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문제 정의
- 따라서 본 연구에 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템과 빌딩 구조물의 동시 최적화 구조물의 통합 최적 설계 기법을 제안하고 그 효용성을 검증하고자 한다.
- 전술한 바와 같이 본 연구에서는 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템과 구조물을 동시에 고려하는 통합 최적 설계 기술 개발을 최종 목표로 하고 있다. 목표를 달성하기 위해서는 우선 적절한 설계 변수를 선택하는 것이 필요하다.
- 본 연구에서는 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템과 건축 구조물 설계를 동시에 수행하는 통합 최적 설계 기술을 제안하고 그 성능을 검증하였다. 더욱 실제적인 검토를 위하여 중간층 면진 시스템이 사용된 시오도메 스미토모 건물의 구조 특성치를 그대로 사용하여 예제 구조물을 구성하였다.
제안 방법
- 해당 건물은 규모 6.5의 강진에도 데이터 장비가 중단 없이 안전하게 가동될 수 있도록 데이터 센터의 2층과 3층 사이에 중간층 면진 시스템을 적용하여 3~10층에 위치한 서버실을 지진 하중으로부터 분리하는 역할을 하도록 설계하였다5).
- 이때 기존 시오도메 스미토모 건물의 층 질량 및 강성과 감쇠는 그대로 사용하고 실제 적용된 수동 중간층 면진 시스템 대신 개발된 하이브리드 중간층 면진 시스템을 적용하였고 최적 제어 알고리즘을 퍼지논리제어기로 개발하였다.
- LD와 SD의 항복 후 소성 거동을 표현하기 위하여 LD와 SD의 항복 전단력은 각각 22,000kN과 3,500kN으로 설정하였다.
- 통합 최적설계를 수행할 때 구조물 물량 및 제어 시스템 용량과 구조물의 지진 응답은 반비례하기 때문에 단일 목적의 최적화 알고리즘을 적용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 다목적 최적화 알고리즘 중에서 다수의 개체를 활용한 유전자 알고리즘을 이용하여 통합 최적 설계를 구현하였다. 예제 구조물로는 중간층 면진 시스템이 실제로 적용된 [Fig .
- 2]의 시오도메 스미토모 건물을 사용하였다. 통합 최적화에는구조물의 강성 및 감쇠와 함께 하이브리드 중간층면진 시스템의 핵심 구성 요소인 MR 감쇠기의 최대 제어 용량을 설계 변수로 선택하였다. 최적화 작업의 목적 함수로는 3가지 설계 변수와 함께 구조물의 안전성을 나타내는 핵심 요소인 최대 층간 변위 및 최대 면진층 변위를 선택하였다.
- 최적화 작업의 목적 함수로는 3가지 설계 변수와 함께 구조물의 안전성을 나타내는 핵심 요소인 최대 층간 변위 및 최대 면진층 변위를 선택하였다. 다목적 유전자 알고리즘을 적용하여 수치 해석을 수행한 후 얻은 파레토 최적해 설계안에 대하여 각 목적 함수 간 관계를 분석하였고 각 설계 변수들의 상관 관계를 평가하였다. 또한 기존의 순차적 방법을 통한 설계 결과와 통합 최적 설계의 결과를 비교하여 제안된 방법의 성능을 검증하였다.
- 본 연구에서 개발하여 시오도메 스미토모 건물에 적용한 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템은 [Fig .3]에 나타낸 면진층의 구성 요소 중 고무 베어링과 강재 댐퍼는 그대로 사용하고 납 댐퍼를 대신하여 MR (Magnetorheological) 감쇠기를 사용하였다. MR 감쇠기는 스마트 감쇠기로서 안정성 및 효율성을 검증받아 토목 및 건축 구조물의 내진 성능 향상을 위해서 다수 적용된 사례가 있다.
- (2007)의 연구 결과를14)사용하였다. 1,000kN 용량을 기본으로 하여 최적화 과정을 통해 하이브리드 중간층 면진 시스템에 적합한 용량을 찾아내는 작업을 수행하였다.
