[논문]스마트 연결 제어 시스템과 연결 구조물의 통합 최적 설계

김현수; 강주원

doi:10.9712/kass.2019.19.2.43

Abstract ▼ AI-Helper

A smart connective control system was invented recently for coupling control of adjacent buildings. Previous studies on this topic focused on development of control algorithm for the smart connective control system and design method of control device. Usually, a smart control devices are applied to ...

A smart connective control system was invented recently for coupling control of adjacent buildings. Previous studies on this topic focused on development of control algorithm for the smart connective control system and design method of control device. Usually, a smart control devices are applied to building structures after structural design. However, because structural characteristics of building structure with control devices changes, a iterative design is required for optimal design. To defeat this problem, an integrated optimal design method for a smart connective control system and connected buildings was proposed. For this purpose, an artificial seismic load was generated for control performance evaluation of the smart coupling control system. 20-story and 12-story adjacent buildings were used as example structures and an MR (magnetorheological) damper was used as a smart control device to connect adjacent two buildings. NSGA-II was used for multi-objective integrated optimization of structure-smart control device. Numerical simulation results show the integrated optimal design method proposed in this study can provide various optimal designs for smart connective control system and connected buildings presenting good control performance.

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문제 정의

그러나 기존의 연구는 주로 구조물 내부에 설치되는 일반적인 감쇠기, 동조 질량 감쇠기, 면진 장치 등과 구조물의 통합 설계에 대해 이루어져 왔으며, 스마트 연결 제어 시스템 및 연결된 구조물의 동시 통합 설계에 대한 연구는 국내외에서 찾아보기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 스마트 연결 제어 시스템과 연결 구조물의 통합 최적 설계 기법을 제안하고 그 효용성을 검증하고자 한다.
연결된 구조물과 연결 제어 시스템을 통합하여 최적화 작업을 수행할 때에는 구조 부재의 물량 및 제어 시스템의 용량을 줄이는 것이 목적이 될 수 있다. 이때 구조물의 응답을 줄이는 것도 최적 설계의 목적에 포함되어야 한다.
본 연구에서는 스마트 연결 제어 시스템과 연결 건물의 강성 및 감쇠값을 동시에 고려하는 통합 최적 설계를 수행한다. 이를 위해서는 적절한 설계 변수를 선택하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 스마트 연결 제어 시스템이 설치된 인접한 구조물의 설계 과정에서 제어 시스템과 구조물을 동시에 통합 설계할 수 있는 방법을 제안하였다. 이를 위하여 20층과 12층으로 구성된 인접한 예제 구조물을 모델링하였고, 12층에 MR 감쇠기를 설치하여 스마트 연결 제어 시스템을 구성하였다.

가설 설정

이렇게 강성뿐만 아니라 감쇠값도 층별로 최적화되면 결과적으로 감쇠의 최적값뿐만 아니라 감쇠기가 효과적인 제어 능력을 발휘할 수 있는 최적의 위치도 동시에 파악할 수 있다. 구조물의 강성 및 감쇠와 함께 스마트 연결 제어 시스템의 핵심 요소인 MR 감쇠기의 제어 용량도 염색체에 인코딩된다.

