[논문]테이퍼드 다이아그리드 초고층 구조물의 형상 최적설계기법 개발

한상을; 이한주; 유종혜; 정소영

테이퍼드 다이아그리드 초고층 구조물의 형상 최적설계기법 개발
A Development of a Shape Optimization Design Techniques for the Diagrid Tapered Tall-Building 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.23 no.3 = no.112, 2011년, pp.349 - 356

한상을 (인하대학교 건축공학과) , 이한주 ((주)아이스트 기술연구소) , 유종혜 (인하대학교 건축공학과) , 정소영 (인하대학교 건축공학과)

초록
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본 논문에서는 파라메트릭 기법을 이용한 최적설계 알고리즘을 사용하여 최근 들어 다양한 형태를 지니고 있는 비정형 초고층 구조물의 최적 다이아그리드 각도를 찾는 것에 대해 연구하였다. 다이아그리드는 비정형 초고층 구조물을 구성하는 대각방향의 부재로 수직하중과 수평하중에 대해 효과적으로 대응할 수 있는 구조 시스템으로써 다이아그리드의 각도를 최적화 하여 비정형 초고층 구조물의 최대강성을 찾는 것에 목적을 두었다. 본 연구에서 검증예제로 비정형 형상인 원통형 구조물과 테이퍼드 원형 구조물에 다이아그리드 최적설계 알고리즘을 적용하여 변위를 효과적으로 제어하는 다이아그리드의 최적각도를 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the optimal diagrid angle of atypical tall buildings has been found using diagrid optimization technique which is based on parametric algorithm. A diagrid is a diagonal grid which can be seen among atypical tall buildings and structures which effectively resist horizontal and vertical direction loads. Therefore, it is also the objective of this studyto find the maximum stiffness of atypical tall buildings by optimizing diagrid angle. Moreover, this study touches on both cylindrical and tapered off cylindrical structures, as shown in the examples to check the compatibility of optimum diagrid angle, which effectively resists horizontal deformation on top by optimization algorithm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 다이아그리드 초고층 구조물의 최적설계는 정사각형단면을 가지는 정형 초고층 구조물에 대한 것이기 때문에 비정형 형태에 대한 다이아그리드 최적각도를 찾는 연구가 필요하다.따라서 본 연구는 초고층 구조물의 형태에 있어서 기존의 단순한 입방체의 형태를 벗어나 비정형 형태를 갖추고 있는 추세에서, 비정형 초고층 구조물의 효율적인 횡방향 제어 시스템인 다이아그리드의 최적 각도를 찾는 것에 주안점이 있다.
최근 초고층 구조물의 비정형화 경향에 따른 연구는 미비한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 초기설계단계에서 외력에 효과적으로 저항하는 다이아그리드의 최적각도를 결정할 수 있는 형상최적설계 알고리즘을 개발하고, 이를 원통형과 구조물의 표면이 곡면에 가깝고 고층으로 갈수록 평면이 감소하는 테이퍼드 형태의 다이아그리드 초고층 구조물에 적용하여 적용예제별로 가장 효율적인 최적의 다이아그리드 각도를 제시하고자 한다.
먼저,본 연구에서는 비정형 초고층 구조물에 대한 최적의 다이아그리드 각도를 찾기 위해 검증예제를 통해 알고리즘의 타당성을 규명하였다. 그리고 적용 예제에서 다이아그리드의 새로운 최적 각도를 제시하였다.
본 연구에서 최적설계 알고리즘을 예제에 적용하기 앞서 기존연구(Moon 등, 2007)와의 비교를 통해 그 타당성을 규명하고자 한다.
본 연구에서는 정형 구조물뿐만 아니라 테이퍼형 초고층 구조물에서 횡하중을 효율적으로 지지할 수 있는 최적의 다이아그리드의 각을 찾기 위해 60층의 원형 단면을 갖는 기본 원통형과 테이퍼드 원형 다이아그리드 구조물에 대해 형상최적설계기법을 적용하였다.

가설 설정

절점생성을 위해 N₁ = (x₁, y₁)을 시작점으로 가정하고, 이때 x₁, y₁은 각각 N₁의 x좌표와 y좌표를 의미하고 값은 x₁ = 0, y₁ = - r이다.

