구조물의 파괴안전성과 남은 수명평가기술

김일성종합대학 력학부 윤금철 ,   2020.11.20.

경애하는 최고령도자 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《대학에서는 사회주의강국건설에서 나서는 리론실천적, 과학기술적문제들을 원만히 해결하며 기초과학부문을 발전시키고 첨단과학기술분야를 개척하는데 중심을 두고 과학연구사업을 진행하여야 합니다.》

건설된지 오래된 야외구조물들은 온도변화와 비바람, 지진, 설계짐과 같은 여러가지 외부힘의 작용을 오랜 기간 받는 과정에 겉면이나 내부에 손상이나 흠집, 균렬들이 발생되게 된다.

피로짐과 충격짐, 포복짐을 받는 구조물에서 손상이나 균렬에 의해 그 파괴안전성이 시공초기에 비하여 현저히 약해지며 이에 대한 정확한 평가를 진행하고 대책을 취하지 않으면 상상하지 못하였던 파국적후과를 초래할수도 있다.

그러므로 이러한 구조물들을 종합점검하고 파괴안전성과 남은 수명을 정확히 평가하며 보강대책을 세워 구조물을 영구보존하거나 수명을 늘이는것은 매우 중요한 문제로 나선다.

세계적으로 건설된지 오래된 대형구조물들에 대하여서는 첨단측정설비들을 리용하여 주기적인 종합점검을 진행하여 구조물의 일상태를 평가하고 균렬이나 내부흠집들의 존재를 검사하고있다. 다음 여러가지 짐작용에 의해 발생한 균렬이나 손상을 가진 구조물들의 파괴안전성을 모의해석을 통하여 평가하기 위하여 해당 부문의 과학자, 기술자들이 손상된 재료에 대한 세기리론과 억세기리론, 파괴해석리론, 리산균렬리론, 다중척도해석리론들을 적용하고있다. 이러한 선진과학리론들에 기초한 해석과 모의를 진행한 다음 구조물들의 파괴안전성을 담보할수 있는 대책을 취하고있다.

김일성종합대학 력학부에서는 지난 시기 콩크리트와 암석과 같은 준취성재료와 복합재료로 이루어진 구조물들에서 균렬성장과정과 파괴특성량들을 정확히 결정하여 남은 수명을 평가하는데서 나서는 리론과 모의방법에 관한 연구사업을 진행하여 성과를 거두었다.

흠집이나 균렬이 존재하는 구조물의 파괴수명의 예측은 해석적결과를 얻기 어려운데로부터 수치모의기술이 많이 리용되고있다. 일반적인 유한요소법으로는 파괴과정을 예측할수 있는 풀이를 얻지 못한다는데로부터 유한요소법을 개선하기 위한 많은 연구들이 진행되였으며 그 과정에 수많은 계산력학적모형들과 모의수법들이 새롭게 개발되였다. 그러나 아직까지도 여러가지 파괴형태들을 모두 정확히 반영하면서도 최대짐과 균렬경로, 파괴기전을 정확히 예측할수 있는 완성된 모형은 제기되지 못하고있다.

우리는 계산력학적방법으로 구조물의 파괴특성을 정확히 평가하기 위하여 손상력학에 기초하여 준정적짐하에서 여러 구조물들의 파괴과정을 모의할수 있는 모형들을 새롭게 구성하고 균렬추적부와 결합하는 방법론을 확립하였으며 론문 《쐐기방향파라메터도입에 기초한 준정력학적짐을 받는 섬유보강수지복합재료의 손상모형》(A damage model based on the introduction of a chock direction parameter for FRP composites under quasi-static load, 184, 388-399)을 비롯하여 그 연구성과들을 SCI급 국제학술잡지들에 발표하였다.

균렬방향파라메터를 손상력학모형에 도입한 새로운 모형을 제기하였으며 자체경로수정능력을 가진 2차원균렬추적알고리듬을 개발하였다.

또한 균렬면리산화에 기초한 3차원균렬추적알고리듬을 개발하고 비등방성손상력학모형과 부착구역모형을 결합한 모형도 새롭게 제기하였다.

이러한 연구성과들에 기초하여 우리는 지금까지 ABAQUS나 ANSYS에 내장되여있는 손상력학에 의한 파괴해석모듈들보다 훨씬 성능이 높은 모듈들을 2차개발하는 성과를 거두었다.

현재 리산요소법에 의한 구조물의 파괴안전성과 남은 수명평가를 위한 계산방법론을 확립하기 위하여 불련속삽입법과 확장유한요소법, 상마당법, 무요소립자법들의 우결함들을 파악하기 위한 연구사업과 보다 높은 정확도를 가진 파괴해석코드들을 2차개발하기 위한 연구사업을 힘있게 벌리고있다.

또한 외부짐에 의한 변형자료로부터 내부의 손상과 균렬상태를 예측하여 균렬검사를 진행하기 불가능한 조건에서도 재료의 파괴수명을 정확히 평가하기 위한 기초연구를 진행하고있다.

제품개발단계에서 제품의 파괴수명을 모의실험으로 평가하는 방법을 확립하고 파괴성능측정실험의 대부분을 모의실험으로 대신할수 있게 함으로써 제품개발원가를 줄이기 위한 파괴모의실험체계의 구축하기 위한 첨단연구사업도 진행하고있다.

이러한 연구는 세계적으로 가장 앞선 수준의 파괴해석체계를 개발하여 많은 공학해석프로그람들에 내장되여있는 파괴해석체계들이 안고있는 부족점을 퇴치한 체계를 개발할수 있게 하므로 그 성과가 기대된다.

또한 구조물의 파괴수명을 정확히 예측하는 문제 특히 야외에 존재하는 오래된 대형구조물들의 파괴안전성과 남은 수명을 정확히 평가하는 문제는 그러한 구조물들의 파괴로부터 발생할수 있는 위험성을 줄이는데서 기초적으로 해결해야 할 선차적인 문제인것으로 하여 앞으로 이 분야의 연구에서 큰 성과가 이룩될것이 기대된다.