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[국내논문] Heuristic Decision Method를 이용하여 구조물-궤도 종방향 상호작용 및 구조물-차량 상호작용을 고려한 고속철도 교량의 신뢰성 최적설계 기법 개발
Development of Reliability-Based Optimum Design of High-Speed Railway Bridges Considering Structure-Rail Longitudinal Interaction and Structure-Vehicle Interaction Using Heuristic Decision Method 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.10 no.3, 2010년, pp.31 - 38  

임영록 (경기대 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 교량 구조물-궤도 종방향 상호작용, 교량 구조물-차량 상호작용을 고려한 신뢰성 최적설계 방법을 제안하고, 알고리즘의 개발을 통하여 본 연구에서 제안한 방법의 효율성을 검증하였다. 구조해석 프로그램은 ABAQUS를 사용하였으며, 최적화 방법은 Automated Design Synthesis(ADS)에서 신뢰성면에서 우수한 ALM-BFGS방법을 사용하였다. 일반적으로 ALM-BFGS방법은 최적해 방향을 탐색하는데 있어 1방향 탐색을 하지 않으며 Push-Off Factor 값이 보통 0.1~0.2에서 대부분 수렴하나 본 연구에서는 'Heuristic Decision Method' 의하여 결정된 Push-Off Factor 값이 90일 때 1방향 탐색인 Golden Section Method의 적용이 필요하였으며, 알고리즘이 잘 수렴함을 확인하였다. 구조물-궤도 종방향 상호작용, 구조물-차량의 상호작용에 의한 응답을 제약조건으로 설정하여 단면 설계시 반영될 수 있도록 하였다. 본 연구는 구조물-궤도 종방향 상호작용 및 구조물-차량 상호작용을 고려한 설계기법에 대한 효율성 및 경제성을 증명하기 위하여 5${\times}$(1@50m) 2주형 강합성 거더교에 대한 최적설계를 수행하였으며, 본 연구에서 제안하는 상호작용을 고려하는 설계기법이 기존의 상호작용을 고려하지 않은 설계방법보다 경제적이며 효율적임을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, it is suggested that it has to reliability-based design methodology with respect to bridge structure-rail longitudinal interaction and bridge structure-vehicle interaction. For the structural analysis, commercial package, ABAQUS, are used for a three-dimensional finite element analysi...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 고속철도 교량에서 중요한 기준인 교량/궤도 종방향 상호작용해석 및 교량/차량 상호작용을 동시에 반영하여 효율적인 단면을 결정하는 신뢰성에 기초한 최적설계 방법론을 제안하고자 한다. 또한 교량구조물과 궤도 상호작용을 고려한 신뢰성 기초한 최적설계를 수행하고자 한다.
  • A Van(1992)에 의하여 정립되었으며, 장대레일의 축력계산 프로그램을 개발하였다. 이 연구는 최적설계를 수행함에 있어 교량과 궤도의 상호작용을 고려하기 위하여 교량설계변수 변화에 따른 구조물 물성치의 변화를 반영하지 못하는 1회성 모델링에 제한된 문제점을 안고 있다.
  • 따라서 본 연구에서는 고속철도 교량의 강성 및 처짐 등과 같은 구조안전성 및 진동에 따른 공진발생 등의 사용성 제약조건과 극한 한계상태 및 주행 안정성, 그리고 교량 구조물과 궤도간의 상호작용을 고려한 동특성을 반영한 신뢰성 최적설계 방법을 제안하고자 한다. 특히, 교량 구조물과 궤도의 상호작용을 고려하기 위하여 교량 구조물과 궤도에 대한 모델링 방법 및 동적 특성을 반영한 최적설계 알고리즘을 개발하고, 개발한 알고리즘을 바탕으로 적용 예를 통한 수치해석을 통하여, 본 연구에서 제안한 설계방법이 효율적임을 검증하고자 한다.
