[논문]철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하는 유전자알고리즘 기반 최적내진설계기법

박효선; 최세운

doi:10.7734/coseik.2016.29.3.253

철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하는 유전자알고리즘 기반 최적내진설계기법
Genetic Algorithm Based Optimal Seismic Design Method for Inducing the Beam-Hinge Mechanism of Steel Moment Frames 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.29 no.3, 2016년, pp.253 - 260

초록
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본 연구에서는 철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하는 최적 내진설계기법을 제안한다. 이는 유전자알고리즘을 사용하며, 기둥의 소성힌지 발생을 억제하는 제약조건을 설정하여 보-힌지 붕괴모드를 유도한다. 제안하는 기법은 구조물량를 최소화하고 에너지소산능력을 최대화하는 목적함수를 사용한다. 제안하는 기법은 9층 철골모멘트골조 예제 적용을 통해 검증한다. 예제 적용을 통해 철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하기 위해 요구되는 기둥-보 강도비를 평가한다. 패널존에 대한 3가지 모델링 기법을 각각 적용하여 모델링 조건에 따른 휨강도비 영향이 추가적으로 검토된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the optimal seismic design method for inducing the beam-hinge collapse mechanism of steel moment frames is presented. This uses the non-dominated sorting genetic algorithm II(NSGA-II) as an optimal algorithm. The constraint condition for preventing the occurrence of plastic hinges at columns is used to induce the beam-hinge collapse mechanism. This method uses two objective functions to minimize the structural weight and maximize the dissipated energy. The proposed method is verified by the application to nine story steel moment frame example. The minimum column-to-beam strength ratio to induce the beam-hinge collapse mechanism are investigated based on the simulation results. To identify the influence of panel zone on the minimum column-to-beam strength ratio, three analytic modeling methods(nonlinear centerline model without rigid end offsets, nonlinear centerline model with rigid end offsets, nonlinear model with panel zones) are used.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2005)에서는 이를 고려하지 않았다. 따라서 본 연구에서는 이에 대한 영향을 고려하기 위해 기존 연구에서 주로 사용되었던 nonlinear centerline model without rigid end offsets(Model M1)뿐만 아니라, nonlinear centerline model with rigid end offsets(Model M2), nonlinear centerline model with panel zone(Model M3)을 추가적으로 고려하여 모멘트골조의 보-힌지 붕괴 모드를 유도하기 위해 요구되는 최소 휨강도비에 대한 패널존의 영향을 비교하도록하였다.
따라서 본 연구에서는 철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴 모드를 유도하는 최적 내진설계기법을 제안 한다. 이는 유전자 알고리즘(Choi et al.
정적비탄성해석에서 사용한 횡하중분포는 정적탄성 해석에서 사용한 지진하중의 층별 비율을 적용하여 최상층 노드를 기준으로 변위제어를 한다. 본 연구에서 사용한 목표 변위는 FEMA 356에서 제시하고 있는 붕괴방지수준(collapse prevention level)인 최대층간변위율 5%를 참고하여 구조물 전체높이의 5%에 해당하는 값을 목표변위로 설정한다. 소성힌지는 각 부재의 양단에서만 발생한다고 가정하여 모델링 한다.
본 연구에서는 Deb 등(2002)이 제안한 Non-dominated Sorting Algorithm-II(NSGA-II)를 이용하여 철골모멘트 골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하면서 구조물량을 최소화하고 에너지소산능력을 최대화하는 최적내진설계기법을 제안 한다. 제안하는 최적내진설계기법은 Fig.
강도설계를 위해 ANSI/AISC 360-05, ANSI/AISC 341-05, ASCE 7-05 등을 이용하여 하중조합, 강도설계조건, 층간변위조건 등을 결정한다. 본 연구에서는 고정하중, 활하중, 지진하중에 관한 하중조합만을 고려하도록 한다.
하지만, 선행 연구(Choi and Park, 2012)에서 고려한 기둥-보 접합부의 해석모델링은 강접합이라고 가정하고 패널존의 거동이 고려되지 않았다. 본 연구에서는 접합부 모델링 조건에 따른 휨강도비 영향이 추가적으로 검토하고자 한다.
본 연구에서는 철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하기 위한 유전자알고리즘 기반의 최적내진설계기법을 제시하였다. 보-힌지 붕괴모드를 유도하기 위해 기둥의 소성힌지 발생을 억제하는 제약조건을 설정하였다.

