• Smart Structures and Systems
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• 제33권2호
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• pp.165-175
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• 2024

Rotating beams play a crucial role in representing complex mechanical components that are prevalent in vital sectors like energy and transportation industries. These components are susceptible to the initiation and propagation of cracks, posing a substantial risk to their structural integrity. This study presents a two-stage methodology for detecting the location and estimating the size of an open-edge transverse crack in a rotating Euler-Bernoulli beam with a uniform cross-section. Understanding the dynamic behavior of beams is vital for the effective design and evaluation of their operational performance. In this regard, modal parameters such as natural frequencies and eigenmodes are frequently employed to detect and identify damages in mechanical components. In this instance, the Frobenius method has been employed to determine the first two natural frequencies and corresponding eigenmodes associated with flapwise bending vibration. These calculations have been performed by solving the governing differential equation that describes the motion of the beam. Various parameters have been considered, such as rotational speed, beam slenderness, hub radius, and crack size and location. The effect of the crack has been replaced by a rotational spring whose stiffness represents the increase in local flexibility as a result of the damage presence. In the initial phase of the proposed methodology, a damage index utilizing the slope of the beam's eigenmode has been employed to estimate the location of the crack. After detecting the presence of damage, the size of the crack is determined using a Genetic Algorithm optimization technique. The ultimate goal of the proposed methodology is to enable the development of more suitable and reliable maintenance plans.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제34권6호
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• pp.1229-1238
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• 2024

This study aimed to develop and assess a chitosan biomedical antibacterial gel ZincOxide-GrapheneOxide/Chitosan/β-Glycerophosphate (ZnO-GO/CS/β-GP) loaded with nano-zinc oxide (ZnO) and graphene oxide (GO), known for its potent antibacterial properties, biocompatibility, and sustained drug release. ZnO nanoparticles (ZnO-NPs) were modified and integrated with GO sheets to create 1% and 3% ZnO-GO/CS/β-GP thermo-sensitive hydrogels based on ZnO-GO to Chitosan (CS) mass ratio. Gelation time, pH, structural changes, and microscopic morphology were evaluated. The hydrogel's antibacterial efficacy against Porphyromonas gingivalis, biofilm biomass, and metabolic activity was examined alongside its impact (MC3T3-e1). The findings of this study revealed that both hydrogel formulations exhibited temperature sensitivity, maintaining a neutral pH. The ZnO-GO/CS/β-GP formulation effectively inhibited P. gingivalis bacterial activity and biofilm formation, with a 3% ZnO-GO/CS/β-GP antibacterial rate approaching 100%. MC3T3-e1 cells displayed good biocompatibility when cultured in the hydrogel extract.The ZnO-GO/CS/β-GP thermo-sensitive hydrogel demonstrates favorable physical and chemical properties, effectively preventing P. gingivalis biofilm formation. It exhibits promising biocompatibility, suggesting its potential as an adjuvant therapy for managing and preventing peri-implantitis, subject to further clinical investigations.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제27권6호
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• pp.152-161
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• 2023

