필요로 한다. 여러 가지 비선형해석법 가운데 구조물의 내진역량을 계산하기 위한 가장 정확한 방법은 비선형 시각이력해석(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. 일부 약산적 방법 중 능력스펙트럼법(CSM)은 개념적으로는 간단하나 반복적인 계산과정과 함께 때로는 해가 없거나 중복적인 해를 갖는 약점을 갖고 있다. 본 연구에서는 강성골격곡선으로부터 산정한 구조물의 초기 탄성진동주기 T와 응답스펙트럼으로부터 산정한 비선형 유사가속도 h$_{y}$ /g 및 연성비 $\mu$를 사용하여, 반복적인 계산과정 없이 복합구조물의 내진성능을 평가하는 비선형 직접스펙트럼법(NDSM)을 고려한다. 다양한 지진과 복합구조물에 대한 NDSM의 신뢰성과 실용성을 비선형 시각이력해석(NRHA) 결과와 비교함으로써 검토하였다.

• Earthquakes and Structures
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• 제13권1호
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• pp.59-66
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• 2017

Modern seismic codes rely on performance-based seismic design methodology which requires that the structures withstand inelastic deformation. Many studies have focused on the inelastic deformation ratio evaluation (ratio between the inelastic and elastic maximum lateral displacement demands) for various inelastic spectra. This paper investigates the inelastic response spectra through the ductility demand ${\mu}$, the yield strength reduction factor $R_y$, and the inelastic deformation ratio. They depend on the vibration period T, the post-to-preyield stiffness ratio ${\alpha}$, the peak ground acceleration (PGA), and the normalized yield strength coefficient ${\eta}$ (ratio of yield strength coefficient divided by the PGA). A new inelastic deformation ratio $C_{\eta}$ is defined; it is related to the capacity curve (pushover curve) through the coefficient (${\eta}$) and the ratio (${\alpha}$) that are used as control parameters. A set of 140 real ground motions is selected. The structures are bilinear inelastic single degree of freedom systems (SDOF). The sensitivity of the resulting inelastic deformation ratio mean values is discussed for different levels of normalized yield strength coefficient. The influence of vibration period T, post-to-preyield stiffness ratio ${\alpha}$, normalized yield strength coefficient ${\eta}$, earthquake magnitude, ruptures distance (i.e., to fault rupture) and site conditions is also investigated. A regression analysis leads to simplified expressions of this inelastic deformation ratio. These simplified equations estimate the inelastic deformation ratio for structures, which is a key parameter for design or evaluation. The results show that, for a given level of normalized yield strength coefficient, these inelastic displacement ratios become non sensitive to none of the rupture distance, the earthquake magnitude or the site class. Furthermore, they show that the post-to-preyield stiffness has a negligible effect on the inelastic deformation ratio if the normalized yield strength coefficient is greater than unity.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제19권2호
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• pp.7-15
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• 2012

최근 모바일 기기에 적용되는 반도체 패키지는 초소형, 초박형 및 다기능을 요구하고 있기 때문에 다양한 실리콘 칩들이 다층으로 수직 적층된 패키지의 개발이 필요하다. 패키지 및 실리콘 칩의 두께가 계속 얇아지면서 휨 현상, 크랙 및 여러 다른 형태의 파괴가 발생될 가능성이 많다. 이러한 문제는 패키지 재료들의 열팽창계수의 차 및 패키지의 구조적인 설계로 인하여 발생된다. 본 연구에서는 4층으로 적층된 FBGA 패키지의 휨 현상 및 응력을 수치해석을 통하여 상온과 리플로우 온도 조건에서 각각 분석하였다. 상온에서 가장 적은 휨을 보여준 경우가 리플로우 공정 조건에서는 오히려 가장 큰 휨을 보여 주고 있다. 본 연구의 물성 조건에서 패키지의 휨에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 EMC의 열팽창계수, EMC의 탄성계수, 다이의 두께, PCB의 열팽창계수 순이었다. 휨을 최소화하기 위하여 패키지 재료들의 물성들을 RMS 기법으로 최적화한 결과 패키지의 휨을 약 $28{\mu}m$ 감소시킬 수 있었다. 다이의 두께가 얇아지게 되면 다이의 최대 응력은 증가한다. 특히 최상부에 위치한 다이의 끝 부분에서 응력이 급격히 증가하기 시작한다. 이러한 응력의 급격한 변화 및 응력 집중은 실리콘 다이의 파괴를 유발시킬 가능성이 많다. 따라서 다이의 두께가 얇아질수록 적절한 재료의 선택 및 구조 설계가 중요함을 알 수 있다.