제안 방법

예제 구조물로 20층과 12층의 인접한 빌딩을 선택하고 두 건물의 연결 제어를 위한 제어 장치로 MR 감쇠기를 사용하였다. 통합 최적 설계의 설계 변수로는 예제 구조물의 층 강성 및 층 감쇠, MR 감쇠기의 제어 용량과 연결된 구조물의 최상층 최대 변위를 선택하였다. 다목적 유전자 알고리즘을 사용하여 얻은 파레토 최적해 설계안들을 분석하여 각 설계 변수의 상관관계를 평가하고, 통합 최적 설계를 수행하지 않은 구조물과의 지진 응답을 비교하였다.
(2007) 연구 결과를 사용하였다⁶⁾. 1,000kN 용량을 기본으로 최적화 과정을 거쳐서 스마트 연결 제어 시스템의 최적 설계를 수행하였다.
본 연구에서는 스마트 연결 제어 시스템과 연결 구조물의 통합 최적 설계를 위한 동적 하중으로 인공 지진 하중을 생성하여 시간 이력 해석을 수행하였다. 이때 미국의 설계 기준(ASCE 7-10)을 기반으로 인공 지진 하중을 생성하였다.
예제 구조물의 구조 부재를 최적 설계하기 위해서는 각 층의 강성을 결정하는 것이 필요한데 유전자 알고리즘의 특성상 무작위로 임의의 값을 강성값으로 설정한 후 지진 응답에 대한 평가를 수행하게 된다. 이때 강성값으로 ‘0’ 또는 너무 작은 값이 설정되면 의미 없는 결과가 나타날 수 있기 때문에 본 연구에서는 기본 강성을 가지는 해석 모델을 생성한 후 유전자 알고리즘에 의하여 추가되는 강성의 최적값을 결정하도록 하였다. 감쇠값 역시 2장에 설명한 기본 모델보다 약간 작은 기본값을 갖도록 설정한 후 최적의 추가 감쇠값을 유전자 알고리즘을 통해서 찾도록 하였다.
앞서 설명한 통합 최적 설계 알고리즘을 이용하여 예제 구조물에 대한 최적화 작업을 수행하였다. 예제 구조물에 대한 시간 이력 해석을 위하여 MATLAB 버전 R2016a와 SIMULINK를 사용하여 운동 방정식을 구성하였다.
지진 응답 제어 성능을 평가하기 위하여 인공 지진을 생성하여 시간 이력 해석을 수행하였다. 다목적 유전자 알고리즘을 이용하여 구조물의 강성 물량, 감쇠 물량, MR 감쇠기 용량, 두 건물의 최대 응답을 목적 함수로 선정하여 최적화 작업을 수행하였다. 최적화 결과, 각 목적 함수에 대해 우수한 성능을 나타내는 구조물 물량과 제어 시스템 용량의 최적 설계안을 파레토 최적해의 형태로 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서는 NSGA-IId (a fast elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithm)¹⁶⁾ 최적화 기법을 적용하였다. 예제 구조물로 20층과 12층의 인접한 빌딩을 선택하고 두 건물의 연결 제어를 위한 제어 장치로 MR 감쇠기를 사용하였다. 통합 최적 설계의 설계 변수로는 예제 구조물의 층 강성 및 층 감쇠, MR 감쇠기의 제어 용량과 연결된 구조물의 최상층 최대 변위를 선택하였다.
본 연구에서는 연결 제어 시스템과 구조물의 통합 설계 기술 개발을 위한 예제 구조물로 선행 연구에서 사용한 20층 및 12층의 인접한 빌딩을 사용하였다¹⁾. [Fig.
스마트 연결 제어 시스템을 구성하기 위해서 MR 감쇠기를 이용하였고 설치 위치는 선행 연구와 같이 연결되는 건물 중 낮은 건물의 최상층인 12층으로 하였다. 이는 일반적인 빌딩 구조물이 캔틸레버와 같은 거동을 하여 최상층에서 가장 큰 동적 거동의 차이를 나타내기 때문이다.
이를 위해서는 적절한 설계 변수를 선택하는 것이 중요하다. 본 연구에서 선택한 설계 변수는 스마트 연결 제어 시스템을 구성하는 MR 감쇠기의 용량과 각 층의 강성 및 감쇠값 사용량이다. 구조 부재의 사용량 뿐만 아니라 지진 하중에 대한 구조물의 응답도 최소화해야 하기 때문에 통합 최적 설계는 다목적 최적화 문제로 귀결된다.
NSGA-II에 의해서 [Table 2]에 나타낸 20층 및 12층 건물의 기본 해석 모델에 추가 강성과 추가 감쇠의 용량을 더하여 예제 구조물의 최종 해석 모델을 구성한다. 이렇게 강성뿐만 아니라 감쇠값도 층별로 최적화되면 결과적으로 감쇠의 최적값뿐만 아니라 감쇠기가 효과적인 제어 능력을 발휘할 수 있는 최적의 위치도 동시에 파악할 수 있다.
예제 구조물에 대한 시간 이력 해석을 위하여 MATLAB 버전 R2016a와 SIMULINK를 사용하여 운동 방정식을 구성하였다. NSGA-II로 다목적 최적 설계를 수행하기 위하여 한 세대를 이루는 개체군은 100개의 개체로 하였으며 최적화는 500세대까지 수행하였다. 본 연구에서는 5개의 목적 함수를 사용하기 때문에 최적화의 결과로 1개의 최적 설계안이 나오는 것이 아니고 서로 우열을 가릴 수 없는 파레토 최적해 집합을 얻게 된다.
본 연구에서는 스마트 연결 제어 시스템이 설치된 인접한 구조물의 설계 과정에서 제어 시스템과 구조물을 동시에 통합 설계할 수 있는 방법을 제안하였다. 이를 위하여 20층과 12층으로 구성된 인접한 예제 구조물을 모델링하였고, 12층에 MR 감쇠기를 설치하여 스마트 연결 제어 시스템을 구성하였다. 지진 응답 제어 성능을 평가하기 위하여 인공 지진을 생성하여 시간 이력 해석을 수행하였다.