- 지진 응답 평가를 위한 인공 지진 하중을 작성하기 위하여 강진 지역의 특성을 나타내는 IBC2012설계 기준에 근거한 설계 응답 스펙트럼을 사용하였다. 이를 기반으로 한 인공 지반 가속도를 생성하기 위해서 선행 연구7)에서 사용한 역사 지진의 지진동 파형과 동일한 위상 특성을 지니고 설계용 가속도 응답 스펙트럼에 매우 근접한 응답 스펙트럼을 갖는 인공 지진을 작성하는 방법을 사용하였다. 인공지진 작성을 위해서 구조물의 지진 응답 거동 분석시 널리 사용되고 있는 El Centro (1940, NS) 지진 하중을 사용하였다.
- 목표를 달성하기 위해서는 우선 적절한 설계 변수를 선택하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 대상 예제 구조물의 층강성 및 감쇠 물량과 함께 하이브리드 면진 시스템의 MR 감쇠기 용량을 설계 변수로 선택하였다. 통합 최적 설계에서는 이러한 경제성 측면의 구조물 및 구조 제어 시스템 물량 최적화와 구조물의 지진 응답을 동시에 최소화하는다목적 최적화 문제가 된다.
- NSGA-II를 이용한 통합 최적 설계 과정에서는 25층 예제 구조물의 강성 및 감쇠와 더불어 MR감쇠기의 용량을 유전자 알고리즘에 의해 적절한 값으로 설정한 후 구조물의 지진 응답을 평가한다. 이러한 방법으로 모든 개체에 대한 시간 이력 해석과 지진 응답 평가를 수행한 후 우수한 개체를 선정하여 유전자 교배를 통해 다음 세대를 구성한다. 본연구에서 적용한 5개의 다목적 최적화 목적 함수를 [Table .
- 세 번째 목적 함수(J3)는 하이브리드 지진 격리 시스템에 사용된 MR 감쇠기의 용량으로 하였다. 네 번째 목적 함수(J4)는 11층과 12층 사이의 면진층에서 발생하는 최대 층간 변위 응답으로 하였고, 마지막으로 다섯 번째 목적 함수(J5)로는 예제 구조물에서 발생하는 최대 층간 변위 응답을 선택하였다. 25층 예제 구조물의 최대 층간 변위는 면진 시스템이 설치된 곳 바로 아래층인 11층에서 발생한다.
- 따라서 격리된 상부 구조물의 과도한 동적 응답을 저감시키기 위하여 전통적인 준능동 제어 알고리즘인 그라운드훅(Groundhook) 제어 알고리즘을 사용하였다. 본 연구에서 제안한 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템을 이용하여 가상의 그라운드훅 시스템을 모사한다.
- Design 4는 강성과 감쇠를 각각 10%와 2% 줄이면서도 최대 면진층 변위와 층간 변위를 34% 및 39% 더 줄일 수 있는 매우 우수한 설계안이다. 따라서 본 연구에서는 Design 4 설계안을 사용하여 조금 더 구체적인 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템과 건축 구조물 설계를 동시에 수행하는 통합 최적 설계 기술을 제안하고 그 성능을 검증하였다. 더욱 실제적인 검토를 위하여 중간층 면진 시스템이 사용된 시오도메 스미토모 건물의 구조 특성치를 그대로 사용하여 예제 구조물을 구성하였다. 면진층에 기존 납 댐퍼 대신 MR 감쇠기를 사용하여 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템을 구성하였다.
- 더욱 실제적인 검토를 위하여 중간층 면진 시스템이 사용된 시오도메 스미토모 건물의 구조 특성치를 그대로 사용하여 예제 구조물을 구성하였다. 면진층에 기존 납 댐퍼 대신 MR 감쇠기를 사용하여 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템을 구성하였다. 다목적 유전자 알고리즘을 이용하여 구조물의 강성 및 감쇠 물량, MR 감쇠기 용량, 최대 면진층 변위 및 층간 변위를 목적 함수로 선정하여 최적화 작업을 수행하였다.
