등가하중을 이용한 비선형 정적 응답 위상최적설계의 기초연구

이현아(Hyun-Ah Lee),Ahmad Zeshan,박경진(Gyung-Jin Park) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.12

실제 대부분의 공학 문제들은 크고 작은 비선형성을 내포한다. 구조물의 최적설계 과정에서는 다수의 구조물 사이에 발생하는 접촉이나 비선형 물성치를 가지는 재료, 또는 대변형을 고려해야만 한다. 그러나 민감도 계산이 고가이기 때문에 비선형성을 최적화에 고려하는 것은 매우 어렵다. 따라서 비선형 정적 반응 위상최적설계를 위하여 등가하중법을 사용한다. 등가하중이란 비선형 해석에서 유발되는 반응장과 동일한 반응장을 유발하는 선형 정적하중이다. 등가하중법은 치수/형상최적설계를 위하여 연구되어 왔다. 위상최적설계는 치수/형상최적설계에 비하여 설계변수가 많기 때문에 기존의 등가하중법을 그대로 적용할 수 없기 때문에 위상최적설계를 위하여 등가하중법을 확장하고 수정한다. 간단한 예제를 통하여 등가하중법을 이용한 위상최적설계 결과가 수치적으로 도출한 결과와 유사함을 보이고 실제 공학 예제의 위상최적설계를 통하여 기존의 선형 정적 위상최적설계와 결과를 비교한다. Most components in the real world show nonlinear response. The nonlinearity may arise because of contact between the parts, nonlinear material, or large deformation of the components. Structural optimization considering nonlinearities is fairly expensive because sensitivity information is difficult to calculate. To overcome this difficulty, the equivalent load method was proposed for nonlinear response optimization. This method was originally developed for size and shape optimization. In this study, the equivalent load method is modified to perform topology optimization considering all kinds of nonlinearities. Equivalent load is defined as the load for linear analysis that generates the same response field as that for nonlinear analysis. A simple example demonstrates that results of the topology optimization using equivalent load are very similar to the numerical results. Nonlinear response topology optimization is performed with a practical example and the results are compared with those of conventional linear response topology optimization.

선형탄성해석 및 비선형비탄성해석을 이용한 LRFD 설계법의 비교 연구

장은석,박정웅,김승억,Jang, Eun Seok,Park, Jung Woong,Kim, Seung Eock 한국강구조학회 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.6

하중저항계수설계법(LRFD)은 종래 설계법의 결점을 개선한 설계법임에도 불구하고 구조계와 개별부재간에 강도와 안정에 대한 상호작용을 정확하게 고려하지 못하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전체 구조물의 비선형비탄성해석을 수행하여야 한다. 현재 여러 선진국의 설계기준에서는 구조물의 거동과 강도를 합리적으로 예측하기 위하여 비선형비탄성해석을 사용할 수 있도록 하고 있다. 본 연구에서는 구조시스템의 내하력을 정확히 파악할 수 있는 실용적인 비선형비탄성해석법을 이용한 LRFD 설계법을 제안하였다. 실무에 사용하기 위한 설계 형식, 모델링 시 고려사항 및 설계 시 고려사항에 대하여 기술하였다. 또한 제안된 방법을 사용하여 다양한 예제설계를 수행하였고 AISC-LRFD의 선형탄성해석을 이용한 설계결과와 소요 물량을 비교함으로서 그 경제성과 타당성을 검토하였다. 그 결과 제안된 LRFD설계법은 기존의 LRFD에 비해 구조물의 종류에 따라 최대 24%의 강재 절감효과를 얻을 수 있는 경제적인 설계방법임을 입증하였다. Although the Load and Resistance Factor Design (LRFD) method is an advanced design approach, it does not accurately capture the interaction between individual members and structural system. A nonlinear inelastic analysis for the entire structure is required to solve this problem. According to many design codes of advanced countries, a nonlinear inelastic analysis can be applied to predict the structural behavior and strength reasonably. In this study, an LRFD design method using practical nonlinear inelastic analysis was proposed. Design examples using the proposed method waspresented, and the economical efficiency and adequacy of the proposed method was investigated by comparing the design results with that of the AISC-LRFD. It has been consequently demonstrated that the proposed method can reduce the construction cost through savings in steel.