데이터처리

통합 최적 설계의 설계 변수로는 예제 구조물의 층 강성 및 층 감쇠, MR 감쇠기의 제어 용량과 연결된 구조물의 최상층 최대 변위를 선택하였다. 다목적 유전자 알고리즘을 사용하여 얻은 파레토 최적해 설계안들을 분석하여 각 설계 변수의 상관관계를 평가하고, 통합 최적 설계를 수행하지 않은 구조물과의 지진 응답을 비교하였다.
이를 위하여 20층과 12층으로 구성된 인접한 예제 구조물을 모델링하였고, 12층에 MR 감쇠기를 설치하여 스마트 연결 제어 시스템을 구성하였다. 지진 응답 제어 성능을 평가하기 위하여 인공 지진을 생성하여 시간 이력 해석을 수행하였다. 다목적 유전자 알고리즘을 이용하여 구조물의 강성 물량, 감쇠 물량, MR 감쇠기 용량, 두 건물의 최대 응답을 목적 함수로 선정하여 최적화 작업을 수행하였다.

이론/모형

구조물의 물량 및 제어 시스템 용량과 구조물의 응답 사이에는 상충 관계(Trade-off)가 있기 때문에 다목적 최적화(Multiobjective optimization) 기법이 사용되어야 한다. 본 연구에서는 NSGA-IId (a fast elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithm)¹⁶⁾ 최적화 기법을 적용하였다. 예제 구조물로 20층과 12층의 인접한 빌딩을 선택하고 두 건물의 연결 제어를 위한 제어 장치로 MR 감쇠기를 사용하였다.
이는 일반적인 빌딩 구조물이 캔틸레버와 같은 거동을 하여 최상층에서 가장 큰 동적 거동의 차이를 나타내기 때문이다. 스마트 연결 제어 시스템의 가장 중요한 제어 장치인 MR 감쇠기를 모형화하기 위해서 일반적으로 사용되는 수치 해석 모델인 Bouc-Wen 모델을 사용하였고 이를 [Fig. 3]의 연결 건물 사이에 표현하였다.
다목적 최적화 기법에는 지금까지 매우 다양한 방법이 제안되어 왔는데 여러 개체를 동시에 평가할 수 있는 유전자 알고리즘이 적합하다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 공학 분야의 다목적 최적화 문제 해결에 많이 적용되고 있는 NSGA-II1⁶⁾를 이용하여 스마트 연결 제어 시스템과 연결 구조물의 통합 최적 설계를 수행하였다. NSGA-II를 이용하여 스마트 연결 제어 시스템, 연결된 구조물 및 지진 응답에 대한 다목적 통합 최적화를 수행하는 과정을 [Fig.
앞서 설명한 통합 최적 설계 알고리즘을 이용하여 예제 구조물에 대한 최적화 작업을 수행하였다. 예제 구조물에 대한 시간 이력 해석을 위하여 MATLAB 버전 R2016a와 SIMULINK를 사용하여 운동 방정식을 구성하였다. NSGA-II로 다목적 최적 설계를 수행하기 위하여 한 세대를 이루는 개체군은 100개의 개체로 하였으며 최적화는 500세대까지 수행하였다.

