본 연구의 목적은 개폐식 대공간 구조물의 풍하중 산정 및 구조해석의 과정을 자동으로 수행하는 컴포넌트를 개발하는 것이다. 설계한 파라메트릭 모델링을 StrAuto를 통해 구조해석 자동화단계를 거쳐 구조해석용 모델로 변환하는 과정을 실시간으로 연동하여 구조해석 결과를 자동으로 도출하는 과정으로부터 본 연구에서는 추가로 구조물의 풍하중을 형상에 따라 상세히 할당하는 기능을 개발하였다. 이와 같은 과정을 통해 풍하중에 대한 최적화를 수행하여, 기존 설계된 구조의 물량을 줄이고, 구조적 안정성은 유지하는 방향으로 결론을 도출하였다. 추후에는 본 예제 모델을 통해 진동제어 최적화를 위한 제진장치 설치위치의 자동탐색이 가능하게 되는 연구를 진행할 계획이다.
본 연구의 목적은 개폐식 대공간 구조물의 풍하중 산정 및 구조해석의 과정을 자동으로 수행하는 컴포넌트를 개발하는 것이다. 설계한 파라메트릭 모델링을 StrAuto를 통해 구조해석 자동화단계를 거쳐 구조해석용 모델로 변환하는 과정을 실시간으로 연동하여 구조해석 결과를 자동으로 도출하는 과정으로부터 본 연구에서는 추가로 구조물의 풍하중을 형상에 따라 상세히 할당하는 기능을 개발하였다. 이와 같은 과정을 통해 풍하중에 대한 최적화를 수행하여, 기존 설계된 구조의 물량을 줄이고, 구조적 안정성은 유지하는 방향으로 결론을 도출하였다. 추후에는 본 예제 모델을 통해 진동제어 최적화를 위한 제진장치 설치위치의 자동탐색이 가능하게 되는 연구를 진행할 계획이다.
The purpose of this study is to model and analyze retractable large spatial structures by applying parametric modeling techniques. The modeling of wind loads in the analysis of typical structures including curved surfaces can be error-prone, and the processing time increases dramatically when there ...
The purpose of this study is to model and analyze retractable large spatial structures by applying parametric modeling techniques. The modeling of wind loads in the analysis of typical structures including curved surfaces can be error-prone, and the processing time increases dramatically when there are many types of variables. However, the method based on StrAuto that was developed in previous research, facilitates the efficacious assignment of wind loads to structures and the rapid arrival of conclusions. As a result, it is possible to compare alternatives with various loads, including wind loads, to determine an optimal alternative much faster than the existing process. Further, it is almost impossible to directly input the wind load by calculating the area of an irregularly curved surface. However, the proposed method automatically assigns the wind load, which allows for automatic optimization in a structural analysis system. The approach was applied and optimized using several models, and the results are presented.
The purpose of this study is to model and analyze retractable large spatial structures by applying parametric modeling techniques. The modeling of wind loads in the analysis of typical structures including curved surfaces can be error-prone, and the processing time increases dramatically when there are many types of variables. However, the method based on StrAuto that was developed in previous research, facilitates the efficacious assignment of wind loads to structures and the rapid arrival of conclusions. As a result, it is possible to compare alternatives with various loads, including wind loads, to determine an optimal alternative much faster than the existing process. Further, it is almost impossible to directly input the wind load by calculating the area of an irregularly curved surface. However, the proposed method automatically assigns the wind load, which allows for automatic optimization in a structural analysis system. The approach was applied and optimized using several models, and the results are presented.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 개정된 건축구조 기준에 따라 풍하중 자동산정 컴포넌트를 개발하고, 건축물에 가해지는 풍하중에 대해 부재력을 계산 후 물량 최적화를 수행하였다. 본 연구에서 개발된 풍하중 자동산정 컴포넌트(wind load calculator)를 통해 본문에서는 정적풍압을 적용하여 하중조합에 적용하였으며, 이를 통해 일일이 풍하중을 입력하는 과정을 간소화하였다.