가설 설정

본 연구에서 사용한 목표 변위는 FEMA 356에서 제시하고 있는 붕괴방지수준(collapse prevention level)인 최대층간변위율 5%를 참고하여 구조물 전체높이의 5%에 해당하는 값을 목표변위로 설정한다. 소성힌지는 각 부재의 양단에서만 발생한다고 가정하여 모델링 한다.

제안 방법

한편, 보-힌지 붕괴모드를 유도하기 위한 휨강도비에 대한 패널존의 영향을 평가하기 위해 2장에서 설명한 Model M1, Model M2, Model M3의 3가지가 고려된다. 각 경우에 대한 구조모델링 후 제안된 최적화 알고리즘을 적용한다.
강도설계를 위해 ANSI/AISC 360-05, ANSI/AISC 341-05, ASCE 7-05 등을 이용하여 하중조합, 강도설계조건, 층간변위조건 등을 결정한다. 본 연구에서는 고정하중, 활하중, 지진하중에 관한 하중조합만을 고려하도록 한다.
만약 기둥 연속성 제약조건을 사용하지 않는다면 일반적으로 층간변위 제약조건에 의해 지배되는 모멘트골조의 최적내진설계의 경우, 위에 연결된 기둥의 단면적이 아래에 연결된 기둥의 단면적보다 클 경우가 발생할 수가 있다. 따라서 본 연구에서는 기둥의 연속성 제약조건을 다섯 번째 제약조건으로 사용한다.
본 연구에서는 철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하기 위한 유전자알고리즘 기반의 최적내진설계기법을 제시하였다. 보-힌지 붕괴모드를 유도하기 위해 기둥의 소성힌지 발생을 억제하는 제약조건을 설정하였다. 이는 설정된 성능점에서 기둥 단부의 변형을 점검하여 소성힌지 발생여부를 판단하고, 만일 힌지가 발생하면 해당 조건을 위배하는 것으로 처리하였다.
본 연구에서는 총 5가지의 제약조건을 사용한다. ACI 318-05, ANSI/AISC 341-05 등 일반적인 내진설계에서 기본적으로 사용되는 강도조건을 고려하기 위해 기둥, 보의 강도제약, 층간변위 제약을 고려한다.
이 기법을 9층 철골모멘트골조 예제에 적용하여 제안된 기법을 검증한다. 예제 적용을 통해 철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하기 위해 요구 되는 기둥-보 강도비를 평가한다. 저자는 선행연구를 통해 기둥의 소성힌지 제약을 통해 철골모멘트의 보-힌지 붕괴 모드를 유도할 수 있음을 확인하였다.
, 2014)을 사용하며, 기둥의 소성힌지 발생을 억제하는 제약조건을 설정하여 보-힌지 붕괴모드를 유도한다. 이 기법을 9층 철골모멘트골조 예제에 적용하여 제안된 기법을 검증한다. 예제 적용을 통해 철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하기 위해 요구 되는 기둥-보 강도비를 평가한다.
Lee(1996)는 비선형 정적해석을 통해 붕괴모드가 만들어질 때까지의 절점별 휨모멘트 양상 변화를 분석하였으며, 붕괴순간 절점을 구성하는 하부기둥의 모멘트가 상부기둥의 모멘트보다 3배 정도임을 확인하였다. 이를 통해 하부기둥의 휨강도가 보 휨강도 합의 75%이상이 되어야 한다는 새로운 기둥-보 휨강도비 식을 제안하였다. Nakashima 등(2000)은 비선형시간이력해석을 통해 기둥이 탄성 상태를 유지하기 위해서는 기둥-보 휨강도비가 최소 1.
제안하는 최적내진기법을 9층 예제에 적용하여 보-힌지 붕괴모드를 나타내는 최적설계안을 얻었고, 이들을 통해 접합부의 기둥-보 휨강도비를 조사하였다. 특히, 보-힌지 붕괴모드를 유도하는 휨강도비에 대한 패널존의 모델링 조건의 영향을 분석하기 위해 세 가지의 모델링 방법이 각각 적용되었다.
본 연구에서는 Deb 등(2002)이 제안한 Non-dominated Sorting Algorithm-II(NSGA-II)를 이용하여 철골모멘트 골조의 보-힌지 붕괴모드를 유도하면서 구조물량을 최소화하고 에너지소산능력을 최대화하는 최적내진설계기법을 제안 한다. 제안하는 최적내진설계기법은 Fig. 6에 나타난 것처럼 구조물의 구조해석 및 설계 기능을 NSGA-II에 연결한다. 즉, 모집단을 이루는 각 개체에 대해서 구조해석(선형정적해석 및 비선형정적해석)을 수행하고, 해석결과를 토대로 하여 제약 조건(구조설계조건 및 힌지제약조건 등)을 검토한다.
6에 나타난 것처럼 구조물의 구조해석 및 설계 기능을 NSGA-II에 연결한다. 즉, 모집단을 이루는 각 개체에 대해서 구조해석(선형정적해석 및 비선형정적해석)을 수행하고, 해석결과를 토대로 하여 제약 조건(구조설계조건 및 힌지제약조건 등)을 검토한다. 그 밖의 정렬, 모집단 개선 등과 같은 내용은 기존 NSGA-II와 동일하다.
제안하는 최적내진기법을 9층 예제에 적용하여 보-힌지 붕괴모드를 나타내는 최적설계안을 얻었고, 이들을 통해 접합부의 기둥-보 휨강도비를 조사하였다. 특히, 보-힌지 붕괴모드를 유도하는 휨강도비에 대한 패널존의 모델링 조건의 영향을 분석하기 위해 세 가지의 모델링 방법이 각각 적용되었다. 적용결과, 모델링 기법에 대한 영향은 적은 것으로 나타났으며, 세 가지 방법에서 제시하는 최소 휨강도비는 모두 1.