성능/효과

이때 사용된 강성 물량은 기존 구조물과 거의 같았고 감쇠 물량은 설계안 B와 같이 약 70% 줄일 수 있었다. 주목적인 빌딩 B의 최대 응답은 20% 저감시킬 수 있었고, 빌딩 A의 응답도 8% 저감시킬 수 있었다.
다목적 유전자 알고리즘을 이용하여 구조물의 강성 물량, 감쇠 물량, MR 감쇠기 용량, 두 건물의 최대 응답을 목적 함수로 선정하여 최적화 작업을 수행하였다. 최적화 결과, 각 목적 함수에 대해 우수한 성능을 나타내는 구조물 물량과 제어 시스템 용량의 최적 설계안을 파레토 최적해의 형태로 얻을 수 있었다. 제안된 방법을 통해서 얻은 설계안은 최적화 목적에 부합하는 물량 감소나 응답 감소에 효과적인 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
최적화 결과, 각 목적 함수에 대해 우수한 성능을 나타내는 구조물 물량과 제어 시스템 용량의 최적 설계안을 파레토 최적해의 형태로 얻을 수 있었다. 제안된 방법을 통해서 얻은 설계안은 최적화 목적에 부합하는 물량 감소나 응답 감소에 효과적인 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 제한된 예제 구조물 및 하중을 사용하였으므로 연구 결과의 신뢰성을 높이기 위하여 추후 다양한 구조물에 대한 설계 방법 검토가 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

제안된 방법을 통해서 얻은 설계안은 최적화 목적에 부합하는 물량 감소나 응답 감소에 효과적인 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 제한된 예제 구조물 및 하중을 사용하였으므로 연구 결과의 신뢰성을 높이기 위하여 추후 다양한 구조물에 대한 설계 방법 검토가 필요할 것으로 판단된다. 또한 각 층에 강성 및 감쇠를 늘릴 수 있는 현실적인 방안에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.
본 연구에서는 제한된 예제 구조물 및 하중을 사용하였으므로 연구 결과의 신뢰성을 높이기 위하여 추후 다양한 구조물에 대한 설계 방법 검토가 필요할 것으로 판단된다. 또한 각 층에 강성 및 감쇠를 늘릴 수 있는 현실적인 방안에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 제어 장치의 특징은?	최근에는 준능동 및 스마트 제어 장치를 이용한 고층 건물의 동적 응답 제어에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 실제 적용 사례도 꾸준히 증가하고 있다7),8). 스마트 제어 장치가 보여주는 능동 제어 장치와 같은 적응성과 수동 제어 장치와 같은 안정성 때문에 인접한 건물의 연결 제어 시스템에 적용하여 그 효율성을 검증하는 연구도 국내외에서 수행되고 있다1),9),10).
	동시 통합 설계의 목적은 무엇인가?	연결된 구조물과 연결 제어 시스템을 통합하여 최적화 작업을 수행할 때에는 구조 부재의 물량 및 제어 시스템의 용량을 줄이는 것이 목적이 될 수 있다. 이때 구조물의 응답을 줄이는 것도 최적 설계의 목적에 포함되어야 한다.
	스마트 연결 제어 시스템이 사용되는 상황은?	스마트 및 준능동 제어 장치를 활용한 연결 제어 시스템에 관한 연구는 주로 제어 장치의 최적 설계 및 최적 제어 알고리즘 개발에 대해 이루어지고 있다. 수동 또는 스마트 연결 제어 시스템은 지진 하중을 받는 인접한 고층 건물의 설계가 이루어진 후 추가적인 구조 성능 개선이 필요한 상황에서 사용되고 있다. 즉 대상 구조물의 구조 부재 최적 설계가 수행된 후 추가적인 구조 제어 시스템의 설계를 수행하는 순차적인 설계 방법은 설계 과정이 명확하고 비교적 용이하므로 기존 구조물의 동적 응답 제어 장치의 설계 시 일반적으로 수행되고 있는 방법이다11).