본 논문에서는 직접 사람이 모델링하기에 수 시간이상이 걸리는 풍하중을 자동으로 할당하는 과정을 보여주고 사용자가 단시간에 수많은 대안의 데이터를 획득할 수 있는 프로세스를 개발하고 진행하였다. 이 과정을 이용하면 숙련된 엔지니어가 손쉽게 대안을 비교하고 결정할 수 있다.
본 연구에서는 기준에 따라 밀폐형 및 개방형 대공간 구조물 지붕의 풍압계수의 설계풍압을 산정하고 자동으로 그 값을 입력하도록 하여 수작업의 시간과 노력을 줄이도록 한다. Fig.
본 연구는 RSAuto 모델러가 제공하는 모델링 컴포넌트를 이용하여 형상에 기반을 둔 3차원 파라메트릭 모델을 구축하고, 풍하중 벡터 값을 자동 생성하여 할당하고 해석 후 다양한 대안 창출과 성능 비교를 통하여 성능과 경제성이 향상된 설계안을 탐색하는 프로세스를 구축한다. 이를 통하여 전통적 구조설계 프로세스에 의한 개폐식 대공간 구조물 설계보다 성능과 경제성이 향상된 설계 결과를 빠른 시간 안에 획득할 수 있도록 하는 것을 목표로 하였다.
본 논문에서 도출된 부재 응력비 등은 해석 프로그램의 부재 자동설계 기능을 이용하여 하중조합 조건에 의하여 산출된 계수하중 및 설계코드를 기준으로 설계되었음을 미리 언급한다. 이어서 본 연구에서는 RSAuto의 기능을 개선하고 추가해석 모듈 및 모델링 모듈을 개발하여 풍하중에 대한 상세해석을 수행함과 동시에 사용자의 편의성을 개선하여 적은 수의 입력값을 통해 더 정확한 값을 도출해 낼 수 있도록 하였다. 이렇게 개선한 프로그램의 명칭을 Roof Structure Dynamic(이하 RSDynamic)이라고 명명하였다.
가설 설정
모델링에 사용된 강재는 주골조(main) SM490(SM325) , 사재골조(diagonal) SS400(SS275)이며, 용접이음으로 공장 제작 트러스를 사용하였다고 가정하였다.
제안 방법
Table 3과 같이 생성된 원안의 철골 물량은 12,645ton이며, 상용구조해석프로그램을 통해 구조물 부재 전체 중 최대 처짐이 일어나는 부재의 처짐길이를 얻어 내었고, 전체 부재의 응력비를 검토하였다. 이 후 현재 생성된 원안을 통해 파라메터를 변화시키지 않은 채 구조부재 단면성능의 최적화를 수행하고, 원안 대비 최대 처짐과 물량을 비교해 보았다.
개발한 RSDynamic을 이용하여 돔 지붕형 슬라이딩 개폐시스템인 예제 모델을 구현해 보았다. 개폐식 지붕 구조시스템의 모델링을 설정된 파라메터들의 변경만으로 구조해석까지 가능하게 되어 구조해석 수행에 걸리는 시간을 단축할 수 있었다.
9의 컴포넌트의 입력값은 아래와 같으며 이를 이용하여 풍압계수 PrA, PrB, PrC, PrD를 계산하여 출력한다. 구조물의 높이, 가로길이, 세로길이를 입력받아서 구조기준에서 규정하는 풍압계수를 계산한 후에 출력해 주면 이를 자동으로 모델에 있는 각 면적에 할당해 준다.
, 2011). 따라서, 본 논문에서의 설계풍하중은 구조물의 지붕형상이 대칭되면서도 각각 상이한 경우가 되도록 동-서방향, 남북방향 2가지 풍방향의 경우를 고려하였다.
또한, 실제로 지붕의 개폐부(Fig. 7의 ⑤)는 Fig. 5와 같이 지붕면을 지나서 축을 이루는 트러스 구조체에 직접 차륜하중을 전달하므로 자동으로 생성되는 여러 부재가 동시에 겹치지 않도록 주의해서 모델링하였다. Fig.
