베이지안 최적화 기반 사장교용 복합감쇠기의 설계변수 연구 = A Bayesian Optimization-Based Study on the Design Parameters of Complex Dampers for Cable-Stayed Bridges

국문 초록 (Abstract)

대규모 지진으로 인해 발생하는 장주기 지진동은 장대교량과 같은 장주기 구조물에 큰 위협이 된다. 특히 연약지반에 건설된 구조물의 경우 지반 증폭 효과로 인해 그 위험성이 더욱 커진다. 기존에는 이에 대비하기 위한 추가 내진 장치로 대용량의 단일 점성 감쇠기를 주로 사용해 왔으나, 이는 경제적 비효율성을 야기한다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 최대고려지진에 의한 사장교의 과도한 응답을 효과적으로 제어함과 동시에 경제성까지 확보할 수 있는 복합감쇠기 시스템을 제안한다. 이 시스템은 속도 의존형 점성 감쇠기와 변위 의존형 탄소성 감쇠기를 직렬로 연결하여 구성된다.
먼저, 실제 복합감쇠기 시제품의 주기 재하 실험 데이터를 기반으로 시스템의 복잡한 비선형 이력 거동을 높은 정밀도로 모사하는 수치해석 모델을 개발하고 실험 결과와의 비교를 통해 높은 신뢰도를 검증하였다. 이후 검증된 모델을 Higashi-Kobe 대교의 2-자유도 해석 모델에 적용하여 1995년 한신 대지진 당시 계측된 지진파에 대한 복합감쇠기의 최적 설계 연구를 수행하였다.
최적 설계 변수 탐색에는 계산 효율성이 높은 베이지안 최적화 기법을 적용하였으며 목적 함수는 거더와 교각 사이의 최대 상대 변위 최소화로 설정하였다. 또한, 다양한 설계 목표에 따른 최적화 시나리오 분석과 함께 비용 최소화를 목적으로 하는 경제성 분석을 수행하여 복합감쇠기 시스템의 효율성을 검증하였다. 마지막으로는 전통적인 유전 알고리즘(GA)과의 비교를 통해 본 연구에서 채택한 베이지안 최적화 방법론의 우수성을 정량적으로 확인하였다.
연구 결과, 제안된 수치 모델은 실제 감쇠기의 거동을 높은 정확도로 모사하였으며 베이지안 최적화 기반 설계 프레임워크는 서로 다른 지진파의 고유한 특성을 각각 반영하여 다양한 제약 조건 하에서 효과적인 맞춤형 최적 설계안을 성공적으로 도출하였다. 경제성 분석 결과에서도 복합감쇠기 시스템이 대용량 단일 점성 감쇠기보다 비용 효율적인 설계 전략임을 입증하였고 베이지안 최적화는 GA 대비 약 70% 적은 계산량으로 더 우수한 해를 도출하여 그 효율성을 확인하였다. 본 연구는 복합감쇠기 시스템의 성능과 경제성을 입증하고 효율적인 최적 설계 방법론을 제시했다는 점에서 학술적·공학적 의의를 갖는다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Long-period ground motions originating from large subduction zone earthquakes pose a significant threat to long-period structures such as long-span bridges, particularly when constructed on soft soil where site amplification effects can exacerbate the risk. This study proposes a complex damper system, comprising a velocity-dependent viscous damper and a displacement-dependent elastoplastic damper connected in series, to effectively control the excessive responses of cable-stayed bridges subjected to such motions.
First, a high-fidelity numerical model capable of accurately simulating the complex nonlinear hysteretic behavior of the complex damper was developed based on cyclic loading test data from a prototype specimen. The reliability of the model was thoroughly validated through direct comparison with experimental results.
Subsequently, the validated model was applied to a 2-DOF analytical model representing the Higashi-Kobe Bridge. An optimal design study was conducted using ground motion recorded near the bridge during the 1995 Great Hanshin Earthquake. Bayesian Optimization (BO), known for its high computational efficiency, was employed to explore the optimal design parameters. The objective function was set to minimize the maximum relative displacement between the girder and the pier. Optimization scenarios considering different design targets were analyzed.
Furthermore, an economic efficiency analysis, focusing on minimizing the cost associated with the viscous damper component, was conducted to verify the cost-effectiveness of the complex damper system.
Finally, the superiority of the adopted BO methodology was quantitatively confirmed by comparing its performance with that of the traditional Genetic Algorithm (GA).
The results demonstrate that the developed numerical model accurately replicates the behavior of the actual damper. The Bayesian Optimization-based design framework successfully derived optimal design solutions under various constraints. The economic analysis revealed that the complex damper system represents a more cost-effective design strategy compared to using a single large-capacity viscous damper. Moreover, Bayesian Optimization proved to be significantly more efficient than GA, requiring approximately 70% less computational effort to achieve superior solutions. This study holds significance in demonstrating the performance and economic advantages of the complex damper system and presenting an efficient optimal design methodology.

목차 (Table of Contents)

• 표목차 ⅱ
• 그림목차 ⅲ
• 국문초록 ⅳ
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 및 목적 1
• 제2절 연구내용의 구성 5
• 제2장 이론적 배경 6
• 제1절 구조물 장주기화를 통한 지진격리 설계 및 한계 6
• 제2절 구조물 제진 기술의 분류 및 특징 8
• 1. 수동형 제진 장치 8
• 2. 능동형 및 준 능동형 제진 장치14
• 제3절 복합감쇠기의 개요 및 작동원리17
• 1. 복합감쇠기의 거동 18
• 2. 점성 감쇠기의 이론 20
• 3. 탄소성 감쇠기의 이론 22
• 제4절 베이지안 최적화 이론 23
• 제3장 복합감쇠기의 수치해석 모델 검증 29
• 제1절 실험 데이터 개요 29
• 제2절 수치해석 모델 수립 31
• 제3절 수치해석 모델 검증 결과 33
• 제4장 복합감쇠기의 최적 설계 및 성능 분석 37
• 제1절 해석 개요 37
• 1. 대상 교량 모델 37
• 2. 입력 지진파 선정 39
• 3. 최적화 문제 정의 39
• 제2절 설계 시나리오 별 최적화 수행 44
• 1. 시나리오 1: 표준 성능 설계 47
• 2. 시나리오 2: 고성능 설계 47
• 제3절 최적화 결과 분석 47
• 1. 내진 성능 분석 47
• 2. 경제성 분석 50
• 제4절 타 지진파 적용을 통한 설계 프레임워크 검증 54
• 제5절 최적화 방법론 효율성 검증 57
• 제5장 결론 60
• 참고문헌 62
• ABSTRACT66