참고문헌 (17)

10.9712/KASS.2018.18.4.97 Kim, H. S., “Performance Evaluation of Multi-Hazard Adaptive Smart Control Technique Based on Connective Control System”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.4, pp.97~104, 2018

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10.1002/tal.592 Lee, D. G., Kim, H. S., & Ko, H., “Evaluation of coupling-control effect of a sky-bridge for adjacent tall buildings”, Structural Design of Tall and Special Buildings, Vol.21, No.5, pp.311~328, 2012

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10.1061/(ASCE)0733-9445(2006)132:6(853) Christenson, R. E., Spencer, B. F., Johnson, E. A., & Seto, K., “Coupled building control considering the effects of building/ connector configuration”, Journal of Structural Engineering, Vol.132, No.6, pp.853~863, 2006

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Ruiz Sandoval, M. E., Ugarte, L. B., & Spencer, B. F. (2012). Study of Structural Control in Coupled Buildings. Proceedings of the 15th World Conference on Earthquake Engineering, Portugal
Kim, H. S., Park, Y. K., Ko, H., Lee, U. H., & Lee, D. G., “Performance Evaluation of Vibration Control According to Installation Location of a Sky-bridge”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.10, No.3 pp.65~74, 2010
10.5000/EESK.2007.11.1.011 Ok, S. Y., Kim, D. S., Park, K. S., & Koh, H. M., “GA-Based Optimal Design for Vibration Control of Adjacent Structures with Linear Viscous Damping System”, Journal of Earthquake Engineering Society of Korea, Vol.11, No.1, pp.11~19, 2007

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10.9712/KASS.2016.16.4.091 Kim, H. S., & Kang, J. W., “Seismic Response Control of Retractable-roof Spatial Structure Using Smart TMD”, Journal of the Korean Association for Spacial Structures, Vol.16, No.4, pp.91~100, 2016

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Koo, J. H. (2003). Using magneto-rheological dampers in semiactive tuned vibration absorbers to control structural vibrations (Doctoral dissertation). Virginia Polytechnic Institute and State University, USA.
10.1117/12.388850 Christenson, R. E., Spencer, B. F., Johnson, E. A., & Seto, K. (2000). Coupled building control using smart damping strategies. Proceedings of the SPIE's 7th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, USA, Vol.3985
10.3923/jas.2011.2816.2822 Shahidzadeh, M. S., Tarzi, H., & Dorfeshan, M., “Takagi-Sugeno Fuzzy Control of Adjacent Structures Using MR Dampers”, Journal of Applied Sciences, Vol.11, No.15, pp.2816~2822, 2011

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10.1016/j.advengsoft.2003.10.004 Park, K. S., & Koh, H. M., “Preference-based optimum design of an integrated structural control system using genetic algorithms”, Advances in Engineering Software, Vol.35, No.2, pp.85~94, 2004

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10.5000/EESK.2008.12.2.009 Ok, S. Y., Park, K. S., Song, J. H., & Koh, H. M., “Multi-Objective Integrated Optimal Design of Hybrid Structure-Damper System Satisfying Target Reliability”, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol.12, No.2, pp.9~22, 2008

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10.7734/COSEIK.2013.26.1.69 Kim, H. S., & Kang, J. W., “Multi-objective Integrated Optimization of Diagrid Structure-smart Control Device”, Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea, Vol.26, No.1, pp.69~77, 2013

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10.11112/jksmi.2013.17.5.013 Kim, H. S., & Kang, J. W., “Study of Integrated Optimal Design of Smart Top-Story Isolation and Building Structures in Regions of Low-to-Moderate Seismicity”, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.17, No.5, pp.13~20, 2013

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10.1016/j.engstruct.2003.12.004 Park, K. S., Koh, H. M., & Hahm, D., “Integrated optimum design of viscoelastically damped structural systems”, Engineering Structures, Vol.26, No.5, pp.581~591, 2004

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10.1109/4235.996017 Deb, K., Pratap, A., Agarwal, S., & Meyarivan, T., “A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II”, IEEE Transactions on Evolutionary Computation, Vol.6, No.2, pp.182~197, 2002

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Gasparini, D. A., & Vanmarcke, E. H. (1976). Simulated earthquake motions compatible with prescribed response spectra (Report No. R76-4). USA: Cambridge, Massachusetts Institute of Technology

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