- 면진층에 기존 납 댐퍼 대신 MR 감쇠기를 사용하여 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템을 구성하였다. 다목적 유전자 알고리즘을 이용하여 구조물의 강성 및 감쇠 물량, MR 감쇠기 용량, 최대 면진층 변위 및 층간 변위를 목적 함수로 선정하여 최적화 작업을 수행하였다. 최적화 결과, 각각의 목적 함수에 대해서 우수한 성능을 나타내는 구조물 물량과 제어 시스템 용량의 최적 설계안을 파레토 최적해의 형태로 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 동일 하이빌 뉴시티3)는 지상 7층 이하는 상업 시설, 지상 8층 이상은 주거 시설로 구성된 주상 복합 건물로 구조 시스템이 변경되는 7층과 8층 사이에 중간층 면진 시스템을 적용하여 내진 성능을 확보하였다. 중간층 지진 격리 시스템이 적용된 또 다른 건물인 경기도 의왕시 소재 NH 통합 IT센터를 [Fig .1]에 나타내었다.해당 건물은 규모 6.
- 강진 지역인 일본에 건설된 중간층 지진 격리 시스템이 설치된 고층 건물을 [Fig .2]에 나타내었다. 이 건물은 시오도메 스미토모 건물로 저층부에 큰아트리움을 가지고 있으며, 고무 베어링(Laminatedrubber isolator)과 강재 댐퍼를 사용하여 구성한 중간층 면진 시스템이 적용되어 있다6).
- 하이브리드 중간층 면진 시스템이 설치된 고층 건물에 통합 최적 설계 기술을 적용하기 위해 [Fig .2]에 나타낸 시오도메 스미토모 건물을 예제 구조물로 선택하였다.
- 따라서 본 연구에서는 다목적 최적화 알고리즘 중에서 다수의 개체를 활용한 유전자 알고리즘을 이용하여 통합 최적 설계를 구현하였다. 예제 구조물로는 중간층 면진 시스템이 실제로 적용된 [Fig .2]의 시오도메 스미토모 건물을 사용하였다. 통합 최적화에는구조물의 강성 및 감쇠와 함께 하이브리드 중간층면진 시스템의 핵심 구성 요소인 MR 감쇠기의 최대 제어 용량을 설계 변수로 선택하였다.
- 2]에 나타낸 시오도메 스미토모 건물을 예제 구조물로 선택하였다. 예제 구조물의 전체 높이는 126.1m, 일반 층의 층고는 4.2m이다. 건물은 25층의 철골조 구조물로 지하층은 3층으로 구성되어 있다.
- 2m이다. 건물은 25층의 철골조 구조물로 지하층은 3층으로 구성되어 있다. 지진 격리층은 11층과 12층 사이에 위치하고 있으며 지진격리층 상부의 14개 층은 일반 오피스 용도로 사용하고 하부의 11개 층은 호텔로 사용하고 있다.
- 지진 격리층은 11층과 12층 사이에 위치하고 있으며 지진격리층 상부의 14개 층은 일반 오피스 용도로 사용하고 하부의 11개 층은 호텔로 사용하고 있다. 지진 격리층에 사용된 시스템은 [Fig .3]에 나타낸 바와 같이 1,000~1,300mm의 직경을 가진 41개의 적층 고무 면진 장치(Rubber Bearing; RB)와 100개의 납 댐퍼(Lead Damper; LD) 및 14개의 강재 댐퍼(Steel Damper; SD)로 구성되어 있다. 예제 구조물의 질량 및 강성 등의 구조적 특징은 선행 연구6)에서 제시한 값을 그대로 사용하였으며 층별 집중 질량을 가지는 막대 모델로 표현하였다.
- 이를 기반으로 한 인공 지반 가속도를 생성하기 위해서 선행 연구7)에서 사용한 역사 지진의 지진동 파형과 동일한 위상 특성을 지니고 설계용 가속도 응답 스펙트럼에 매우 근접한 응답 스펙트럼을 갖는 인공 지진을 작성하는 방법을 사용하였다. 인공지진 작성을 위해서 구조물의 지진 응답 거동 분석시 널리 사용되고 있는 El Centro (1940, NS) 지진 하중을 사용하였다. 이러한 방법으로 작성한 인공 지진동의 가속도 시간 이력을 [Fig .