대상 데이터

제안된 기법의 검증을 위해 Hasan 등(2002)이 사용한 9층 철골모멘트골조 예제를 사용한다. 9층 예제는 Fig. 7과 같은 9층 5경간 입면을 가지며, 설계변수는 기둥 10개, 보 9개 등 총 19개를 사용한다. 최적화 알고리즘 내에서 설계변수가 선택 가능한 기둥과 보의 DB는 Table 1과 같이 각각 16개씩 설정한다.
패널존의 전단 강성 및 강도를 고려하기 위한 Model M3는 Fig. 4(c)와 같이 FEMA 355c에서 제시된 모델을 사용하였다. 패널존의 전단 거동은 Fig.

이론/모형

본 연구에서 사용한 하중은 Gupta와 Krawinkler(1999)이 사용한 하중값을 적용한다. 지진하중은 등가횡하중(equivalent lateral force) 산정기법을 이용한다.
따라서 본 연구에서는 철골모멘트골조의 보-힌지 붕괴 모드를 유도하는 최적 내진설계기법을 제안 한다. 이는 유전자 알고리즘(Choi et al., 2010; Oh et al., 2014)을 사용하며, 기둥의 소성힌지 발생을 억제하는 제약조건을 설정하여 보-힌지 붕괴모드를 유도한다. 이 기법을 9층 철골모멘트골조 예제에 적용하여 제안된 기법을 검증한다.
지진하중은 등가횡하중(equivalent lateral force) 산정기법을 이용한다. 정적탄성해석 및 정적비 탄성해석을 위해 지진해석 프로그램인 OpenSees(2006)를 이용한다. 정적비탄성해석에서 사용한 횡하중분포는 정적탄성 해석에서 사용한 지진하중의 층별 비율을 적용하여 최상층 노드를 기준으로 변위제어를 한다.
제안된 기법의 검증을 위해 Hasan 등(2002)이 사용한 9층 철골모멘트골조 예제를 사용한다. 9층 예제는 Fig.
본 연구에서 사용한 하중은 Gupta와 Krawinkler(1999)이 사용한 하중값을 적용한다. 지진하중은 등가횡하중(equivalent lateral force) 산정기법을 이용한다. 정적탄성해석 및 정적비 탄성해석을 위해 지진해석 프로그램인 OpenSees(2006)를 이용한다.