강구조를 위한 직접비탄성설계법

엄태성,박홍근,Eom, Tae Sung,Park, Hong Gun 한국강구조학회 2004 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.16 No.2

본 연구소에서는 할선강성을 사용하여 비탄성 해석 및 설계를 수행하는 새로운 설계방법을 개발하였다. 개발한 설계법은 선형해석을 수행하므로 수치해석이 안정성과 용이성을 갖추고 있으며, 동시에 반복계산으로 구조물의 비탄성 거동을 해석하므로 각 부재의 비탄성 강도 및 연성 요구량을 정확히 예측할 수 있다. 본 연구에서는 제안된 설계법의 절차를 성립하였고, 이를 고려한 컴퓨터 해석/설계 프로그램을 개발하였다. 또한, 제안된 설계법을 사용한 설계예제를 제시하였으며, 기존의 탄성 및 소성설계법과의 비교를 통하여 그 우수성을 입증하였다. 기존의 비선형설계방법은 일반적으로 초기 설계를 수행하고 비선형해석을 이용하여 초기설계안을 검증하는데 비하여, 제안된 방법은 반복계산을 통하여 비탄성해석과 설계를 동시에 수행하므로 각 부재의 비탄성 강도 및 연성 요구량을 직접적으로 계산할 수 있다. 또한 설계자의 의도에 따라 부재 강도 및 연성능력의 제한, 강기둥-약보 등의 비선형 설계전략을 효과적으로 구현하므로, 경제적이고 안전한 설계가 가능하다. A new inelastic design method performing iterative calculations using secant stiffness was developed. Since the proposed design method uses linear analysis, it is convenient and stable in numerical analysis. At the same time, the proposed design method can accurately estimate the inelastic strength and ductility demands of the members by performing iterative calculation. In the present study, the procedure of the proposed design method was established. Design examples using the proposed method were presented, and its advantages were highlighted by comparisons with existing design methods using elastic or plastic analysis. Unlike the existing inelastic design methods performing the preliminary design on the structure and checking its validity using nonlinear analysis, the proposed integrated analysis-design method can directly calculate the strength and ductility demands of each member. In addition, the proposed design method can address the inelastic design strategy intended by the engineer, such as strength and ductility limits of members and the design concept of strong-column and weak-beam. As a result, economical and safe design can be achieved.

체력평가를 위한 비동등집단가교설계의 선형동등화: 장애학생 근기능 검사 적용의 예

윤지운(Ji Wun Yoon),한민규(Min Kyu Han),윤효준(Hyo Joon Yoon),박재현(Jae Hyeon Park) 한국체육측정평가학회 2015 한국체육측정평가학회지 Vol.17 No.1

이 연구는 검사동등화에 대한 기본 개념과 설계방법을 소개하고 비동등집단가교설계의 선형동등화 방법을 이용하여 장애인 대상의 체력검사에 검사동등화 적용사례를 설명하는 것이 목적이다. 아울러, 장애인 스포츠과학 분야에서 검사동등화의 활용가능성을 논의하고자 하였다. 이 연구에서는 무선집단설계(Random Groups Design), 단일집단교차설계(single group design with counterbalancing) 그리고 비동등집단가교설계(non equivalent groups design with anchor test )의 세 가지방법을 중심으로 검사동등화 설계방법을 요약하였다. 비동등집단가교설계의 선형동등화 방법을 장애인 체력검사에 활용 가능성을 살펴보기 위하여 장애학생건강체력평가(PAPS-D)에서 실시하고 있는 근기능 검사의 자료를 본 연구의 사례에 적합하도록 일부 변환하였다. 비동등집단가교설계의 선형동등화는 Tucker 결합집단 방법과 Levine 결합집단 방법으로 구분되며, 두 방법을 적용한 결과 두 집단의 능력 차이가 작을 때는 Tucker 결합집단 방법을 사용하고 두 집단의 능력 차이가 클 때에는 Levine 결합집단 방법을 사용하는 것이 적절하다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 장애인스포츠과학 분야에서 검사동등화를 위한 비동등집단가교설계에서 선형동등화 방법의 적용과 관련하여 보다 많은 후속연구가 전개되기를 기대한다. The purpose of this study is to introduce basic concepts on linear equating of non-equivalent groups design with anchor test for test equating. Additional purpose is to apply an example of test equating for fitness tests of persons with disability. Three types of design in test equating (e.g. random groups design, single group design with counterbalancing and non-equivalent groups design with anchor test) were summarized and non-equivalent groups design with anchor test was applied for test equating of fitness tests for persons with disability. The data for equating of this study were collected from PAPS-D (physical activity promotion system for disabilities), and three types of test for measuring muscle strength/endurance were equated. Tucker and Levine methods of the test equating as a non-equivalent groups design with anchor test were used for equating the three types of muscle strength/endurance test. The results appeared that Tucker method is more optimized than Levine method for test equating when subjects' abilities were assumed as a non-difference.

