다중 하중을 받는 건축구조물의 비용 최소화를 위한 최적설계

Abstract

and the stress. Also, the information of the cross-section of 15 structural groups is selected as design variables to have an optimal design on the steel framework. The structural analysis is performed by Abaqus, the structural analysis tool, and we integrated two programs (Abaqus and PIAnO) using the PIDO technique. An optimal design is obtained using Sequential Two-point Diagonal Quadratic Approximate Optimization with PIAnO. As a result, the volume is reduced by 44.4 %. The constraints are: the displacement under compressive load; the displacement ratio under x-direction seismic load and y direction seismic load. Also, the ratios of the cross-section size of 91 structural groups are selected as design variables to have an optimal design of the reinforced concrete building. In the analysis, we use a commercial architectural structural analysis tool, MIDAS/Gen. Orthogonal Array is used to generate training points, approximate displacement models are generated from structural analysis results, and accuracies of meta-models are evaluated. Subsequently, an optimal design is obtained using STDQAO by solving the approximate optimization problem. As a result, the volume is reduced by 43.9 %. Also, design variables and constraints to adjust the limit were proposed to improve the performance of an optimum design. We, then, obtained improved results by 9.41 % compared to the initial optimal results of the reinforced concrete building. In this study, the simple steel framework and the actual reinforced concrete building were used for the cost optimization. The structural design optimization was performed using the commercial analysis tool and PIAnO. As a result, we obtained results that showed a structural reduction of volume by 44.4 % and 43.9 %, respectively. We also proposed a method in order to obtain better results, therefore, demonstrating the effectiveness of our design method.; In this study, design optimization is performed to minimize the volume of a structure under multi-loads in order to reduce structural costs. The loads operated on the building are composed of a gravity load, compressive load, wind load and seismic load. The combinations of these loads are used in this design problem. Effected displacement loads are defined as the constraints, and the criteria are determined by Korea Building Code 2005 and ACI 318-05 code. In this study, two models are used to demonstrate the efficiency of the proposed method. One model is a 45-story steel structure under gravity load and wind load, while the other model is a reinforced concrete eight-story building with additional three-story basement levels under compressive load, wind load and seismic load. In order to optimally design the architectural structures, several design technique equipped with PIAnO, a commercial PIDO tool, are used. The constraints are: the displacement under gravity load; 본 연구에서는 다중하중이 작용하는 건축물의 건설비용을 줄이기 위해 부피를 최소화하는 구조최적설계를 수행한다. 건물에 작용하는 하중은 중력하중, 압축하중, 풍하중, 지진하중 등이 있으며, 이 하중들의 조합을 설계문제에 적용한다. 이러한 하중에 의해 생성되는 부재의 변위와 응력값 등을 구속조건으로 삼으며, 구속조건의 규준값은 한국건축표준기준(Korea Building Code; KBC) 2005와 ACI 318-05 code에 의거하여 결정하였다. 본 연구에서 제안하는 방법의 유용성을 입증하기 위해 두 개의 모델을 사용한다. 한 모델은 중력하중과 풍하중이 작용하는 45층 철골구조물이고, 다른 모델은 실존하는 지상 8층, 지하 3층의 철근콘크리트 건물이며 압축하중, 풍하중 그리고 지진하중이 작용한다. 두 구조물의 최적설계를 위해 상용 프로세스 통합 및 설계 최적화(Process Integration and Design Optimization; PIDO) 프로그램인 PIAnO (Process Integration, Automation and Optimization)에서 제공하는 다양한 설계기법을 이용한다. 철골구조물의 최적설계를 위해 응력 및 중력하중과 X, Y방향 풍하중에 의한 변위를 구속조건으로 설정하고, 15개 부재그룹에 속한 60개의 단면적 정보들을 설계변수로 설정한다. 구조해석을 수행하기 위해 범용 구조해석 프로그램인 Abaqus를 사용하고, PIDO기술을 이용하여 Abaqus와 PIAnO의 해석절차를 자동화한다. PIAnO에 탑재되어 있는 점진적 이차반응 표면방법(Progressive Quadratic Response Surface Method; PQRSM)을 사용하여 최적설계의 해를 도출 하였고, 그 결과 52.1 %의 부피가 감소하였다. 철근콘크리트 건물의 최적설계를 위해 압축하중과 X, Y방향 풍하중에 의한 변위 그리고 X, Y방향 지진하중에 의한 변위비를 구속조건으로 선정하고, 91개 부재 그룹의 단면길이비율을 설계변수로 설정한다. 구조해석을 수행하기 위해 건축분야 범용 구조해석 프로그램인 MIDAS/Gen을 이용하여 각 모델의 구조해석을 수행하며, 직교배열표(Orthogonal Array; OA)를 이용하여 실험계획을 세워 그 해석 결과를 바탕으로 각 응답에 대한 근사변위모델을 생성한다. 그리고 순차적 이점대각이차근사최적설계를 사용하여 근사최적설계문제를 풀어 최적설계의 해를 도출하였고, 그 결과 부피가 43.9 % 감소하였다. 또한 최적설계의 성능향상을 위해 설계변수 및 구속조건의 제한값을 조정하는 방법을 제안하였고, 이를 통하여 기존 철근콘크리트 건물의 초기 최적값보다 향상된 결과를 얻었으며, 구속조건 역시 만족함을 알 수 있었다. 이로써 본 논문에서 제안한 설계방법의 유효성을 보인다. 또한 최적설계의 성능향상을 위해 설계변수 및 구속조건의 제한값을 조정하는 방법을 제안하였고, 이를 통하여 기존 철근콘크리트 건물의 초기 최적값보다 9.41 %를 더 감소시킬 수 있었다. 본 연구에서는 다중하중이 작용하는 건축구조물의 비용최소화를 위해 간단한 철골구조물과 실제 철근콘크리트 건물을 모델로 사용하였고, 구조해석 프로그램과 PIAnO를 이용하여 부피를 감소시키는 구조 최적설계를 수행하였다. 그 결과 구조물의 부피를 각각 52.1 %와 43.9 %를 감소시켰고, 성능향상을 위한 방법을 제안하여 철근콘크리트 건물의 부피를 추가로 9.41 % 감소시킴으로써, 본 논문에서 제안한 설계방법의 유효성을 보인다. | In this study, design optimization is performed to minimize the volume of a structure under multi-loads in order to reduce structural costs. The loads operated on the building are composed of a gravity load, compressive load, wind load and seismic load. The combinations of these loads are used in this design problem. Effected displacement loads are defined as the constraints, and the criteria are determined by Korea Building Code 2005 and ACI 318-05 code. In this study, two models are used to demonstrate the efficiency of the proposed method. One model is a 45-story steel structure under gravity load and wind load, while the other model is a reinforced concrete eight-story building with additional three-story basement levels under compressive load, wind load and seismic load. In order to optimally design the architectural structures, several design technique equipped with PIAnO, a commercial PIDO tool, are used. The constraints are: the displacement under gravity load; x-direction wind load and y direction wind load