형상 최적설계를 위한 최적화 기법에 관한 연구

최병한,Choi, Byoung Han 한국강구조학회 2004 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.16 No.6

본 연구는 구조물의 형상 최적화를 효율적이면서 보다 용이하게 수행할 수 있는 기법을 제안하고자 하였다. 구조물의 형상 표현과 설계변수 선택을 위해 설계요소 개념을 활용하여 설계변수 수를 과감하게 줄일 수 있었고, 등매개변수 사상기법을 이용하여 최적화 과정 중 형상의 변화에 따른 유한요소망을 자동생성 하였으며 효율적인 최적화 과정 수행을 위하여 결정론적 최적화 기법(개선된 허용방향법)과 스토캐스틱 최적화 기법(유전 알고리즘)을 사용하여 그 결과와 효율성을 비교하였다. 최적화 과정 중 구조해석은 유한요소법을 이용하며 구조물의 부피와 단면적 등을 목적함수로 하여 형상 최적화를 수행하였다. 또한 제작성과 시공성을 위한 최종형상 제시를 위하여 최적형상에 완화곡선 처리를 시도하였다. 이상의 연구를 강구조물을 대상으로 한 몇 가지 수치 예에 적용한 결과 설계과정을 보다 단순화시켰으며, 두 가지 기법 모두 최적해에 수렴함으로써 목적함수 값을 효과적으로 개선시킬 수 있었다. 따라서 본 연구는 그 타당성과 적용성이 있다고 판명된다. This study describes an efficient and facile method for configuration optimum design of structures. One of the ways to achieve numerical shape representation and the selection of design variables is using the design element concept. Using this technique, the number of design variables could be drastically reduced. Isoparametric mapping was utilized to automatically generate the finite element mesh during the optimization process, and this made it possible to easily calculate the derivatives of the coordinates of generated finite element nodes w.r.t. the design variables. For the structural analysis, finite element analysis was adopted in the optimization procedure, and two different techniques(the deterministic method, a modified method of feasible direction; and the stochastic method, a genetic algorithms) were applied to obtain the minimum volumes and section areas for an efficient configuration optimization procedure. Futhermore, spline interpolation was introduced to present a realistic optimum configuration that meet the manufacturing requirements. According to the results of several numerical examples(steel structures), the two techniques suggested in this study simplified the process of configuration optimum design of structures, and yielded improved objective function values with a robust convergence rate. This study's applicability and capability have therefore been demonstrated.

개선된 인공신경망의 학습방법에 의한 강구조물의 설계

최병한,임정환,Choi, Byoung Han,Lim, Jung Hwan 한국강구조학회 2005 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.17 No.6

본 연구에서는 많은 양의 함수 계산을 요구하는 확률론적 최적화 기법을 보다 효과적으로 강구조물에 적용하여 수행하고자 한다. 다양한 과학, 응용공학 분야에서 많은 시간이 소요되는 과정을 대체하는데 효과적인 도구로 출현한 인공신경망을 최적화 과정 중 많은 수의 유한요소 해석이 요구되는 재해석 문제에 적용함으로서 유한요소법의 평형방정식의 해의 근사해를 추정하여 재해석과정을 보다 간단하고 용이하게 수행하고자 한다. 또한 이용된 인공신경망의 학습효과의 개선을 위해 유전알고리즘을 적용한다. 확률론적 구조최적화 기법으로는 진화론적 방법에 기초한 알고리즘을 사용한다. 수치 예로써 전형적인 체적(중량)문제와 실 경비함수를 목적함수로 갖는 강구조물 모형에 본 연구의 알고리즘을 적용하여 본 알고리즘의 적용성과 타당성을 증명하였다. For the efficient stochastic optimization of steel structures for which a large number of analyses is required, artificial neural networks,which have emerged as a powerful tool that could have been used to replace time-consuming procedures in many scientific or engineering applications, are applied. They are utilized for the solution of the equilibrium equations resulting from the application of the finite element method in connection with the reanalysis type of problem, for which a large number of finite element analyses are required in this study. As such, the use of artificial neural networks to predict finite element analysis outputs simplifies and facilitates the performance of the stochastic optimal design of structural systems where a trained neural network is used to replace the structural reanalysis phase. Moreover, to improve efficiency of used artificial neural networks, genetic algorithm is utilized. The stochastic optimizer used in this study is an algorithm based on the evolution theory. The efficiency of the proposed procedure is examined in problems with both volume (weight) functions and real-world cost functions