G/T 199톤급 선망 등선 겸용 운반선의 선형설계에 관한 연구

박애선,이영길,채순재,진송한,강대선 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.11

본 연구에서는 등선 겸용 운반선의 저항최소화 선형설계를 수행하였다. 운반선과 등선을 참고 선형으로 하여 반 오르트메르센(Van Oortmerssen) 마력 추정법을 이용, 저항최소화 선형요소를 산출하였다. 산출된 선형요소로 선형설계를 수행하였으며, 횡단면적 곡선 변환은 라켄비(Lackenby)법을 이용하였다. 설계된 선형에 대하여 저항추정을 수행하고, 이를 참고 선형들의 저항과 비교함으로써 저항성능이 개선됨을 확인하였다. 또한, 운반선 참고 선형과 설계 선형에 대하여 수치해석과 모형시험을 수행함으로써, 감소된 저항 성분들을 확인함과 동시에, 설계 선형의 저항특성을 파악하였다. 본 연구는 등선 겸용 운반선의 개략적인 초기 선형개발 시 방향제시 등에 참고자료가 될 수 있을 것이다.

현행설계법 및 하중저항계수설계법에 의한 완전 조립식 교량 하부구조의 설계결과 비교

김태훈,김영진,신현목 한국지진공학회 2011 한국지진공학회논문집 Vol.15 No.2

개발된 완전 조립식 교량 하부구조에 대한 설계비교와 비선형 해석을 수행하였다. 조립식 교량 하부구조는 현행설계법과 하중저항계수설계법으로 설계하였다. 설계시에는 현 도로교설계기준에 규정된 DB-24 및 DL-24 설계활하중을 적용하였다. 이 연구는 비선형 유한요소해석을 통해서 완전 조립식 교량 하부구조의 현행 설계법인 KHBD (2005)와 AASHTO-LRFD (2007)를 평가하였다. 사용된 프로그램은 철근콘크리트 구조물의 해석을 위한 RCAHEST이다. The design comparison and nonlinear analysis of totally prefabricated bridge substructure systems are performed. The prefabricated bridge substructures are designed by the methods of present design and load and resistance factor design (LRFD). For the design, the current Korea Highway Bridge Code (KHBD), with DB-24 and DL-24 live loads, is used. This study evaluates the present design method of KHBD (2005) and AASHTO-LRFD (2007) for totally prefabricated bridge substructure systems. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures, was used.

선형기반 시설물을 위한 Flexible BIM 시스템의 설계

이승수,이민주,정종윤,서종원,Lee, Seung Soo,Lee, Min Joo,Jeong, Jong Yoon,Seo, Jong Won 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.2

