[논문]버팀보지지 가시설구조물의 이산화 최적설계

박순응; 박문호; 김진규

버팀보지지 가시설구조물의 이산화 최적설계
Discrete Optimum Design of the Strut Supported Temporary Structures 원문보기

한국산업응용학회 논문집 = Journal of The Korean Society of Industrial Application, v.11 no.3, 2008년, pp.127 - 134

박순응 (영남이공대학 토목과) , 박문호 (경북대학교 토목공학과) , 김진규 (영남이공대학 토목과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is to develop the structure analysis and optimization algorithm of the strut supported temporary structure for underground constructions. Developed algorithm performs the analysis and the optimization of each strut, wale, and H pile of temporary structures separately. The design variables of nonlinear optimization consist of the cross-sections of temporary structures such as strut, wale, and H pile and the solution of the nonlinear programming is searched using for the method of successive unconstranint minimization technique. The weight of the structure is used for the object function of nonlinear programming. the constraints are derived from the specification of the temporary structures as compressive axial, bending, shear, composite stress and serviceability. The structural analysis is performed based on the elastoplastic beam theory. This developed program can be used to evaluate the applicability, convergence, and effectiveness of the temporary structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1. 본 연구에서는 버팀보 지지방식의 H형강 형태가시설구조물을 탄소성법으로 해석하고 최적단면으로 설계할 수 있는 자동화된 이산화 최적 설계 프로그램을 개발하여 제시하였다.
본 연구에서는 EXCAD을 사용하여 대구지하철 2호선 가시설구조물의 건설공사 구간에 대하여 굴착단계별 해석을 수행하였으며, 다단계 동적계획법에 의한 지하철 가시설구조물의 최적설계 프로그램을 개발하고 단면 최적화를 실시하여 현재 가시설구조물의 단면과 비교·검토하였다.

가설 설정

본 연구에서 지하철 2호선의 버팀보 지지방식 지하철 가시설구조물의 해석 및 최적설계의 결과를 중심으로 고찰하면 다음과 같다. 최적설계 프로그램의 흐름도에서 언급한 바와 같이 각 설계변수의 초기 값을 가정하여야 하는데, 가정한 설계변수의 초기 값은 지하철 가시설구조물에 널리 사용되고 있는 H-형강의 표준단면 형상을 적용하였다.
토층의 종류는 8개로 이루어져 있으며 내부 마찰각 및 점착력 등은 토층에 따라 각각 30～40° 와 0～44.5t/㎡의 값을 가지며 길이에 따라서 일정한 값을 가지는 것으로 가정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 지하철 가시설구조물의 강재의 중량을 목적함수로 사용하였으며, 제약조건식는 지하철 설계기준을 기준으로 하여 축 압축응력, 휨응력, 전단응력, 합성응력등의 제약조건과 단면형상에 대한 사용성등을 적용하여 최적화문제를 형성하였다. H형강의 이산화 최적 설계를 위한 다단계 동적계획법의 최적화 알고 H형강의 경우 설계변수에 해당하는 단면의 치수들(b_f, t_f, t_w, d )을 이산화된 범위내에서 최적화 기법으로 최적설계 단면을 결정하도록 하였다. H형강의 단면구성은 Fig.
가시설구조물의 최적설계는 각 부재의 구조 해석결과 발생하는 최대단면력을 기준으로 수행되었다. 지하철 2호선 가시설구조물의 최적설계를 수행하여 기존설계과 비교한 결과 H형강의 중량인 목적함수는 7회의 다단계 반복수행을 거쳐 수렴하는 것으로 나타났으며 엄지말뚝의 경우는 기존설계의 중량은 Table 4에 나타나듯이 7370.
버팀보 지지방식의 지하철 가시설구조물의 단면형상을 고려하여 최적설계를 실시하고 본 논문에서 개발된 최적설계 알고리즘을 검증하기 위해 실제 대구지하철 2호선 가시설구조물의 단면형상과 비교 · 검토하였다.
본 논문에서는 지하철 가시설구조물의 강재의 중량을 목적함수로 사용하였으며, 제약조건식는 지하철 설계기준을 기준으로 하여 축 압축응력, 휨응력, 전단응력, 합성응력등의 제약조건과 단면형상에 대한 사용성등을 적용하여 최적화문제를 형성하였다. H형강의 이산화 최적 설계를 위한 다단계 동적계획법의 최적화 알고 H형강의 경우 설계변수에 해당하는 단면의 치수들(b_f, t_f, t_w, d )을 이산화된 범위내에서 최적화 기법으로 최적설계 단면을 결정하도록 하였다.
본 연구에서는 실제 대구 지하철 2호선³⁾ 건설공사를 기준으로 하여 지반굴착에 따른 토류 구조물의 응력해석 및 설계 프로그램인 EXCAD⁴⁾로 구조해석을 수행하여 지하철 가시설구조물의 설계기준을 기준으로 하여 H형강단면설계의 다제약 다설계변수를 갖는 가시설 구조물의 최적화를 위해 각 부재별로 최적화를 실시하여 부재를 모두 조합하여 전체 구조물이 최소중량의 최적설계가 되도록 하고, 이 부재별 단면을 이용하여 반복 구조해석을 수행하여 다음 단계의 부재별 최적화를 실시하여 반복과정에 의하여 최종 최적 설계변수를 결정하는 다단계 동적계획법⁵⁾을 적용하였다.
최적화를 위한 목적함수로 전체 구조물이 최소중량의 설계가 되도록 하기 위해 강재의 중량만을 고려한 중량함수를 사용하였으며, 가시설 구조물의 목적함수는 다음식과 같다.