성능/효과

8과 같다. 구조물량이 증가함에 따라 에너지소산능력이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
세 가지 방법에 의한 기둥-보 휨강도비들은 모두 ANSI/AISC 341-05가 제시한 1.0보다 큰 것으로 나타났다. 외부에 위치한 절점의 휨강도비가 내부에 위치한 절점의 휨강도비 보다 큰 것으로 나타났다.
4)에 따라 설계하고 20개의 지진데이터를 이용하여 시간이력해석을 수행하였다. 연구결과 휨강도비가 2.0이상이 되도록 설계되었을 때, 기둥이 탄성 상태를 유지하기 위해 요구되는 가장 적절한 비율이라고 제안하였다. Kuntz 등(2003)은 구조물의 약층 방지를 위해 기존의 방법처럼 구조물 전체에 동일한 기둥-보의 휨강도비를 적용하는 방법으로는 현실적인 기둥-보 휨강도비를 얻을 수 없을 지적하고, 특정 층의 보 휨강도를 저감하여 기둥의 소성힌지 발생을 억제하는 방법을 제안하였다.
특히, 보-힌지 붕괴모드를 유도하는 휨강도비에 대한 패널존의 모델링 조건의 영향을 분석하기 위해 세 가지의 모델링 방법이 각각 적용되었다. 적용결과, 모델링 기법에 대한 영향은 적은 것으로 나타났으며, 세 가지 방법에서 제시하는 최소 휨강도비는 모두 1.0보다 큰 것으로 나타났다.
1(b) 참조)가 유도되었음을 의미한다. 한편, 붕괴방지 수준에 대한 성능점에서의 소성힌지 분포를 확인한 결과 일부 기둥에서 소성힌지가 발생한 것으로 나타났다. 이는 보-힌지 붕괴 모드가 유도되어도, 재료의 변형경화로 인해 추가적인 저항력이 보 단부에서 발생하고, 이는 기둥 단부에 전달이 되기 때문이다.

후속연구

2개 이상의 목적함수를 최적화하는 경우 목적함수 간의 가중치를 부여하여 1개의 목적함수로 치환하여 최적화할 수 있다. 하지만 이 방법은 목적함수 간의 가중치에 대한 정보를 미리 알고 있어야 하거나, 가중치에 대한 추가 연구가 필요 하다. 반면 NSGA-II에서는 지배(dominate) 개념을 이용하여 가능해(feasible solutions)을 찾기 때문에 목적함수간 관계에 대해 미리 설정할 필요가 없다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축물에 지진하중이 발생시 어떤 영향이 있는가?	건축물에 지진하중이 발생하면 기둥, 보와 같은 건축물을 구성하는 구조부재 내에서는 외부 하중에 저항하기 위해 부재력과 변형이 발생하게 된다. 동일한 형태의 건축물일지라도 부재의 크기 및 재료의 특성에 따라 구조물의 반응은 달라진다.
	설계 철학에 따라 동일한 지진하중이더라도 어떤 반응을 보일 수 있는가?	동일한 형태의 건축물일지라도 부재의 크기 및 재료의 특성에 따라 구조물의 반응은 달라진다. 즉, 설계 철학에 따라 동일한 지진하중에 대해서도 탄성거동을 하도록 할 수 있고, 혹은 비탄성거동을 허용하여 항복, 영구변형 등이 발생하도록 할 수 있다.
	철골모멘트골조의 힘의 흐름과 소성힌지 분포는 무엇에 영향을 받는가?	철골모멘트골조는 보와 기둥의 변형을 통해 지진하중에 대하여 저항을 하게 되는데, 보와 기둥의 상대적 강성비와 강도비에 따라서 구조성능이 좌우된다. 기둥-보 접합부의 강성비 및 강도비에 따라서 힘의 흐름과 소성힌지 분포가 달라진다.

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Oh, B.K., Choi, S.W., Kim, Y., Jo, D.J., Park, H.S. (2014) An Analytical Study on System Identification of Steel Beam Structure for Buildings based on Modified Genetic Algorithm, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 27, pp.231-238.

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Park, R., Paulay, T. (1975) Reinforced Concrete Structure, John Wiley and Sons.

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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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