먼저 구조해석 모델의 응력검토 및 처짐 결과값과 물량을 검토하여 최소의 비용으로 가장 효율적인 구조성능을 얻기 위해 각 부재의 그룹 간의 요소에 사용한 재료 및 단면을 파라메터로 설정하여 대안을 생성해 내고 이에 대한 결과를 정리하여 최적안을 도출하였다.
모델링에 앞서 트러스의 구조물을 모델링하기 위해 X축 트러스, Y축 트러스, 링 트러스, 지붕구조물 등으로 세분화하여 Table 2 및 Fig. 6과 같이 구조부재 그룹을 나누었다. 이는 현재 구조부재의 단면과 재료에 의해 나눠지는 종류보다 세세하게 나누었는데, 이는 부재와 부재가 만나는 점을 기점으로 최적화 단계의 효율성을 고려하기 위해 하중이 집중되는 부분이나 분담면적이 큰 부분을 고려하여 자세하게 나누었다.
타원형 트러스 프레임을 만들고 이를 곡면에 투사하기 위한 알고리즘이다. 모델링은 좌우 대칭형이므로 반만 모델링하여 대칭복사하기 위해 Half Elipse를 설정하였다.
풍하중의 경우, 이전의 건축구조기준에서는 주 골조설계용 및 외장재 설계용 풍하중의 산정방법을 적용할 수 있는 범위를 제시하지 않아 실무에서 모든 형상의 구조물에 적용할 수 있는 것처럼 오해하는 경우가 빈번하였다. 반면, 개정된 건축구조기준에서는 풍하중 산정식을 적용할 수 있는 범위를 명확하게 제시하였고, 기존에 풍압(력)계수가 정의되어 있지 않았던 것들을 풍동실험결과 및 해외기준을 참고하여 돔 지붕에 대한 계수를 규정하였으며, 아치지붕면의 풍압계수의 적용 구역을 풍향에 따라 세분화하였다. 또한 공간 개방정도에 따라 계수를 달리 적용하여 다양한 형태에 대응할 수 있도록 하였으며, 밀폐형 및 개방형 대공간 구조물 지붕의 풍압계수의 설계풍압을 산정하는 방법이 포함된다.
본 연구는 RSAuto 모델러가 제공하는 모델링 컴포넌트를 이용하여 형상에 기반을 둔 3차원 파라메트릭 모델을 구축하고, 풍하중 벡터 값을 자동 생성하여 할당하고 해석 후 다양한 대안 창출과 성능 비교를 통하여 성능과 경제성이 향상된 설계안을 탐색하는 프로세스를 구축한다. 이를 통하여 전통적 구조설계 프로세스에 의한 개폐식 대공간 구조물 설계보다 성능과 경제성이 향상된 설계 결과를 빠른 시간 안에 획득할 수 있도록 하는 것을 목표로 하였다.
본 논문에서는 개정된 건축구조 기준에 따라 풍하중 자동산정 컴포넌트를 개발하고, 건축물에 가해지는 풍하중에 대해 부재력을 계산 후 물량 최적화를 수행하였다. 본 연구에서 개발된 풍하중 자동산정 컴포넌트(wind load calculator)를 통해 본문에서는 정적풍압을 적용하여 하중조합에 적용하였으며, 이를 통해 일일이 풍하중을 입력하는 과정을 간소화하였다.
원안의 부재 크기 설정을 위해 자료를 수집하였으나 정확한 수치가 명시된 자료가 없어 밝혀진 자료 중 사용된 철골량을 토대로 참고자료를 통해 원안을 설정하였다.
, 2018). 위 4가지 시스템 중 본 연구에서는 돔 지붕형 슬라이딩 시스템(dome roof sliding system)을 가지는 예제건물을 모델링하여 개발한 컴포넌트를 적용하고, 제시한 파라메트릭 구조설계 프로세스에 따라 예제건물을 생성하였다.