제안 방법

1) 본 연구에서 제시한 형상생성 정식화를 이용하여 구조물의 기하학적 형상을 생성하고, 지점조건, 적용하중, 부재크기 등 대상구조물에 대한 입력데이터를 생성한다.
먼저,본 연구에서는 비정형 초고층 구조물에 대한 최적의 다이아그리드 각도를 찾기 위해 검증예제를 통해 알고리즘의 타당성을 규명하였다. 그리고 적용 예제에서 다이아그리드의 새로운 최적 각도를 제시하였다. 적용 예제를 선택함에 있어 원형 단면을 가지는 원통형 60층 초고층 구조물과 같은 원형 단면을 가지고 있지만 고층으로 갈수록 평면이 감소하는 테이퍼드 원형 60층 초고층 구조물에 대해 각각 최적설계를 하였다.
다이아그리드 부재연결 정보 즉, 절점좌표를 이용하여 다이아그리드의 각도를 구한다.
본 연구에서 원통형 및 테이퍼형 다이아그리드 초고층구조물의 형상최적설계를 위해 식(7)과 같이 컴플라이언스를 목적함수로 선정하여 구조물의 강성을 최대화하도록 하였으며, 최적설계를 위한 설계변수를 다이아그리드 각도(α)를 선정하였다.
그리고 적용 예제에서 다이아그리드의 새로운 최적 각도를 제시하였다. 적용 예제를 선택함에 있어 원형 단면을 가지는 원통형 60층 초고층 구조물과 같은 원형 단면을 가지고 있지만 고층으로 갈수록 평면이 감소하는 테이퍼드 원형 60층 초고층 구조물에 대해 각각 최적설계를 하였다.
적용예제 2의 다이아그리드 각도 변화 또한 대각부재가 연결되는 층수를 다르게 하여 표 6과 같은 다이아그리드 각도를 적용하였다. 같은 원형단면을 가지고 있지만 고층으로 갈수록 평면이 감소하기 때문에 적용예제 1에서 적용된 다이아그리드 각도와는 다소 차이가 생기게 된다.
구조물에 다이아그리드가 적용되지 않는 부분이 없도록 하기 위해서는 몇 가지 조건이 필요하다. 첫째, 본 연구에서 다이아그리드 간격은 등간격으로 한다. 둘째, δ_Y는 H의 약수이다.
최적의 다이아그리드 각도를 구하기 위해 대각부재가 연결되는 층수의 변화를 주어 37.46°, 56.87°, 66.49°, 71.93°, 75.37°, 79.93°, 82.56°가 되도록 설계하였다.

대상 데이터

적용예제 1은 입면형태가 그림 9(a)에 해당하는 원통형의 60층 구조물로 원의 지름 30m,층당 절점 수는 48개이다. 최적의 다이아그리드 각도를 구하기 위해 대각부재가 연결되는 층수의 변화를 주어 37.

이론/모형

다이아그리드 초고층구조물의 형상최적설계 알고리즘은 Opti_Diagrid(Optimal Design for Diagrid Structural System)프로그램으로 구현하였으며, 최적설계 흐름도는 그림 7과 같다.

성능/효과

기존의 정사각형단면을 가진 초고층 구조물의 일반적인 최적의 다이아그리드 각도가 65° 혹은 75° (Moon등, 2007)에서 최적인 것과 비교해보았을 때, 원형 구조물의 다이아그리드 최적 각도 역시 그 범위 안에 존재함을 확인 할 수 있었다.
뿐만 아니라 사각형 구조물의 다이아그리드 최적각도보다 원형 구조물의 다이아그리드 최적각도가 더 큰 값을 가짐을 확인할 수 있었다.또한 같은 원형단면을 가진 초고층 구조물이라 하더라도 모든 층이 같은 평면을 가진 원형 구조물의 다이아그리드 최적 각보다 고층으로 갈수록 평면이 감소하는 테이퍼드 원형 구조물의 최적 각이 더 크다는 것을 알 수 있으며, 고층으로 올라갈수록 평면이 감소하게 되면 풍하중의 영향을 더 적게 받기 때문에 최상층의 변위의 크기도 적게 된다. 적용예제 1과 적용예제 2의 비교로부터 횡변위를 제어하기 위해서는 원통형 구조물보다 테이퍼드 원형 구조물이 더 효과적임을 확인하였다.
먼저, 각층에 풍하중 30m/s 을 주어 원통형 구조물에 대한 다이아그리드를 해석한 결과 최상층 변위 32 cm인 71.93° 가 가장 최적의 다이아그리드 각도로 나타났다.
기존의 정사각형단면을 가진 초고층 구조물의 일반적인 최적의 다이아그리드 각도가 65° 혹은 75° (Moon등, 2007)에서 최적인 것과 비교해보았을 때, 원형 구조물의 다이아그리드 최적 각도 역시 그 범위 안에 존재함을 확인 할 수 있었다. 뿐만 아니라 사각형 구조물의 다이아그리드 최적각도보다 원형 구조물의 다이아그리드 최적각도가 더 큰 값을 가짐을 확인할 수 있었다.또한 같은 원형단면을 가진 초고층 구조물이라 하더라도 모든 층이 같은 평면을 가진 원형 구조물의 다이아그리드 최적 각보다 고층으로 갈수록 평면이 감소하는 테이퍼드 원형 구조물의 최적 각이 더 크다는 것을 알 수 있으며, 고층으로 올라갈수록 평면이 감소하게 되면 풍하중의 영향을 더 적게 받기 때문에 최상층의 변위의 크기도 적게 된다.
셋째, δX는 2δY의 배수로써, δY 값에 따라 최소값 2δY = 2 (∵minδY =1)과 최대값 n을 갖는다.
또한 같은 원형단면을 가진 초고층 구조물이라 하더라도 모든 층이 같은 평면을 가진 원형 구조물의 다이아그리드 최적 각보다 고층으로 갈수록 평면이 감소하는 테이퍼드 원형 구조물의 최적 각이 더 크다는 것을 알 수 있으며, 고층으로 올라갈수록 평면이 감소하게 되면 풍하중의 영향을 더 적게 받기 때문에 최상층의 변위의 크기도 적게 된다. 적용예제 1과 적용예제 2의 비교로부터 횡변위를 제어하기 위해서는 원통형 구조물보다 테이퍼드 원형 구조물이 더 효과적임을 확인하였다.
적용예제 1의 기본 원통형 구조물과 비교했을 시 전체적인 최상층의 변위 값은 적었으며, 다이아그리드 각도는 71.93° 보다 조금 더 큰 72.06° 가 최적임을 알 수 있다.
06° 가 최적임을 알 수 있다. 횡변위를 제어함에 있어 원통형의 구조물보다 테이퍼드 원형 구조물이 더 효과적이라는 결과를 도출하였다.