  • 따라서 본 연구에서는 고속철도 교량의 강성 및 처짐 등과 같은 구조안전성 및 진동에 따른 공진발생 등의 사용성 제약조건과 극한 한계상태 및 주행 안정성, 그리고 교량 구조물과 궤도간의 상호작용을 고려한 동특성을 반영한 신뢰성 최적설계 방법을 제안하고자 한다. 특히, 교량 구조물과 궤도의 상호작용을 고려하기 위하여 교량 구조물과 궤도에 대한 모델링 방법 및 동적 특성을 반영한 최적설계 알고리즘을 개발하고, 개발한 알고리즘을 바탕으로 적용 예를 통한 수치해석을 통하여, 본 연구에서 제안한 설계방법이 효율적임을 검증하고자 한다. 설계변수로 강합성교의 거더높이 및 플랜지의 두께와 길이, 가로보의 간격을 바탕으로, 시스템 구조계에서의 신뢰성 최적설계를 수행하여 기존설계에 의한 교량의 초기비용 최적설계와 교량구조물과 궤도의 상호작용을 고려한 생애주기비용 최적설계의 결과를 비교/분석하여 본 연구에서 제안하는 교량구조물과 궤도의 상호작용을 고려한 최적설계방법이 기존의 교량구조물과 궤도의 상호작용을 고려하지 않은 설계방법보다 훨씬 경제적이며 효율적인 설계방법임을 입증하고자 한다.
  • 특히, 교량 구조물과 궤도의 상호작용을 고려하기 위하여 교량 구조물과 궤도에 대한 모델링 방법 및 동적 특성을 반영한 최적설계 알고리즘을 개발하고, 개발한 알고리즘을 바탕으로 적용 예를 통한 수치해석을 통하여, 본 연구에서 제안한 설계방법이 효율적임을 검증하고자 한다. 설계변수로 강합성교의 거더높이 및 플랜지의 두께와 길이, 가로보의 간격을 바탕으로, 시스템 구조계에서의 신뢰성 최적설계를 수행하여 기존설계에 의한 교량의 초기비용 최적설계와 교량구조물과 궤도의 상호작용을 고려한 생애주기비용 최적설계의 결과를 비교/분석하여 본 연구에서 제안하는 교량구조물과 궤도의 상호작용을 고려한 최적설계방법이 기존의 교량구조물과 궤도의 상호작용을 고려하지 않은 설계방법보다 훨씬 경제적이며 효율적인 설계방법임을 입증하고자 한다.
  • 최적화 모듈에서 구조해석 부분은 일반적인 구조응답을 얻기 위한 일반적인 구조물 동적해석과 교량-궤도 상호작용을 고려한 시간이력해석부분을 설계변수와 연동시켜 별도로 따로 분리하여 해석하도록 하였다. 이는 최적화 과정 중에 구조해석을 다수 수행하여야 하는데, 구조해석 시간이 상당히 소요되므로 이에 대한 효율성을 고려하고자 별도로 구조해석을 수행하도록 고려하였다. 신뢰성 해석은 RSM을 이용하였으며, 기존의 최적설계에서 적용한 사용성 한계상태와 강도한계상태의 제약조건들과 본 연구에서 제안하는 구조물-궤도 및 구조물-차량 상호작용을 고려한 궤도의 안정성 및 열차 주행의 안정성을 포함할 수 있는 제약조건들을 만족하도록 구성하였다.
  • 2일때 수렴하지 않는 문제점이 발생하였다. 일반적으로 이론적 배경에 근거하여 수렴이 보장된 알고리즘도 경우에 따라서 수렴이 되지 않는 경우가 있으므로 본 연구에서는 경험적으로 결정된 이 값을 변경하면서 알고리즘의 수렴성을 검토하게 되었다. 이에 따라 본 연구에서는 Push-Off Factor값이 상당히 큰 값인 90일 때 수렴하는 것을 확인하였다.
  • 국ㆍ내외적으로 고속철도 건설이 증가하고 있으며, 그에 따른 열차의 주행안정성 및 승객의 승차감 등을 고려한 효율이고 경제적인 고속철도 교량의 설계를 위하여 본 연구에서는 고속철도 교량/궤도 종방향 상호작용 및 교량/차량 상호작용을 고려하여 단면을 결정하는 신뢰성에 기초한 최적설계 방법을 제안하였다. 또한, 5경간 1@50 m 교량에 대하여 기존 설계 방법 및 본 연구에서 제안한 최적설계 방법의 수치해석을 통해, 제안한 알고리즘의 효율성 및 경제성을 검증하였으며 이에 대한 결론은 다음과 같다.
  • 1) 본 연구에서는 고속철도 교량 설계시 교량구조물과 궤도 간의 상호작용을 고려한 신뢰성최적설계 방법을 제안하였다. 제안 방법의 효율성을 입증하기 위한 알고리즘은 교량구조물과 궤도간의 상호작용에 의한 궤도의 응답을 제약조건에 포함한 신뢰성 최적설계를 수행하도록 구현 하였다.
  • 기존설계는 설계 제반 기준만을 만족하면 되는 부분적으로 안전여유가 많은 구조물로 설계가 이루어졌다. 따라서, 본 연구에서는 고속철도 교량에서 중요한 기준인 교량/궤도 종방향 상호작용해석 및 교량/차량 상호작용을 동시에 반영하여 효율적인 단면을 결정하는 신뢰성에 기초한 최적설계 방법론을 제안하고자 한다. 또한 교량구조물과 궤도 상호작용을 고려한 신뢰성 기초한 최적설계를 수행하고자 한다.

