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타원형 및 볼트복합형 스페이스 프레임 구조물의 형상 생성 및 최적화 방안
Shape Generation and Optimization Technique of Space Frame Structures with Ellipse and Vault Complex Type 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.10 no.4, 2010년, pp.113 - 122  

김호수 (청주대학교 건축공학과) ,  박영신 (청주대학교 건축공학과)

초록
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대공간 스페이스 프레임 구조물은 구조물의 목적 및 설계자의 의도와 함께 다양한 형상으로 구성될 수 있으며, 다양한 구조물 형식에 적용될 수 있다. 그러나 이러한 대공간 스페이스 프레임 구조물의 최적의 부재크기나 형상은 구조 엔지니어의 경험과 반복적인 해석 그리고 시행착오적인 방법 때문에 그 결정이 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 설계자가 구조물의 최적 형상을 선택할 수 있는 방안을 제시하기 위해 먼저 타원형 및 볼트복합형과 같은 다양한 유형의 스페이스 프레임 구조물이 선정되며, 절점, 좌표 및 부재 생성을 위한 형상생성방법이 고려된다. 또한 스페이스 프레임 구조의 최적설계 절차에서 각 절점 좌표는 높이 변화나 링의 개수에 따라 변하게 되므로 최적설계 과정에서 절점파 부재의 자동생성기법이 적용된다. 다음으로 형상생성방법을 기반으로 한 형상생성모듈은 구조물의 최적화 단계에 앞서 설계자가 원하는 형상을 생성해주는 모듈이며, 최적화 단계에서는 해석 모듈과 최적화모듈이 연계된다. 마지막으로 예제 모델을 통해 형상생성방안 및 최적설계 방안의 효율성을 검토한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Space frame structures are included in the large spatial structures and can adopt various structure types. But, it is not easy to choose the optimal member size and shape because it depends on the structural engineer's experience and the repeated trial and error. Therefore, in this study, the final ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 2장에서 제시된 형상결정원리와 이에 대한 최적 모듈을 통해 스페이스 프레임 구조물의 최적 형상을 검토하고자 한다. 이를 위해 전체 가로 길이 100m, 세로 길이 50m 높이 15m를 갖는 타원형돔 및 볼트복합형의 예제모델이 고려되었으며, 부재의 그룹화에 따른 최적설계의 효율성과 높이 변화에 따른 최적 중랑을 비교하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 타원형 및 볼트복합형을 중심으로 스페이스 프레임의 다양한 형태에 따른 형상생성 원리 및 정식화 방안을 강구하여 각각의 형상들을 체계적으로 모델링할 수 있는 방법을 제안하고 이를 구조해석 및 최적화 단계에 적용하여 최적의 형상을 도출하고자 한다. 이를 위해 먼저 타원형 및 볼트복합형의 다양한 형상의 생성원리를 정식화 과정을 통해 설명하고 이를 최적화 단계에 적용하여 형상생성방안의 효율성을 검토하고자 한다.
  • 이는 구조물의 전체 중량이 단면의 크기 뿐만 아니라 설계변수로 적용된 구조물의 높이 변화시 동시에 변하는 부재 길이에 영향을 받으며, 이 때 그룹핑 방법 및 단면 개수에 따라 그리고 응력이 집중되는 위치의 단면 크기 변화에 영향을 받는 것으로 판단된다. 연구에서는 부재 그룹핑시 링재와 사재로 구분하여 그룹화하였는데 최적설계시 최적의 중량절감효과를 가져오기 위해서는 구조물의 형태와 함께 부재의 그룹핑 방법 및 그룹핑 개수를 고려할 필요가 있음을 알 수 있다.
  • 본 연구에서는 타원형 및 볼트복합형 스페이스 프레임 구조물을 중심으로 다양한 형태에 따른 형상생성 원리 및 정식화 방안을 강구하여 각각의 형상들을 체계적으로 모델링할 수 있는 방법을 제안하였으며 이를 구조해석 및 최적화 단계에 적용하여 최적의 형상을 도출하기 위해 타원형돔 및 볼트복합형 예제 모델에 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 본 연구에서는 타원형 및 볼트복합형 스페이스 프레임에 대한 형상결정원리를 정식화하고 이를 최적화 단계에 적용함으로써 형상최적화를 구현하고자 한다. 이를 위해 기존의 연구mm를 바탕으로 원형 돔 형태를 발전시켜 타원형 및 볼트복합형을 결정하는 형상결정 요소를[표 1]과 같이 표현하였으며, 이에 따른 여러 유형의 형태는[그림 1]과 같다.

가설 설정

  • 또한 부재의 접합부 조건은 plate connector로 가정하여 유효좌굴길이계수 K값은 1.0으로 하였고 지점 조건의 경우 최하부 링에서 힌지지점으로 가정하였다. 초기부재는 KS규격D에서 주어진 SS400 원형 강관 P-190.
  • 적용하중은 볼트복합형의 구조 중 볼트 부분에 수직하중 2.5 kN/m? 을 받는 것으로 가정하였다. 초기부재는 타원형 구조물과 같은 SS顺 원형 강관 P-190.
  • 5 부재로 설정하였는데, 본 연구에서는 최적화에 미치는 각 설계변수의 영향을 또 다른 각도에서 살펴보기 위해 초기값을 과대설정하는 대신 작은 값으로 정하였다. 최적설계의 효율성을 검증하기 위해 적용하중은 최상부 1번 절점에 수직 하중 500kN을 받는 것으로 가정하였다. 목적함수는 전체 구조물의 중량 설계변수는 타원형의 형상 결정요소 중 높이와 부재크기를 채택하였다.
  • 여기서 초기 부재 및 접합부 조건은 타원형 적용모델과 같으며 지점 조건의 경우 볼트 부분의 y축 기준 상.2개의외측면과 돔 부분의 외곽부분을 힌지지점으로 가정하였다. 적용하중은 볼트복합형의 구조 중 볼트 부분에 수직하중 2.
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