후속연구

최적설계 프로그램을 실행하게 되면 최적의 다이아그리드 각도를 찾기 위해 초고층 구조물의 기본적인 정보인 층수와 지름만을 가지고도 초고층 구조물의 형상이 어떠한 형태가 되던지 최적의 다이아그리드 각도를 찾을 수 있다. 향후 건물의 외피 형상에 따라 부재가 받는 풍하중의 영향이 다른 것을 확인함으로써 테이퍼드 형태뿐만이 아닌 비틀어진 형태에 대해서도 최적의 다이아그리드 각도를 찾는 것이 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다이아그리드 구조 시스템은 무엇입니까?	먼저,다이아그리드란 철골조 고층 구조물을 구성하는 대각선 방향으로 지지하는 보(기둥)형태의 반복적인 삼각형 요소를 말한다.이러한 삼각형 형태의 다이아그리드 구조 시스템은 수직하중을 적절하게 배분하여 기초와 지반에 안전하게 전달할 뿐만 아니라 외력에 저항하며 구조물의 최외곽에 위치하여 바람이나 지진과 같은 수평하중에도 효과적으로 대응할 수 있는 시스템이다.기존의 가새(Brace)시스템과의 차이는 그림 1과 같이 간략화 할 수 있다.
	가새 시스템보다 다이아그리드 시스템이 하중을 저항하는데 효율적인 이유는 무엇입니까?	기존의 가새(Brace)시스템과의 차이는 그림 1과 같이 간략화 할 수 있다.가새 시스템은 주로 수평하중에 대해 저항하는 반면,다이아그리드는 수평 및 수직하중에 대해서 모두 효과적으로 저항한다.이 대각방향 보(기둥)인 다이아그리드의 경사는 전체 구조물을 따라서 하중의 흐름을 자연스럽게 한다.따라서 가새 시스템보다 다이아그리드 시스템이 하중을 저항하는데 효율적이며,다이아그리드는 하중의 흐름에 절대적으로 순응하므로 다이아그리드 각도가 시스템의 성능을 좌우하게 된다.
	다이아그리드란 무엇입니까?	먼저,다이아그리드란 철골조 고층 구조물을 구성하는 대각선 방향으로 지지하는 보(기둥)형태의 반복적인 삼각형 요소를 말한다.이러한 삼각형 형태의 다이아그리드 구조 시스템은 수직하중을 적절하게 배분하여 기초와 지반에 안전하게 전달할 뿐만 아니라 외력에 저항하며 구조물의 최외곽에 위치하여 바람이나 지진과 같은 수평하중에도 효과적으로 대응할 수 있는 시스템이다.

참고문헌 (6)

배재훈, 주영규, 김영주, 김상대(2010) 초고층 다이아그리드 구조의 실험적 내진성능계수 평가, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, 제22권, 제1호, pp.75-76.

원문보기 상세보기
유기표(2006) 풍하중을 받는 입면상 테이퍼 고층건물의 변동 풍압 특성, 대한건축학회논문집, 대한건축학회, 제22권, 제5호, pp.3-12.

상세보기
이수곤(2008) 비정형 초고층 프로젝트를 위한 구조설계 기술, 대한건축학회지, 대한건축학회, 제52권, 제4호, pp.55-58
주영규, 김경환(2008) Diagrid 구조 시스템의 최근 동향, 대한건축학회지, 대한건축학회, 제52권, 제4호, pp.72-76.
한상을, 이한주, 유종혜, 정소영(2010) 파라메트릭 기법과 민감도 해석을 이용한 형상최적설계에 관한 연구, 대한건축학회 학술발표대회논문집, 대한건축학회, 제30권, 제1호, pp.15-16.
Moon, K.S., Jerome, J.C., and John, E.F. (2007) Diagrid structural systems for tall buildings: characteristics and methodology for preliminary design, 2007 The Structural Design of Talland Special Buildings, Vol.16, pp.205-230.

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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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