일반적으로 대용량의 수소를 저장하기 위해 사용되는 수직형 원통 용기는 강재로 제작되며, 사용 환경을 고려하여 제작된 받침 콘크리트 상부에 기초 슬래브에 선 설치된 앵커로 고정하는 방식이 사용된다. 이와 같은 방식은 지진과 같은 외력이 작용될 시 정착부에 응력이 집중될 수 있으며, 앵커 및 콘크리트 손상으로 인한 구조물의 전도 피해가 발생할 수 있다. 본 연구는 현장 조사를 통한 실제 운용중인 수직형 수소 저장용기를 특정하여 3차원 유한요소로 모델링하였고, 비 구조 요소의 내진 성능 검토에 사용되는 ICC - ES AC 156의 인공 지진 및 규모 5.0 이상의 국내 기록지진을 적용하여 거동 특성을 분석하였다. 실제 규모로 제작된 구조물을 대상으로 실험을 진행하는 것이 타당하지만 현실적 제약으로 수행하기에 어려움이 있어 해석적 접근 방식을 통하여 대상 구조물의 안전성을 검토하였다. 거동 특성의 경우 지진동에 의해 발생된 구조물의 응답 가속도는 검토되는 지진 하중 대비 평균적으로 10 배 이상 크게 증폭이 되는 것으로 나타났으며, 무게 중심이 위치되는 지점으로 전달될수록 감소되는 경향을 보였다. 취약 부위로 예상되는 하부 시스템(지지 기둥 및 앵커 정착부)의 경우 허용 응력을 만족하는 것으로 나타났지만, 정착을 위한 받침 콘크리트의 쪼갬 및 인장 강도는 허용 응력 대비 약 5 % 정도의 여유만이 있어 이에 대한 대처 방안이 요구된다. 본 논문에서 제시된 연구 결과를 바탕으로 향후 진동대 시험을 통하여 수행이 되는 수소저장 용기 제작에 필요한 설계 하중 및 조건 등의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제17권3호
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• pp.1-9
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• 2013

본 연구에서는 강섬유와 FRP 시트에 의한 충격 저항성능 향상 효과를 평가하기 위하여 고속 충격하중을 받는 2방향 RC 슬래브에 대한 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석 프로그램으로는 충격해석에 탁월하다고 알려진 LS-DYNA를 사용하였으며, 실험결과와의 비교를 위하여 핀란드 VTT 연구소에서 수행한 고속 충격 실험과 동일한 조건으로 해석을 수행하였다. $2100{\times}2100{\times}250$ mm의 RC 슬래브에 강 (steel)발사체를 통해 충격하중을 가하였으며 발사체의 무게는 47.5kg, 속도는 134.9m/s였다. 본 연구에서는 별도의 재료부재에 대한 충격실험을 통해 해석에 사용할 재료 모델을 검증하였다. 본 해석에서는 SFRC의 비선형적 연화 현상을 모사하기 위해 elastic-plastic hydro model을 적용하였으며, 보통콘크리트와 FRP의 재료모델을 모사하기 위해서 concrete damage model과 orthotropic elastic model을 각각 사용하였다. 해석 결과, 제안된 해석 기법은 충분한 신뢰성을 가지고 있으며, 보강 재료와 보강 기법의 유효성을 평가하는데 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 강섬유와 FRP Sheets 보강방법은 고속충격하중에서 우수한 충격 저항 성능을 보여주는 것을 확인하였다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제17권3호
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• pp.65-73
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• 2013

최근 콘크리트 구조물의 보강방법으로 FRP (Fiber Reinforced Polymer)를 이용한 외부부착보강공법이 많이 활용되고 있다. FRP 외부 부착보강은 중량에 비하여 높은 강도 및 강성, 우수한 내구성과 시공성 등 여러 가지 장점을 가지는 공법이다. 그러나 외부부착보강은 구조물이 투수성이 낮은 보강재로 밀폐되고 수분이 외부로 배출되지 못함으로 인하여, 장기적인 구조물의 손상을 발생시키는 문제점이 있다. 본 연구에서는 계면의 수분을 적절하게 배출할 수 있는 GFRP 보강재를 개발하고 투수성능을 측정하는데 주목적을 두고 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 기존에 많이 사용되고 있는 보강공법을 투수가능한 구조로 변형하고 GFRP 함량을 변수로 보강재의 투수과정을 모사하는 실내 투수시험을 수행하여 보강재의 투수계수를 측정하였다. 또한 보강재의 투수과정에 대한 수치해석을 수행하여 측정된 투수계수 값을 이론적으로 검증하고자 하였다. 그 결과 섬유 함량중 75%의 섬유 함량에서 가장 많은 0.5129 $g/h\;m^2$의 수분이 배출되었으며, 인장강도 역시 75%였을 때 최대인장강도인 4,76.6MPa를 나타내어 75% 유리섬유 함량의 COSREM GP패널이 통기성 및 구조적으로 가장 우수한 것으로 나타났다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제24권6호
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• pp.715-722
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• 2011