가설 설정

  • 레일 축력 및 좌굴 검토를 위한 유한요소 해석 결과는 궤도 축력에 대한 횡방향 변위, 즉 좌굴 영향을 고려하여 그에 따른 축력의 변화를 검토하도록 하고 시동/제동하중에 대한 해석시 차량에 의한 수직하중이 작용한다고 가정하여 일정비율로 도상 저항력이 증가하도록 한다. 또한 교량 하부구조의 강성이 레일 축력에 큰 영향을 미친다는 관점에서 받침 강성, 교각 강성 및 지반강성을 뼈대요소로 직접 모델링하도록 한다.
  • 도상에 의한 종방향 저항력은 침목간격으로 분산되어 작용하지만 일반적으로 레일과 교량 사이에 bi-linear 스프링 요소가 일정한 간격으로 등분포되어 있는 것으로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
M.A Van(1992)에 의하여 정립된 장대레일의 안정성 측면에서 가장 중요한 요소인 축력에 대한 연구의 문제점은 무엇인가? A Van(1992)에 의하여 정립되었으며, 장대레일의 축력계산 프로그램을 개발하였다. 이 연구는 최적설계를 수행함에 있어 교량과 궤도의 상호작용을 고려하기 위하여 교량설계변수 변화에 따른 구조물 물성치의 변화를 반영하지 못하는 1회성 모델링에 제한된 문제점을 안고 있다.
Automated Design Synthesis(ADS)에서 신뢰성이 우수한 최적화 방법은 무엇인가? 본 연구에서는 교량 구조물-궤도 종방향 상호작용, 교량 구조물-차량 상호작용을 고려한 신뢰성 최적설계 방법을 제안하고, 알고리즘의 개발을 통하여 본 연구에서 제안한 방법의 효율성을 검증하였다. 구조해석 프로그램은 ABAQUS를 사용하였으며, 최적화 방법은 Automated Design Synthesis(ADS)에서 신뢰성면에서 우수한 ALM-BFGS방법을 사용하였다. 일반적으로 ALM-BFGS방법은 최적해 방향을 탐색하는데 있어 1방향 탐색을 하지 않으며 Push-Off Factor 값이 보통 0.
구조물-궤도 종방향 상호작용 해석을 위한 장대레일 응력 검토의 목적은 무엇인가? 구조물-궤도 종방향 상호작용 해석을 위한 장대레일 응력 검토는 교량의 안전도를 확보하고 특히 레일의 좌굴안전도를 확인하여 열차 운행시 열차 운행의 안전도를 확보할 수 있도록 하는 것이다. 물론 장대레일의 응력 발생 구조는 장대 레일-구조물간의 상호작용에 의한 것이므로 레일-구조물간의 응력발생에 영향을 끼치는 교량의 상부구조 및 하부구조의 구조적 특성과 기초 및 지반의 특성 등에 따라 장대레일의 종방향 축응력의 크기가 상당히 변화할 수 있다.
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참고문헌 (13)

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  2. Cho, H. N., and Lee, K. M., Choi, Y. M. (2004) "Life-Cycle Cost Effective Optimum Design of Steel Bridges", Journal of constructional Steel Research, Vol. 60, No. 11, 1585-1613. 

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  6. KHRC (1994) Bridge design manual. 

  7. Mori, Y., and Ellingwood, B.R. (1994) "Maintaining Reliability of Concrete Structures. I: Role of Inspection/Repair", Journal of Structural Engineering, Vol. 120, No. 3, March 1994, pp.824- 845. 

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  9. Van, M.A. (1998) "Stability of Continuous Welded Rail Track", Delft Geotechnics. 

  10. Vanderplaats, G.N. (1986) "ADS: A FORTRAN Program for Automated Design Synthesis. Engineering Design Optimization", INc, Santa Barbara, California, 1986. 

  11. Wen, Y.K. and Kang, Y.J. (2000) "Minimum lifecycle cost structural design against natural hazards", Structural Research Series No. 629, University of Illinois at Urbana-Champaign. 

  12. 이종순 (2008) 구조물-궤도 상호작용을 고려한 고속철도 교량의 신뢰성 최적설계, 박사학위, 한양대학교, pp.173 

  13. 조효남, 민대홍, 권우성 (2002), 강상자형교의 생애주기비용 최적설계, 한국전산구조공학회, Vol. 15, No. 04, pp.557-563 

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