대상 데이터

본 연구의 대상지역인 대구광역시 지하철 2호선의 지하철 가시설구조물의 해석을 수행하여 결과를 고찰하였다. 흙막이 벽과 같은 지반 구조물의 해석에 있어서는 해석대상 구조물의 기하학적 조건 및 물성치 뿐만 아니라 구조물이 위치한 지반의 기하학적 조건 및 물성치에 대한 정확한 입력이 중요하다.

성능/효과

2. 최적설계 프로그램을 이용하여 국내에서 생산되는 H형강의 단면최적설계를 수행한 결과 기존에 설계된 H형강의 중량보다 약 9%정도 경제적인 단면으로 설계되어진다. 그러므로 본 연구에서 개발한 최적설계 프로그램을 이용하여 버팀보 지지방식의 가시설구조물을 설계하면 구조적으로 안정하고 경제적인 설계를 수행할 수 있다고 판단된다.
최적설계 프로그램을 이용하여 국내에서 생산되는 H형강의 단면최적설계를 수행한 결과 기존에 설계된 H형강의 중량보다 약 9%정도 경제적인 단면으로 설계되어진다. 그러므로 본 연구에서 개발한 최적설계 프로그램을 이용하여 버팀보 지지방식의 가시설구조물을 설계하면 구조적으로 안정하고 경제적인 설계를 수행할 수 있다고 판단된다.
또한, 띠장의 경우는 기존설계와 최적설계의 중량은 609kg와 535.6kg으로 Table 6에 나타나 있으며 기존설계와 비교하면 약 12%의 경제적인 것으로 나타났으며, 엄지말뚝이나 버팀보에 비하여 더 경제적인 것으로 나타났다.
본 연구에서 각 단계별 굴착을 수행한 결과 수평변위량의 최대치는 12단계인 굴착깊이 23 .57m의 부근에서 약 1cm 발생함을 알 수 있었다.
이 결과는 두부의 허용값 3cm의 범위내에 있으므로 수평변위에 대해서 안전한 것으로 판단되었다. 12단계를 제외한 전 단계에서는 거의 수평변위가 발생되지 않는 양상을 보였다.
가시설구조물의 최적설계는 각 부재의 구조 해석결과 발생하는 최대단면력을 기준으로 수행되었다. 지하철 2호선 가시설구조물의 최적설계를 수행하여 기존설계과 비교한 결과 H형강의 중량인 목적함수는 7회의 다단계 반복수행을 거쳐 수렴하는 것으로 나타났으며 엄지말뚝의 경우는 기존설계의 중량은 Table 4에 나타나듯이 7370.9kg인 반면에 최적설계을 수행한 결과는 6663.33kg으로 약 10%의 경제적인 설계을 나타내고 있으며, 버팀보의 경우는 기존설계와 최적설계의 중량은 Table 5 에 나타냈으며 각각 14067kg과 12919.8kg으로 약9%의 경제적인 것으로 나타났다.
탄소성보법 구조모델링을 적용하므로써 보다 정밀한 구조해석이 가능하였으며 구조물의 정확한 거동을 파악할 수 있었다.

