[논문]GA를 이용한 최적설계 기반 아웃리거 시스템 구조물의 부재 단면 및 아웃리거 위치 선정

이은석; 최세운; 박효선

GA를 이용한 최적설계 기반 아웃리거 시스템 구조물의 부재 단면 및 아웃리거 위치 선정
Selection of Sectional Dimensions and Outrigger Locations of Outrigger Structure Based on Optimum Design Using G.A 원문보기

이은석 (연세대학교 건축공학과) , 최세운 (연세대학교 건축공학과) , 박효선 (연세대학교 건축공학과)

본 논문에서는 초고층 전단벽-아웃리거 시스템에 대해, 기존의 근사해석법과 유전알고리즘을 이용하여, 물량최적설계 기반의 구성요소 단면 및 아웃리거 최적위치 결정에 관해 연구를 진행하였다. 아웃리거 시스템의 최적성은 아웃리거의 위치와 아웃리거 시스템을 구성하는 전단벽-아웃리거, 외곽기둥의 단면 성능의 복잡한 관계에 의해 역학적으로 결정된다. 하지만 기존의 아웃리거 시스템의 최적화 연구는 대부분 전단벽과 아웃리거, 외곽기둥의 단면은 고정된 상태에서, 아웃리거의 위치만 설계변수로 하여 아웃리거의 최적위치를 찾는 연구에 국한되어 있다. 이에 본 연구에서는 G.A.를 이용하여, 아웃리거 설치위치뿐만 아니라 전단벽과 아웃리거, 외곽기둥의 단면까지 설계변수로 하여 물량최적설계 조건을 만족시키는 아웃리거시스템의 최적설계 연구를 진행하였다. 또한 반복 계산의 시간을 줄이기 위해 기존의 근사해석법을 사용하였다. 본 연구의 결과는 초고층 구조물의 초기 설계 시에 구성요소의 단면 및 아웃리거 설치 층의 선정에 적극 활용될 수 있을 것이다.

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문제 정의

본 연구에서는 G.A.를 이용하여 강성이 선형으로 변하는 모델에 대해 아웃리거 설치위치뿐만 아니라 전단벽과 아웃리거, 외곽기둥의 단면까지 설계변수로 하여 물량최적설계 조건을 만족시키는 아웃리거시스템의 최적설계 연구를 진행하였다. 본 연구의 결과는 초고층 구조물의 초기 설계 시에 구성요소의 단면 및 아웃리거 설치 층의 선정에 적극 활용될 수 있을 것이다.

제안 방법

풍하중은 KBC-2009에 의해 서울, 노풍도 B 지역에 밀폐형구조물에 해당하는 하중을 산정하고, 이를 밑면 전도모멘트 기준으로 사다리꼴 하중으로 변환하여 사용하였다. 구성요소 각각의 단면은 전단벽의 휨강성과, 외곽기둥의 축강성은 선형으로 변하며 최상층에서 0 값을 갖도록하고, 아웃리거는 등단면으로 구성하였다. 해석모델은 높이(H) 400m, 층고 4m, 건물 폭(B) 50m, 건물 깊이(D) 50m, 전단벽은 정방형으로 폭은 25m이고, 2개층 높이(8m)의 춤을 갖는 아웃리거가 2곳에 설치되도록 설정하였다.
본 연구에서 목표하는 구조물의 총 물량은 전단벽과 아웃리거, 그리고 외곽기둥의 물량의 합으로 하며, 구조물을 구성하는 기타 골조(기둥, 보, 슬래브) 물량은 고려하지 않는다. 또한 반복해석에 따른 연산시간을 줄이기 위해 2D 근사해석모델로 해석을 수행하였고, 풍하중에의한 휨변위만을 고려하였다. 풍하중은 KBC-2009에 의해 서울, 노풍도 B 지역에 밀폐형구조물에 해당하는 하중을 산정하고, 이를 밑면 전도모멘트 기준으로 사다리꼴 하중으로 변환하여 사용하였다.
최상층변위(H/500) 제약조건을 만족하면서 동시에 총 구조물량(부피)인 목적함수의 적합도를 최적으로 하는 설계변수를 찾는 정식화 과정이다. 본 연구에서는 페널티값을 사용하여 최상층변위 제약조건을 목적함수에 포함시켰다.
또한 반복해석에 따른 연산시간을 줄이기 위해 2D 근사해석모델로 해석을 수행하였고, 풍하중에의한 휨변위만을 고려하였다. 풍하중은 KBC-2009에 의해 서울, 노풍도 B 지역에 밀폐형구조물에 해당하는 하중을 산정하고, 이를 밑면 전도모멘트 기준으로 사다리꼴 하중으로 변환하여 사용하였다. 구성요소 각각의 단면은 전단벽의 휨강성과, 외곽기둥의 축강성은 선형으로 변하며 최상층에서 0 값을 갖도록하고, 아웃리거는 등단면으로 구성하였다.