- NSGA-II로 다목적 최적 설계를 수행하기 위하여 한 세대를 이루는 개체군은 100개의 개체로 하였으며 최적화는 1,000세대까지 수행하였다. 다양한 목적 함수의 상대적 관계를 확인하기 위하여 통합 최적화 작업을 수행한 결과인 파레토 최적해 집합을 [Fig .
- 앞서 선택한 Design 4의 지진 응답(Model 3)을 기존 시오도메 스미토모 건물(Model 2)과 중간층 면진 시스템을 사용하지 않은 일반 구조물(Model 1)의 응답과 비교하기 위하여 [Table .3]에 나타낸 바와 같이 3개의 모델을 사용하였다.
데이터처리
- 다목적 유전자 알고리즘을 적용하여 수치 해석을 수행한 후 얻은 파레토 최적해 설계안에 대하여 각 목적 함수 간 관계를 분석하였고 각 설계 변수들의 상관 관계를 평가하였다. 또한 기존의 순차적 방법을 통한 설계 결과와 통합 최적 설계의 결과를 비교하여 제안된 방법의 성능을 검증하였다.
이론/모형
- 3]에 나타낸 바와 같이 1,000~1,300mm의 직경을 가진 41개의 적층 고무 면진 장치(Rubber Bearing; RB)와 100개의 납 댐퍼(Lead Damper; LD) 및 14개의 강재 댐퍼(Steel Damper; SD)로 구성되어 있다. 예제 구조물의 질량 및 강성 등의 구조적 특징은 선행 연구6)에서 제시한 값을 그대로 사용하였으며 층별 집중 질량을 가지는 막대 모델로 표현하였다. 면진층을 구성하는 베어링의 초기 강성은 RB 807kN/cm, LD 26,500kN/cm, SD678kN/cm의 값을 사용하였다.
- MR 감쇠기는 스마트 감쇠기로서 안정성 및 효율성을 검증받아 토목 및 건축 구조물의 내진 성능 향상을 위해서 다수 적용된 사례가 있다. MR 감쇠기의 비선형 동적 거동을 표현하기 위해서 현재 가장 널리 사용되고 있는 수치 해석 모델인 Bouc-Wen 모델13)을 사용하였다. 지금까지 많은 연구자들에 의해서 Bouc-Wen 모델을 사용한 연구가 수행되었으며 실제 MR 감쇠기의 비선형 동적 거동을 정확하게 모형화하기 위한 다양한 변수값들이 제시되었다.
- 지진 응답 평가를 위한 인공 지진 하중을 작성하기 위하여 강진 지역의 특성을 나타내는 IBC2012설계 기준에 근거한 설계 응답 스펙트럼을 사용하였다. 이를 기반으로 한 인공 지반 가속도를 생성하기 위해서 선행 연구7)에서 사용한 역사 지진의 지진동 파형과 동일한 위상 특성을 지니고 설계용 가속도 응답 스펙트럼에 매우 근접한 응답 스펙트럼을 갖는 인공 지진을 작성하는 방법을 사용하였다.
- 통합 최적 설계에서는 이러한 경제성 측면의 구조물 및 구조 제어 시스템 물량 최적화와 구조물의 지진 응답을 동시에 최소화하는다목적 최적화 문제가 된다. 지금까지 제안된 다양한 다목적 최적화 기법 중에서 여러 개체를 동시에평가할 수 있는 유전자 알고리즘을 본 연구에서 사용하였다. 다양한 유전자 알고리즘 중에서 여러 공학 분야의 다목적 최적화 문제 해결에 적용되고 있는 NSGA-II15)를 이용하여 통합 최적 설계를 수행하였다.
- 지금까지 제안된 다양한 다목적 최적화 기법 중에서 여러 개체를 동시에평가할 수 있는 유전자 알고리즘을 본 연구에서 사용하였다. 다양한 유전자 알고리즘 중에서 여러 공학 분야의 다목적 최적화 문제 해결에 적용되고 있는 NSGA-II15)를 이용하여 통합 최적 설계를 수행하였다. NSGA-II를 이용한 통합 최적 설계 과정에서는 25층 예제 구조물의 강성 및 감쇠와 더불어 MR감쇠기의 용량을 유전자 알고리즘에 의해 적절한 값으로 설정한 후 구조물의 지진 응답을 평가한다.