예비 구조설계를 위한 유전알고리즘을 이용한 다단계 인공신경망에 관한 연구

최병한,Choi, Byoung Han 한국강구조학회 2004 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.16 No.4

인간의 뇌와 유사한 병렬 연산 모델을 활용하여 다양하고 복잡한 비선형적인 문제에 효과적으로 연관관계를 조직화 할 수 있는 인공신경망에 관한 연구가 근래에 공학의 넓은 분야에서 도입되고 그에 따른 많은 성과가 나타나고 있다. 본 연구에서는 설계자의 판단력과 경험에 의존 하던 기존의 예비구조설계 단계에 효과적인 인공신경망을 적용하여 예비 구조설계 단계에 컴퓨터를 이용한 정형화된 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 각 구조물의 일반적인 설계과정에 따른 다단계 신경망을 제시하고 인공신경망의 학습은 역전파알고리즘과 유전알고리즘을 적용하여 예비구조설계의 원형을 구현한다. 이와 같이 구성된 다단계 신경망을 사장교의 예비구조설계 단계에 활용하여 본 연구의 적용성과 두가지 학습기법에 따른 결과를 비교 분석 한다. Recently, the Artificial Neural Network(ANN) which can organize complex non-linear problems by effectively applying the parallel computational model that is similar to the human brain, was adopted in the wide department of technology and resulted in many successful applications. In this study, a more appropriate formal method is suggested for the preliminary structural design stage controlled merely by the designer's experience and intuition. To do so, this study proposes a multi-level ANN according to the general progressive structural design procedure, using Back-Propagation Algorithm (BP) and Genetic Algorithm (GA) for the ANN learning. The preliminary structural design of cable-stayed bridges was applied to illustrate the applicability of the study formulated as stated above, and the results of two different learning methods were compared.

강 뼈대구조물의 총 경비와 부재연결과의 상반관계에 관한 연구

최병한,임정환,Choi, Byoung Han,Lim, Jung Hwan 한국강구조학회 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.1

지난 10년간 건설 환경에서 노무비는 재료비에 대해 상대적으로 계속해서 증가하고 있다. 따라서 강구조물의 최적 설계를 위해 널리 쓰이고 있는 최소중량설계는 더 이상 최소경비설계를 의미하지 못한다. 최근의 강 구조물의 제작 시 재료비 외에 부재연결에 소요되는 경비가 실제로 총 제작비에 커다란 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 대부분의 연구가 최소 중량설계나 구조물의 고등해석에만 이루어지고 있다. 따라서 본 연구는 횡 방향 하중에 효과적으로 저항하도록 보와 기둥이 모멘트 연결된 강 뼈대 구조물을 대상으로 안정성에 문제가 없이 경비절감에 효과적인 설계를 위해 재료비뿐만 아니라 제작비 및 현장에서 가설 시 부재연결에 소요되는 경비를 포함하는 최소 경비 설계를 수행하고자 한다. 하중저항계수설계법에 따른 전단과 처짐 및 보-기둥 상관관계식을 포함하는 비선형 해석과정과 유전알고리즘을 바탕으로 한 최적화 알고리즘을 결합하여 모멘트 부재연결의 수를 줄이고 또한 효과적인 배치를 수행함으로 최적 설계 해 및 모멘트 연결의 수와 총 경비와의 상반관계를 나타내고 이로부터 최적의 모멘트 연결의 수 및 그 배치를 구하였다. 현실적인 하중조건을 고려한 수치 예를 통해 본 연구의 적용성과 효율성을 나타내었다. Over the past decade, labor costs have increased relative to the cost of material hardware according to analysts in the construction industry. Therefore, the minimum weight design, which has been widely adopted in the literature for the optimal design of steel structures, is no longer the most economical construction approach. Presently, although connection- related costs is crucial in determining the most cost-effective steel structures, most studies on this subject focused on minimum-weight design or engaged in higher analysis. Therefore, in this study, we proposed a fabrication scheme for the most cost-effective moment-resisting steel frame structures that resist lateral loads without compromising overall stability. The proposed approach considers the cost of steel products, fabrication, and connections within the design process. The optimal design considered construction realities, with the optimal trade-off between the number of moment connections and total cost was achieved by reducing the number of moment connections and rearranging them using the combination of analysis that includes shear, displacement and interaction value based on the LRFD code and optimization scheme based on genetic algorithms. In this study, we have shown the applicability and efficiency in the examples that considered actual loading conditions.