대상 데이터

구성요소 각각의 단면은 전단벽의 휨강성과, 외곽기둥의 축강성은 선형으로 변하며 최상층에서 0 값을 갖도록하고, 아웃리거는 등단면으로 구성하였다. 해석모델은 높이(H) 400m, 층고 4m, 건물 폭(B) 50m, 건물 깊이(D) 50m, 전단벽은 정방형으로 폭은 25m이고, 2개층 높이(8m)의 춤을 갖는 아웃리거가 2곳에 설치되도록 설정하였다.

이론/모형

아웃리거 시스템 초고층건물의 물량 최적설계 기법으로, 발견적기법(Heuristic Method) 중에서 해의 탐색 능력이 우수하며, 설계 변수와 제약이 많은 대형 수리 문제에 적합한 것으로 알려진 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 선택하였다. GA는 Matlab Toolbaxes를 이용하였고 교차율은 0.8, 돌연변이율은 0.03, 개체수는 50, 그리고 세대수는 100에서 종료하도록 하였다.
본 연구에서는 전역 최적화 기법 중 하나인 GA(genetic algorithm : 이하 GA)을 이용하여 전단벽-아웃리거-외곽기둥으로 구성된 아웃리거 시스템의 물량최적설계를 수행하였다. 본 연구의 결과는 초고층 구조물의 초기 설계 시에 구성요소의 단면 및 아웃리거 설치 층의 선정에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
아웃리거 시스템 초고층건물의 물량 최적설계 기법으로, 발견적기법(Heuristic Method) 중에서 해의 탐색 능력이 우수하며, 설계 변수와 제약이 많은 대형 수리 문제에 적합한 것으로 알려진 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 선택하였다. GA는 Matlab Toolbaxes를 이용하였고 교차율은 0.

후속연구

본 연구의 결과는 초고층 구조물의 초기 설계 시에 구성요소의 단면 및 아웃리거 설치 층의 선정에 적극 활용될 수 있을 것이다. 또한 추가적으로 최적화 수행 과정에서 실제 시공성을 고려한 절차가로 추가되거나, 최적화 수행 후에 구성요소의 단면 치수를 시공성을 고려하여 수정하는 절차를 거친다면 좀 더 높은 현장 적용성을 확보할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 전역 최적화 기법 중 하나인 GA(genetic algorithm : 이하 GA)을 이용하여 전단벽-아웃리거-외곽기둥으로 구성된 아웃리거 시스템의 물량최적설계를 수행하였다. 본 연구의 결과는 초고층 구조물의 초기 설계 시에 구성요소의 단면 및 아웃리거 설치 층의 선정에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
를 이용하여 강성이 선형으로 변하는 모델에 대해 아웃리거 설치위치뿐만 아니라 전단벽과 아웃리거, 외곽기둥의 단면까지 설계변수로 하여 물량최적설계 조건을 만족시키는 아웃리거시스템의 최적설계 연구를 진행하였다. 본 연구의 결과는 초고층 구조물의 초기 설계 시에 구성요소의 단면 및 아웃리거 설치 층의 선정에 적극 활용될 수 있을 것이다. 또한 추가적으로 최적화 수행 과정에서 실제 시공성을 고려한 절차가로 추가되거나, 최적화 수행 후에 구성요소의 단면 치수를 시공성을 고려하여 수정하는 절차를 거친다면 좀 더 높은 현장 적용성을 확보할 수 있을 것이다.

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