후속연구

3. 본 연구에서 제안한 최적설계 프로그램을 이용하여 버팀보 지지방식의 가시설구조물을 설계하면 안전성과 경제성이 고려된 Guide Line이 최적의 이산화상태 결과를 제시하며 실 설계자들은 최적설계 결과를 고려하여 구조물의 중요도와 지반상태에 따라 규격제품의 구조재들을 합리적으로 상향조정하여 보다 안전성 있는 구조물의 설계가 가능하리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	버팀보 지지방식 지하철 가시설구조물의 해석 및 최적설계의 결과는?	1. 본 연구에서는 버팀보 지지방식의 H형강 형태가시설구조물을 탄소성법으로 해석하고 최적단면으로 설계할 수 있는 자동화된 이산화 최적 설계 프로그램을 개발하여 제시하였다. 2. 최적설계 프로그램을 이용하여 국내에서 생산되는 H형강의 단면최적설계를 수행한 결과 기존에 설계된 H형강의 중량보다 약 9%정도 경제적인 단면으로 설계되어진다. 그러므로 본 연구에서 개발한 최적설계 프로그램을 이용하여 버팀보 지지방식의 가시설구조물을 설계하면 구조적으로 안정하고 경제적인 설계를 수행할 수 있다고 판단된다. 3. 본 연구에서 제안한 최적설계 프로그램을 이용 하여 버팀보 지지방식의 가시설구조물을 설계하면 안전성과 경제성이 고려된 Guide Line이 최적의 이산화상태 결과를 제시하며 실 설계자들은 최적설계 결과를 고려하여 구조물의 중요도와 지반상태에 따라 규격제품의 구조재들을 합리적으로 상향조정하여 보다 안전성 있는 구조물의 설계가 가능하리라 판단된다.
	지하 굴착면에서 설치되는 흙막이 구조물 설계시 가장 중요한 것은?	지하 굴착면에서 설치되는 흙막이 구조물 설계시 가장 중요한 요소 중의 하나는 구조물에 작용하는 측방토압이다. 흙막이 구조물에 작용 하는 측방토압은 흙막이 벽체의 변형, 흙막이 벽체와 지반사이의 상호작용에 의하여 결정되므로 지반조건, 굴착 깊이, 벽체의 강성, 구속조건, 시공방법 등과 같은 여러 가지 요인에 의하여 영향을 받는다.
	흙막이 구조물에 작용 하는 측방토압은 무엇에 의해 결정되는가?	지하 굴착면에서 설치되는 흙막이 구조물 설계시 가장 중요한 요소 중의 하나는 구조물에 작용하는 측방토압이다. 흙막이 구조물에 작용 하는 측방토압은 흙막이 벽체의 변형, 흙막이 벽체와 지반사이의 상호작용에 의하여 결정되므로 지반조건, 굴착 깊이, 벽체의 강성, 구속조건, 시공방법 등과 같은 여러 가지 요인에 의하여 영향을 받는다. 연성벽체인 토류벽의 경우, 변위의 형태와 지반의 조건에 따라 변하는 토압을 산정하기 위하여 Terzaghi -Peck1)(1967) 및 Tschebotarioff2)(1973) 등에 의해 산정된 토압분포선과 Winkler이론을 적용한 탄소성해석 방법, 유한요소법에 의한 방법등이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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