Despite the significant benefits of BIM (Building Information Modeling), it is not being vitalized for the facilities that are designed based on the horizontal and vertical alignments because of the lack of flexibility in manipulating surface models generated based on alignments. Alignment-based design produces a surface model in one piece through the definition of the typical cross-section along the alignment. Therefore, linking these alignment-based 3D surface models, that are not modularized and difficult to partition, to the required attribute information is very difficult This paper presents design of a flexible BIM technology suitable for the alignment-based civil infrastructure by providing the partitioning functionality for surface models, the contents library for cross-sectional design components, and the attribute information along with the critical functionalities needed for the design, construction and maintenance of alignment-based civil infrastructure. 최근 건설 산업은 BIM (Building Information Modeling)의 도입으로 인하여 많은 혜택을 얻고 있다. 하지만 도로나 철도와 같은 선형기반 설계공종의 경우는 구간별 표준횡단면의 정의와 선형의 배치를 통한 서피스(surface)모델을 생성함으로써 3차원 설계가 이루어지나, 현재 설계 소프트웨어에서 제공되는 횡단면 설계요소가 제한적이거나 국내실정에 맞지 않은 점이 많고, 생성된 서피스모델은 선형구간의 시 종점에 대해 일체화 되어있어 공정, 물량, 단가 등의 BIM 소요정보와 세분화된 연계를 위해서는 모델 수정 등의 많은 후속작업이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 3D 선형기반설계가 적용되는 사회기반시설물을 대상으로 3차원 모델의 분절 및 속성정보의 운용이 자유로운 '선형기반 인프라시설물을 위한 Flexible BIM 시스템'의 설계를 통하여 BIM의 활용성을 극대화 하는 것을 목표로 한다.

차량 주행속도를 반영한 도로 평면선형설계 기법 연구

최재성,김상엽,이점호,황경성,Choi, Jai-Sung,Kim, Sang-Youp,Lee, Jeom-Ho,Hwang, Kyung-Sung 한국도로학회 2008 한국도로학회논문집 Vol.10 No.2

At present engineers use the highway design speed concept to develop the horizontal alignment. This concept has a strength of attaining consistent horizontal alignments because of its use of a single speed value. Yet it shows a critical weakness that when opened the operating speed for the vehicles on the road can be a lot different than the design speed. To resolve this, many countries already develop the horizontal alignment by adopting procedures that weigh vehicle operating speeds, and this research joins them by developing an operating speed based horizontal alignment design. We have collected vehicle speed samples over the nation, selected some speed influential design elements by doing a statistical analysis, provided a set of models for two-lane roads and four lane roads, and showed a stepwise feedback procedure by doing a case study. It is underscored that in the case study the proposed procedure has scaled down the speed inconsistency problem, and we are of opinion that our procedure would coin both investment efficiency and speed consistency in future highway projects. 현재 우리나라에서 도로 평면선형 설계를 위해 도로설계속도 개념을 사용하고 있다. 도로설계속도 개념은 단 한 개 도로 설계속도를 사용하기 때문에 도로 기하구조 수준이 일정해진다는 강점을 갖고 있으나, 도로 건설 후 그 도로를 주행하는 실제 차량 속도가 설계속도와 달리 나타날 수 있다는 약점을 갖고 있기도 하다. 본 연구에서는 이 약점을 보완하기 위해, 이미 여러 나라에서 사용 중인 주행속도 예측모형에 근거한 평면 선형설계기법을 제안한다. 본 연구에서는 이를 위해 우리나라 전역에서 표본을 선택하여 차량 속도조사를 수행했고, 속도에 영향을 미치는 도로설계요소를 통계분석을 통해 선정하여 양방향 2차로와 4차로 일반국도에 대한 차량 주행속도 모형을 제시했으며, 그 모형을 도로 평면선형설계에 적용하는 과정을 제시했다. 한편 새로운 기법에 대한 유효성을 밝히기 위한 실제 사례분석에서 새로운 기법은 기존 기법이 갖고 있는 약점을 해소하는 것으로 밝혀졌다. 향후 우리나라 도로 건설 사업에서 본 연구에서 제안한 평면선형 설계기법을 적용하면 도로 투자 효율성이 높아지고, 더 높은 설계일관성을 확보할 수 있을 것으로 판단한다.