• 한국지진공학회논문집
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• 제6권4호
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• pp.65-73
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• 2002

성능에 기초한 설계법에서는 비선형 응답산정이 필수적이며, 이를 위한 방법으로는 비선형시각이력해석법, 비선형 정적해석법, 비선형 효과를 고려한 등가선형해석법 등이 있다. 일부 규준에서는 pushover곡선으로부터 작성한 성능스펙트럼과 선형 응답스펙트럼으로부터 작성한 요구스펙트럼으로 이루어진 능력스펙트럼법을 제안하고 있다. 이 방법은 개념적으로는 간단하나 반복과정이 요구되며, 부정확한 결과를 산출하는 경우가 많다. 이에 따라 시행착오적인 등가선형 스펙트럼대신 비선형스펙트럼을 사용하는 방법들에 대한 연구들이 진행되고 있다. 비선형 요구스펙트럼은 표준적 선형 설계스펙트럼으로부터 결정될 수 있으며, 이 방법은 등가선형의 경우보다는 계산과정이 대폭 줄어들기는 하나 아직도 다소의 연산과정이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 다자유도계의 구조물에 대한 pushover곡선으로부터 구조물의 진동주기와 항복강도를 구한 다음, 일련의 계산과정을 거치지 않고도, 직접적으로 비선형 최대응답을 구할 수 있는 비선형 직접스펙트럼법(NDSM)을 제시하극 집중질량계의 MDF(다자유도계) 모델에 대해 다양한 지진기록과 제하강성저하지수를 변수로 하여 NDSM의 적용성과 신뢰성을 평가하고자 한다. 본 연구의 결론은 다음과 같다. 1) 다자유도계 구조물에 대한 비선형 직접스펙트럼법에 의한 최대변위 응답은 비선형 시각이력해석법에 의한 응답과 거의 일치하므로 실용적인 방법으로 사료된다. 2) 비선형 직접스펙트럼법과 비선형 시각이력해석에 의해 산정된 죄상층 변위 결과를 비교하면, 항복후강성계수가 0.1, MAD(modal adaptive distribution)에 의한 수평정적하중분폰 그리고 제하강성저하지수가 0.2~O.3일 때 평균오차가 가장 줄어드는 것으로 나타났다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제38권11호
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• pp.107-118
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• 2022

최근 증가하는 수소에너지 수요에 대응할 수 있는 안정적인 수소 저장 기술에 대한 사회적 니즈가 증가하고 있으며, 이 중 지중수소저장은 대규모 수소 저장이 가능하여 가장 경제적이고 합리적인 저장 방식으로 인식되고 있다. 국내의 경우, 인공적인 방호구조물을 활용한 저심도 수소 저장 방식을 고려하고 있는데, 이와 관련된 안전기준 확립 및 지반 안정성 평가가 중요해지고 있다. 본 연구에서는 저심도 지중 수소저장시설에서의 수소가스 누출 시 발생할 수 있는 지반의 수리역학적 거동을 복합해석 모델을 통해 평가하였다. 벤치마크 실험을 통하여 해석 모델의 예측 신뢰성을 검증한 후, 메타모델을 활용한 매개변수연구를 수행하여 고압수소가스의 지반 침투에 따른 지표면 융기현상에 대한 영향 인자들의 민감도에 대해 평가하였다. 분석결과, 수소가스의 지반누출에 따른 지표변위 변화에 대한 민감도는 지반의 탄성계수가 가장 큰 것으로 확인되었다. 이러한 연구결과는 향후 수소가스 누출뿐만 아니라 수소가스 폭발에 대한 지반 복합해석 평가 시 유용한 기초자료로 활용될 것이다.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2009년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.111-112
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• 2009