- 그러나 상부층의 과도한 응답은 거주자의 불안감을 야기시키고 면진층의 과도한 변위에 의해서 구조물의 안전성을 저하시킬 가능성이 있다. 따라서 격리된 상부 구조물의 과도한 동적 응답을 저감시키기 위하여 전통적인 준능동 제어 알고리즘인 그라운드훅(Groundhook) 제어 알고리즘을 사용하였다. 본 연구에서 제안한 하이브리드 중간층 지진 격리 시스템을 이용하여 가상의 그라운드훅 시스템을 모사한다.
성능/효과
- Design 1은 기존 시오도메 스미토모 건물과 비교하여 강성은 15% 줄이고 감쇠는 비슷하게 유지하면서 최대 면진층 변위는 4%, 최대 층간 변위는 40% 더 저감시킬 수 있는 설계안이다. Design 2의 경우 강성 및 감쇠는 Design 1과 비슷하지만 MR 감쇠기 용량을 증가시켜 최대 면진층 변위와 층간 변위를 모두 30% 가까이 줄일 수 있다.
- 층간 변위가 가장 큰 11층의 층간 변위 시간 이력을 비교한 [Fig .11]을 보면 중간층 지진 격리 시스템을 사용하지 않은 일반 구조물(Model 1)은 층간 변위 허용치인 0.063m(층고의 1.5%)를 넘는 것을 알 수 있다.
- 5%)를 넘는 것을 알 수 있다. 실제 구조물인 Model 2는 최대 층간 변위를 대폭 저감시킬 수 있었고, 제안된 Model 3은 Model 2보다 강성 및 감쇠 물량을 조금 사용하면서 최대 응답을 40% 더 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있다. [Fig .
- 다목적 유전자 알고리즘을 이용하여 구조물의 강성 및 감쇠 물량, MR 감쇠기 용량, 최대 면진층 변위 및 층간 변위를 목적 함수로 선정하여 최적화 작업을 수행하였다. 최적화 결과, 각각의 목적 함수에 대해서 우수한 성능을 나타내는 구조물 물량과 제어 시스템 용량의 최적 설계안을 파레토 최적해의 형태로 얻을 수 있었다. 제안된 통합 최적 설계 기법을 사용하여 얻은 설계안은 최적화 목적에 부합하는 물량 감소나 응답 감소에 효과적인 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 최적화 결과, 각각의 목적 함수에 대해서 우수한 성능을 나타내는 구조물 물량과 제어 시스템 용량의 최적 설계안을 파레토 최적해의 형태로 얻을 수 있었다. 제안된 통합 최적 설계 기법을 사용하여 얻은 설계안은 최적화 목적에 부합하는 물량 감소나 응답 감소에 효과적인 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 기존 건물에 비하여 강성 및 감쇠를 적게 사용하면서도 최대 면진층 및 층간 변위를 대폭 저감할 수 있었다.
- 제안된 통합 최적 설계 기법을 사용하여 얻은 설계안은 최적화 목적에 부합하는 물량 감소나 응답 감소에 효과적인 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 기존 건물에 비하여 강성 및 감쇠를 적게 사용하면서도 최대 면진층 및 층간 변위를 대폭 저감할 수 있었다. 본 연구에서는 사용된 물량 및 구조물의 응답만으로 최적 설계안을 제시하였으나 추후 본 연구에서 제안된 하이브리드 제어 시스템의 설치 및 운영 비용 등을 고려한 경제적인 검토가 수행되는 것이 필요하다고 판단된다.
후속연구
- 또한 기존 건물에 비하여 강성 및 감쇠를 적게 사용하면서도 최대 면진층 및 층간 변위를 대폭 저감할 수 있었다. 본 연구에서는 사용된 물량 및 구조물의 응답만으로 최적 설계안을 제시하였으나 추후 본 연구에서 제안된 하이브리드 제어 시스템의 설치 및 운영 비용 등을 고려한 경제적인 검토가 수행되는 것이 필요하다고 판단된다.
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