본 논문에서는 항공기 충돌에 의한 원전 격납건물의 거동을 병렬해석을 통해 수행하였다. 지금까지의 원전 격납건물에 대한 항공기 충돌관련 연구는 항공기의 경우, Riera의 충격하중-시간함수를 이상화하여 대상 구조체의 일정영역에 대해 충격하중으로 적용하는 방법을 사용해 왔고 충돌대상 구조체의 경우, 단순 철근콘크리트 벽체나 빌딩에 머물러 왔다. 하지만 본 논문에서는 항공기(Boeing-767, http://www.boeing.com)와 가상의 원전 격납건물을 실제와 유사하게 모델링하여 해석을 수행하였으며, 항공기모델은 충돌평가 가이드인 NEI 07-13(2009)에서 허용하는 Riera의 식에 따른 충돌하중이력곡선과 비교하는 방법으로 검증되었다. 또한, 일반적으로 고속 충돌해석은 짧은 시간동안 두 개 이상의 물체가 접촉하고 동적 대변형을 일으키는 비선형성이 강한 문제로 많은 계산시간이 요구되기 때문에 이를 효과적으로 다루기 위해서는 단일 CPU만으로는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 해석의 효율성을 향상시키기 위해 자체 구축한 리눅스 클러스터 시스템을 이용하여 Message-Passing MIMD 형태의 병렬해석을 수행하였고 병렬성능에 대한 평가를 위해 무근콘크리트(Plain Concrete, PC), 철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC), 내부 Liner Plate를 부착한 철근콘크리트(RC with Containment Liner Plate, CLP), SC구조(Steel-Plate Concrete, SC)등 4가지 경우에 대한 수치해석 효율성이 비교 검토되었다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제19권4호
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• pp.543-550
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• 2018

4차 산업혁명의 도래와 함께 빠른 속도로 발전하고 있는 IoT 기술은 다양한 센서의 무선화를 가능하게 하였으며 많은 분야에서 응용연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 철도현장의 경우 수 km에 이르는 교량, 터널 등 계측사이트의 규모가 매우 방대한 특징으로 인해, 보편적으로 활용되는 전기식 센서의 경우 원거리 계측으로 인한 신호 잡음 문제, 전철화에 따른 고전압 환경에 기인한 전자기파 간섭 문제로 계측에 어려움이 있다. 이를 극복하고자, 전기식 센서를 대체하기 위한 광섬유 센서 연구가 많이 수행되었으나, 센서 종류의 다양성 부족 등이 현장 적용의 한계로 작용하고 있는 실정이다. 이런 현장의 상황을 토대로, 전기식 센서와 광섬유 센서를 동시에 사용할 수 있으며 IoT 기술을 통해 무선 데이터 통신이 가능한 하이브리드 계측시스템이 개발되었다. 본 연구에서는, 선행연구를 통해 개발된 하이브리드 계측시스템의 다양한 계측현장 적용성을 평가하기 위해 4가지 형태의 계측환경을 모사하여 실시간 계측 실험을 수행하였다. 실험결과, 전기식 및 광학식 센서 모두 높은 추종성을 보이며 원격지에서 실시간으로 계측이 가능하였으며, 본 계측시스템이 50개의 센서를 동시에 2.5kHz의 샘플링으로 계측할 경우에도 적용 가능한 수준임을 확인하였다. 향후, IoT 기반 하이브리드 계측시스템의 다양한 현장 적용을 통해 실시간 건전성 모니터링 기술 기반의 구조안전성 향상에 기여할 것으로 기대한다.