Diamond-like carbon (DLC) is a convenient term to indicate the compositions of the various forms of amorphous carbon (a-C), tetrahedral amorphous carbon (ta-C), hydrogenated amorphous carbon and tetrahedral amorphous carbon (a-C:H and ta-C:H). The a-C film with disordered graphitic ordering, such as soot, chars, glassy carbon, and evaporated a-C, is shown in the lower left hand corner. If the fraction of sp3 bonding reaches a high degree, such an a-C is denoted as tetrahedral amorphous carbon (ta-C), in order to distinguish it from sp2 a-C [2]. Two hydrocarbon polymers, that is, polyethylene (CH2)n and polyacetylene (CH)n, define the limits of the triangle in the right hand corner beyond which interconnecting C-C networks do not form, and only strait-chain molecules are formed. The DLC films, i.e. a-C, ta-C, a-C:H and ta-C:H, have some extreme properties similar to diamond, such as hardness, elastic modulus and chemical inertness. These films are great advantages for many applications. One of the most important applications of the carbon-based films is the coating for magnetic hard disk recording. The second successful application is wear protective and antireflective films for IR windows. The third application is wear protection of bearings and sliding friction parts. The fourth is precision gages for the automotive industry. Recently, exciting ongoing study [1] tries to deposit a carbon-based protective film on engine parts (e.g. engine cylinders and pistons) taking into account not only low friction and wear, but also self lubricating properties. Reduction of the oil consumption is expected. Currently, for an additional application field, the carbon-based films are extensively studied as excellent candidates for biocompatible films on biomedical implants. The carbon-based films consist of carbon, hydrogen and nitrogen, which are biologically harmless as well as the main elements of human body. Some in vitro and limited in vivo studies on the biological effects of carbon-based films have been studied [$2{\sim}5$].The carbon-based films have great potentials in many fields. However, a few technological issues for carbon-based film are still needed to be studied to improve the applicability. Aisenberg and Chabot [3] firstly prepared an amorphous carbon film on substrates remained at room temperature using a beam of carbon ions produced using argon plasma. Spencer et al. [4] had subsequently developed this field. Many deposition techniques for DLC films have been developed to increase the fraction of sp3 bonding in the films. The a-C films have been prepared by a variety of deposition methods such as ion plating, DC or RF sputtering, RF or DC plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), electron cyclotron resonance chemical vapor deposition (ECR-CVD), ion implantation, ablation, pulsed laser deposition and cathodic arc deposition, from a variety of carbon target or gaseous sources materials [5]. Sputtering is the most common deposition method for a-C film. Deposited films by these plasma methods, such as plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) [6], are ranged into the interior of the triangle. Application fields of DLC films investigated from papers. Many papers purposed to apply for tribology due to the carbon-based films of low friction and wear resistance. Figure 1 shows the percentage of DLC research interest for application field. The biggest portion is tribology field. It is occupied 57%. Second, biomedical field hold 14%. Nowadays, biomedical field is took notice in many countries and significantly increased the research papers. DLC films actually applied to many industries in 2005 as shown figure 2. The most applied fields are mold and machinery industries. It took over 50%. The automobile industry is more and more increase application parts. In the near future, automobile industry is expected a big market for DLC coating. Figure 1 Research interests of carbon-based filmsFigure 2 Demand ratio of DLC coating for industry in 2005. In this presentation, I will introduce a trend of carbon-based coating research and applications.