철골조를 위한 직접비탄성설계법의 적용

엄태성,박홍근,Eom, Tae Sung,Park, Hong Gun 한국강구조학회 2005 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.17 No.1

본 연구에서는 선행 연구에서 개발된 강구조물에 대한 직접비탄성설계 방법을 설계실무의 활용성을 확대할 수 있도록 개선하였다. 그룹부재에 대한 설계, 불연속적인 단면 성능, 축력에 따른 휨재하능력의 변화, 접합방식에 따른 거동특성, 다중하중조건 및 성능기준 등 강구조물 설계실무의 제한조건을 고려하여 비탄성설계를 수행할 수 있는 방법을 개발하였다. 본 연구에서는 제안된 방법의 해석 및 설계절차를 정립하였고, 이를 적용한 컴퓨터 해석/설계 프로그램을 개발하였다. 전통적인 탄성설계와 제안된 직접비탄성설계법을 사용한 설계결과를 비교하였으며, 기존의 비선형해석프로그램을 이용하여 설계결과를 검증하였다. 비탄성 변형을 고려할 수 있는 제안된 설계법은 전통적인 탄성해석을 사용한 한계상태설계에 비하여 강재량을 절감하고, 구조물의 변형능력을 향상하였다. 제안된 설계방법은 비탄성 거동을 구조물의 설계에 직접 반영할 수 있으므로 설계에 편리하고 각 소성힌지의 변형을 제어함으로써 구조안전성을 확보하고 동시에 변형능력을 최대로 활용하는 설계를 수행할 수 있다. In the present study, the Direct Inelastic Design (DID) for steel structures developed in the previous study was improved to expand it applicability. The proposed design method can perform inelastic designs that address the design characteristics of steel structures: Group member design, discrete member sizes, variation of moment-carrying capacity according to axial force, connection types, and multiple design criteria and load conditions. The design procedure for the proposed method was established, and a computer program incorporating the design procedure was developed. The design results from the conventional elastic method and the DID were compared and verified by the existing computer program for nonlinear analysis. Compared with the conventional elastic design, the DID addressing the inelastic behavior reduced the total weight of steel members and enhanced the deformability of the structure. The proposed design method is convenient because it can directly perform inelastic design by using linear analysis for secant stiffness. Also, it can achieve structural safety and economical design by controlling deformations of the plastic hinges.

안전측면의 도로선형 설계일관성 평가기준 개발에 관한 연구

이수일(Lee Sooil),원제무(Won Jaimu),이희승(Lee Heeseung) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 D Vol.27 No.3D

본 논문의 주안점은 도로선형 설계일관성을 안전성 측면에서 평가하고 개선할 수 있는 방안을 모색하는 것이다. 도로선형설계의 일관성은 운전자의 기대와 도로 기하구조의 일치성에 달려 있기 때문에 선형 설계 일관성의 평가지표는 운전자의 행태적 특성을 잘 반영할 수 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 이를 고려한 새로운 평가지표의 개발과 도로 선형조건에 따른 평가지표들이 어떻게 변하는지를 파악하여 안전성을 평가하는 방안을 강구하였다. 평가지표로 제안된 차간거리는 도로선형의 연계구간에서 운전자의 행태적 특성을 잘 대변하고 사고이력 지료와의 상관성도 높게 나타났다. 또한 새로운 평가지표모형은 직선부의 주행속도예측방법의 부재로 도로선형 연계구간의 안전성평가에 한계점을 가지는 기존의 주행속도 평가지표모형을 보완 할 수 있는 것으로 나타났다. 개발된 평가지표모형을 바탕으로 한 선형 설계일관성의 평가는 신설되는 도로의 노선대안의 안전성을 평가하는 기준으로 사용될 수 있으며, 기존도로의 안전성 개선을 위한 안전성 평가방법으로도 활용될 수 있을 것으로 판단된다. This thesis focused on the research of a method to evaluate and improve alignment design consistency in the respect of safety. The design consistency depends on the conformance between drivers expectancy and highway geometry, so that the evaluation criteria for consistency should efficiently represent drivers behavioral characteristics. Under the conditions, this research included a new evaluation criteria development and an analysis on how to change evaluation criteria according to roadway alignments, to evaluate safety. The newly developed evaluation criteria, spacing mean represented the drivers behavioral characteristics effectively on association area for a roadway segment alignment. Additionally the interrelationship with accident history data is also high. The existing operating speed evaluation criterion had the limit on the safety validation of roadway alignments association area because of lack of operating speed expectation method. However, new evaluation criteria model can supplement the limited existing criterion. The new evaluation criteria is intended for application by highway agencies to estimate the safety performance an existing or proposed roadway. The evaluation criteria model can be used to compare the anticipated safety performance of two or more geometric alternatives for a proposed highway improvement.