클러스터링 기법을 이용한 실 경비함수를 가진 트러스 구조물의 설계

최병한,이규원,Choi, Byoung Han,Lee, Gyu Won 한국강구조학회 2006 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.18 No.2

전통적인 트러스 구조물의 최적화 기법은 종종 복잡하고 많은 계산과정이 요구되면서 정작 아주 간단한 중량최소화와 같은 경비문제를 다루고 있다. 또한 이러한 기법들은 복잡하고 종종 다목적함수인 실 경비함수를 갖는 트러스 구조물에 적용 시 만족할만한 결과를 보이지 못한다. 따라서 본 연구에서는 구조물의 중량뿐만 아니라 사용되는 제품 종류의 수와 트러스 구조물의 연결의 수 및 기타현장소요경비로 구성되어지는 실제 요구되는 경비함수를 가지는 트러스 구조물의 최적화문제에, 전체 트러스 구조물의 부재를 같은 치수의 제품을 가질 수 있는 몇 가지 종류의 부재들로 변별화하는 클러스터링 기법(Clustering Technique)을 도입하여 설계를 효율적으로 수행하고자 한다. 클러스터링 기법을 이용하여 사용되는 부재들을 그룹별로 변별하고 최적 해에 근접한 해를 찾은 후 간단한 타부 탐색기법을 이용하여 최종 최적해를 얻는다. 수치 예로써 실 경비함수를 갖는 트러스 구조 모형에 적용하여 최적설계를 시도하고 또한 중량최소화문제에도 적용하여 휴리스틱 기법(Heuristic Techniques)의 대표적인 유전알고리즘을 이용한 기존 연구의 중량최소화 설계결과와 비교 한다. 그 결과, 본 연구의 알고리즘은 실 경비함수를 가지는 트러스 구조물의 설계에 있어서 경제성이 있는 결과를 나타내며, 또한 기존연구의 알고리즘 보다 효율적임을 나타내었다. Conventional truss optimization approaches, while often sophisticated and computationally intensive, have been applied to simple, minimum weight-cost models. These approaches do not perform well when applied to real-world trusses, which have costmodels that are complex and which often involve multiple objectives. Thus, this paper describes the optimization strategies that a clustering technique, which identifies members that are likely to have the same product type, uses for the optimal design of truss structures with real- world cost functions that consider the costs on the weight of the truss, the number of products in the design, the number of joints in the structures, and the costs required in the site.At first, the clustering technique is applied to identify the members and to generate a proper initial solution. A simple taboo search technique is then used, which attempts to generate the optimal solution by starting with the solution from the previous technique. For example, the proposed approach is a plied to a typical problem and to a problem similar to relative performances. The results show that this algorithm generates not only better-quality solutions but also more efficient ones

강 프레임 구조물 설계를 위한 의사 결정 지원 시스템의 개발

최병한,Choi, Byoung Han 한국강구조학회 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.1