Table 3과 같이 생성된 원안의 철골 물량은 12,645ton이며, 상용구조해석프로그램을 통해 구조물 부재 전체 중 최대 처짐이 일어나는 부재의 처짐길이를 얻어 내었고, 전체 부재의 응력비를 검토하였다. 이 후 현재 생성된 원안을 통해 파라메터를 변화시키지 않은 채 구조부재 단면성능의 최적화를 수행하고, 원안 대비 최대 처짐과 물량을 비교해 보았다.
이 후에 원안의 부재그룹에서 추가로 그룹들을 세분화 하여 최적화한 결과, 원안 물량의 경우에서 부재의 개수를 변경하지 않고 단면 조건을 변경하면서 최적의 구조성능을 발휘하는 단면을 통해 물량을 검토해 보았다.
링 트러스를 건너가는 트러스와 링 트러스에 의해 가로막혀지는 트러스로 나뉜다. 이를 메인아치와 서브아치로 구분하였다.
파라메트릭 설계에 필요한 전산도구 및 설계의 개념의 설명에서부터 시작하여, 선행연구에 의해 개발된 건축구조물의 파라 메트릭 모델링 및 최적화설계를 가능하게 한 StrAuto를 소개하고, 개폐식 대공간 건축물에 특화된 모델러 RSAuto의 기능을 추가하고 개선하여 구조시스템이 풍하중 및 동적하중에 따라 다양한 대안을 창출해 내고 자동으로 구조해석에 대한 결과값을 얻어오는 기능을 새로 탑재하여 RSDynamic을 개발하게 되었다.
으로 고려하여 적용하였다. 활하중은 사람의 접근이 용이하지 않은 지붕구조 특성상 구조기준에서 사용하지 않는 지붕의 활하중 값으로 명시된 1kN/m2으로 적용하였다. 적설하중은 최소 지상적설하중값인 0.
대상 데이터
예제로 삼은 모델은 오이타 현에 위치한 O Dome의 지붕구조물이다(Fig. 4). 지름 약 270m, 돔 지붕형 슬라이딩 시스템을 가진 입체트러스 구조물이며, 2001년 3월에 준공되었다(Table 1).
4). 지름 약 270m, 돔 지붕형 슬라이딩 시스템을 가진 입체트러스 구조물이며, 2001년 3월에 준공되었다(Table 1). 이 구조물을 예제로 선정한 이유는 1)기존의 연구에 삼았던 예제 구조물과 비교하여 실존하는 건물로 연구를 진행하고자 하였으며, 2)기존에 수행한 연구의 직사각형의 개폐식 대공간 구조물과 비교하여 형상이 비정형성을 띠며, 3)타원형 개구부의 형상으로 인해 구조설계기준에서 규정하고 있는 풍압계수 시험적용이 가능하기 때문이다.
본 고(考)에서 이용한 Rhinoceros는 API(application programming interface)를 사용자에게 제공하여 Nurbs Modeling방식의 유연하고 강력한 3차원 형상 모델링 기능을 활용한 추가 기능개발이 용이하다. 파라메트릭 모델링 엔진은 Rhinoceros 내에 포함된 Grasshopper를 이용하였다. 파라메트릭 설계는 파라메터로 정한 형상정보를 남겨 추후에 설계이력에 다시 관여할 수 있는 장점이 있다.
이론/모형
주골조설계용 설계풍압은 설계속도압, 가스트영향계수, 주골조설계용 풍압계수, 풍력계수를 곱하여 산정하며, 부분개방형건축물 및 지붕풍하중을 산정할 때에는 내압의 영향도 고려해야 한다. 본 연구에서는 예제모델의 형태에 따라 건축구조설계기준(KBC2016)에서 제시한 돔지붕에 대한 외압계수를 사용하여 설계풍압을 산정하였다(Fig. 2). 실제 현업에서는 구조기준을 따르거나 풍동실험을 하여 풍압계수를 도출하는 것이 일반적이며, 풍동실험을 할 수 없는 경우, CFD해석 결과와 비교하는 등의 과정을 거치고 있다(Blaise et al.