• 콘크리트학회논문집
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• 제29권3호
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• pp.237-248
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• 2017

각종 사고 및 테러로 인한 폭발, 충돌, 화재 사고가 발생함에 따라 사회적인 안전 불감증이 더욱 고조되고 있으나, 실제 극한하중에 대한 구조물의 방호 설계가 반영되지 못하고 있는 실정이다. 특히, 원전격납구조물, 가스탱크 등과 같은 주요 시설물에 적용되고 있는 2방향 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 구조물에 대한 폭발, 그리고 폭발로 인한 2차적으로 발생 가능한 화재에 대한 연구가 미흡함에 따라 복합손상 시나리오에 대한 구조물의 검토가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 폭발 후 화재하중 복합손상을 분석하기 위하여 $1,400mm{\times}1,000mm{\times}300mm$의 2방향 비부착 프리스트레스트 콘크리트를 제작하여, 폭발하중은 ANFO 25 kg의 장약량을 1.0 m 이격거리로 실험을 구성하고, 화재하중은 5분 이내에 $1,200^{\circ}C$의 화재하중을 가할 수 있는 RABT 화재시나리오를 적용하여 극한저항성능을 검토하였다. 본 연구는 향후 국내외 프리스트레스트 콘크리트에 대한 방호설계 및 폭발해석 등 관련 연구분야의 중요한 자료가 될 것이라 판단된다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제29권5호
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• pp.397-403
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• 2016

1970년대 이후 한국의 빠른 경제성장 동안에 수로나 철도 등 많은 지중구조물들이 건설되었다. 1988년에 내진설계가 의무화되었으나, 1988년 이전의 지중 구조물들은 내진설계가 반영되지 않았다. 따라서, 이러한 지중 구조물들은 지진이 일어났을 때 안전성을 확보하기 위해 효과적인 내진 보강방법이 필요하다. 그러한 이유로, 본 연구에서는 새롭게 개발된 보강재를 이용한 RC 박스 지중 구조물 우각부 보강공법의 내진성능에 대하여 분석하였다. 이 공법은 박스구조물 우각부에 Pre-flexed member를 설치하여 외력에 저항력을 증대시키는 원리이다. 타당성을 검증하기 위해서 새로이 개발된 보강재와 기존의 보강재를 실험과 유한요소해석으로 비교하였다. 유한요소모델에서 강재의 비선형 모델은 J2 Plasticity Model을 기초로 하고 콘크리트는 CEB-FIP MODEL CODE 1990로 모델링되었다. 또한, 설계반영을 위한 박스 구조물과 보강재와의 합성률을 산정하였다. 보강재와 박스구조물은 Tie에 의해 완전 부착된 상태의 연결조건 하에서 해석이 수행되었으며, 하중-변위곡선에서 실험과 유한요소해석의 결과가 서로 일치하였다.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제41권4호
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• pp.337-344
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• 2017

환경 문제로 인해 기존 연료를 대체하는 천연가스의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 액화천연가스 운반선의 화물창이 거대화되면서 화물창 내의 슬로싱 하중이 증가하게 된다. 액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽은 액화천연가스와 직접적으로 접촉하고 있으며 슬로싱 하중 및 액화천연가스의 자중을 받는다. 슬로싱 하중에 의해 다양한 범위의 하중이 1차 방벽에 지속적으로 작용하며 이로 인해 피로 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Mark-III 타입의 1차 방벽을 포함한 단열시스템을 유한요소 모델로 구성하였으며 1차 방벽에 대해 피로수명을 평가하여 피로 특성을 확인하였다. 수치해석을 통해 주응력 범위 및 최대 주응력이 발생하는 위치를 계산하였으며 이를 통해 1차 방벽의 피로수명을 수치적으로 평가하였다. 또한, 다양한 단열시스템 타입에 대해 모델링을 실시하였으며, 피로수명 평가 결과를 통해 1차 방벽의 피로 파괴 안전성을 확보하는 최적의 단열시스템에 대해 제안하였다. 본 연구의 결과는 Mark-III 타입 1차 방벽의 피로 기반 설계에 있어 활용가치가 있을 것으로 판단된다.