다른 복잡한 의사 결정 문제와 같이 구조설계는 많은 다른 기준들 사이의 상반관계에서 이루어지는 의사 결정 문제이다 . 다양하게수학적으로 프로그래밍 된 설계 기법이 점차 현실적인 요소를 감안하여 현실화되고 있으나 여전히 많은 설계의 제한, 즉 수학적으로 모델화 되지 못하는 많은 설계요소들과 관련되어 있다. 본 연구는 이러한 제한을 인식하고 강 프레임 구조물의 최적 설계에 관하여 다루어 지지 않은 설계요소를 감안하여 실무 설계자들에게 하나의 유일한 설계해가 아닌 다른 몇 가지 유용한 설계 대안을 제시할 수 있는 설 계 시스템을 개발 하였다. 본 연구의 알고리즘에 의해 얻어진 설계 대안들은 모델화된 목적함수에 관해 최적의 해는 아니지만 매우 적합한 해들이 며, 동시에 유일한 최적해와 비교 시 다른 설계 해로써 때로는 임의 모델화 되지 않은 설계요소에 관해서는 오히려 더 나은 결과를 나타내 줍 중에 효과적으로 저항하도록 보와 기둥이 모멘트 연결된 강 프레임 구조물을 대상으로 안정성에 문제가 없이 경비절감에 효과적인 설계를 위해 재료비뿐만 아니라 가설 시 부재연결에 소요되는 경비를 포함하는 최소 경비 설계를 위한 의사 결정 지원 시스템을 개 발하고자 한다. 본 시스템은 최적 설계해에 대한 설계대안을 생성하기 위한 변형된 최적화 문제형식으로, 이때 최적 설계해는 하중저항계수설계법 에 따른 비선형 해석과정과 유전알고리즘을 바탕으로 한 최적화 알고리즘을 결합한 알고리즘을 반복 수행하여 얻은 모멘트 연결의 수와 총 경비 와의 상반관계로부터 결정된다. 유용성 평가를 위해 생성된 각 설계대안을 다양한 설계요소에 관해 고찰하였다. Structural design, like other complex decision problems, involves many trade-offs among competing criteria. Although mathematical programming models are becoming increasingly realistic, they often have design limitations, that is, there are often relevant issues that cannot be easily captured. From the understanding of these limitations, a decision-support system is developed that can generate some useful alternatives as well as a single optimum value in the optimization of steel frame structures. The alternatives produced using this system are "good" with respect to modeled objectives, and yet are "different," and are often better, with respect to interesting objectives not present in the model. In this study, we created a decision-support system for designing the most cost-effective moment-resisting steel frame structures for resisting lateral loads without compromising overall stability. The proposed approach considers the cost of steel products and the cost of connections within the design process. This system makes use of an optimization formulation, which was modified to generate alternatives of optimum value, which is the result of the trade-off between the number of moment connections and total cost. This trade-off was achieved by reducing the number of moment connections and rearranging them, using the combination of analysis based on the LRFD code and optimization scheme based on genetic algorithms. To evaluate the usefulness of this system, the alternatives were examined with respect to various design aspects.

재난정보 기반 저수지(댐) 비상대처 개선 기술

최병한 ( Choi Byoung-han ),이백 ( Lee Baeg ) 한국구조물진단유지관리공학회 2022 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.26 No.2

좁은 국토대비 17000개에 해당되는 국내 저수지(댐)의 급속한 노후화 진행과 최근 기후변동성 증대에 따른 한반도 저수지(댐)의 재해 취약성은 나날이 증가 하고 있다. 이러한 위기속에 실제 댐붕괴 및 붕괴 위기시에 작동하는 비상대처 계획은 그 수립에서 활용에 이르기 까지 실효성에 관한 많은 의문을 야기하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 현행 비상대처계획의 문제점을 정리하고, 재해정보기반의 실효성 있는 개선안 도출을 위한 방안을 수립하고자 한다.

재난정보 기반 저수지(댐) 비상대처 개선 기술

최병한 ( Choi Byoung-han ),이백 ( Lee Baeg ) 한국구조물진단유지관리공학회 2022 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.26 No.2

좁은 국토대비 17000개에 해당되는 국내 저수지(댐)의 급속한 노후화 진행과 최근 기후변동성 증대에 따른 한반도 저수지(댐)의 재해 취약성은 나날이 증가 하고 있다. 이러한 위기속에 실제 댐붕괴 및 붕괴 위기시에 작동하는 비상대처 계획은 그 수립에서 활용에 이르기 까지 실효성에 관한 많은 의문을 야기하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 현행 비상대처계획의 문제점을 정리하고, 재해정보기반의 실효성 있는 개선안 도출을 위한 방안을 수립하고자 한다.

저수지 붕괴사례 기반 형상학적 특성 분석 연구

최병한 ( Choi Byoung-han ),홍재주 ( Hong Jae-joo ),원동현 ( Won Dong-hyun ) 한국구조물진단유지관리공학회 2022 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.26 No.2

국내 저수지 시설은 주수원공 12,019개를 대상으로 노후화 비율이 95% 30년 이상에 해당하며, 46%는 극심한 노후화로 붕괴위험에 처해있다. 더구나 기후의 변화가 급격히 심해지면서 저수지가 동시다발적으로 붕괴되어 많은 인명과 재산피해가 발생하고 있다. 저수지의 붕괴 영향을 주는 여러 요인이 있겠으나 본 내용에서는 30만톤 이하의 중소규모 저수지는 홍수조절이 불가능한 중소규모 저수지 제원정보를 활용하여 형상학적 붕괴특성을 고찰하고자 한다.

Triazine 除草劑 處理와 眞珠조의 生存率

崔炳漢(Choi, B. H.),朴根龍(K. Y. Park) 韓國雜草學會 1990 Weed&Turfgrass Science Vol.10 No.2