성능/효과
원안의 철골량 12,645ton으로부터 최적화 과정을 거쳐 약1,229ton을 절감하여 11,416ton의 물량으로 구성이 가능하였으며, 이에 대한 전체 부재 중 최대 처짐길이는 원안의 최대 처짐길이보다 약 3cm 줄어 들었다.
후속연구
이 과정을 이용하면 숙련된 엔지니어가 손쉽게 대안을 비교하고 결정할 수 있다. 구조기준에는 규정되지 않은 형상의 풍하중 할당 프로세스이나 앞으로 본 연구와 같은 데이터의 축적에 의해 기준이 상세해질 것으로 기대된다.
따라서, 건축구조물을 대상으로 파라메트릭 모델링과 최적 설계 시스템 개발은 기존의 범용 파라메트릭 설계기술 환경을 기반으로 하여 파라메트릭 구조 모델링 및 최적설계를 위하여 필요한 요소기술들을 개발하여 파라메트릭 구조설계 프로세스를 구축하는 방법으로 개발될 수 있다.
이러한 수고를 RSDynamic을 통해 덜어낼 수 있으며, 빠른 대안창출을 통해 더욱 효율적인 설계안을 도출할 수 있다. 추후 연구로 CFD해석을 이용하여 개폐식 대공간 지붕면의 풍압분포도를 통해 구조설계기준(KBC2016)에 따라 적용된 계수를 비교, 분석해 볼 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스트라우토(StrAuto)는 무엇인가?
선행연구에 의해 개발된 스트라우토(StrAuto)는 상용구조해석프로그램 SAP2000과 연동하여 구조체 형상을 제어하는 파라메터를 관리하며, 자동으로 구조해석을 위한 모델을 생성하고, 이에 대해 해석조건을 설정하고 모델의 구조적 안정성을 평가한다(Choi, 2014). 그 이후 연구에서는 이와 같은 프로그램을 대공간 건축물에 특화하여 효과적으로 사용할 수 있도록 RSAuto를 개발하였다(Jeong et al.
파라메트릭 구조설계가 형상에 구애받는 이유는 무엇인가?
하지만, 사실은 형상에 구애받지 않는 것은 아님을 알 수 있다. 이유는 파라메터를 통해 하나씩의 부재를 조정하는 것은 오히려 작업량이 기존보다 많아짐을 의미하며, 파라메터에 의한 일률적인 조정을 하는 방식을 이용하기 때문에 반복작업을 덜 수 있는 것이 장점으로 작용하기 때문이다(Kim et al., 2012).
풍하중을 산정하는 방법은 무엇인가?
풍하중은 주골조설계용 수평하중과 지붕하중, 외장재설계용 풍하중으로 구분하여 설계풍압에 유효수압면적을 곱하여 산정하게 된다. 주골조설계용 설계풍압은 설계속도압, 가스트영향계수, 주골조설계용 풍압계수, 풍력계수를 곱하여 산정하며, 부분개방형건축물 및 지붕풍하중을 산정할 때에는 내압의 영향도 고려해야 한다.
참고문헌 (7)
Blaise, N., Grillaud, G., De Ville de Goyet, V., Denoel, V. (2011) Application of Deterministic and Stochastic Analysis to Calculate a Stadium with Pressure Measurements in Wind Tunnel, 8th International Conference on Structural Dynamics EURODYN.
Blaise, N., Denoel, V. (2013) Principal Static Wind Loads, J. Wind Eng. & Ind. Aerodyn., 113, pp.29-39.
Kang, J.W., Kim, G.C., Kim, H.S., Seok, K.Y. (2014) The Present and Future of Retractable Roof Structures, J. Korean Assoc. & Spat. Struct., 14(3), pp.24-31.
Kim, Y.M., Kim, C.K., Choi, H.C. (2012) Selection of Optimal Structural System for Complex-shaped Super-tall Building Structural Systems Using Parametric Design Technique, J. Archit. Inst. Korea Struct. & Constr., 28(1), pp.77-84.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.