합리적인 터널설계정수 산정을 위한 역해석 프로그램 개발

김영준,이용주,Kim, Young-Joon,Lee, Yong-Joo 한국터널지하공간학회 2013 한국터널지하공간학회논문집 Vol.15 No.3

본 논문에서는 터널-지반 시스템의 거동을 합리적으로 해석하고 재료의 특성과 터널설계정수 평가를 위한 역해석 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램은 유한차분법과 직접법을 조합한 역해석 기법을 이용하기 위하여 상용 프로그램인 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)과 최적화 알고리즘을 이용하여 지하구조물의 역해석이 가능하도록 구성되었다. 역해석 알고리즘으로는 최적화 기법 중 미분계수를 구하지 않고 직접탐색이 가능한 로젠브록법(Rosenbrock Method)을 이용하였다. 이 연구를 통하여 개발된 역해석 알고리즘의 현장 적용성 검증을 위하여 4개 구간의 실제현장을 대상으로 현장 계측결과를 이용하여 역해석을 수행하였다. 역해석 과정에서 현장계측 변위에 대한 해석 대상지반의 최적함수를 파악하기 위하여 비선형 회귀분석(nonlinear regression analysis)을 실시하였다. 회귀분석은 지수함수와 분수함수를 이용하였으며, 이를 통하여 결정된 최적함수를 이용하여 계산된 총 변위를 역해석 입력 자료로 활용하였다. 이 연구결과로써 대상구조체의 실측변위를 이용한 역해석을 수행한 결과는 계측변위와 평균 4.5%의 오차율을 보였다. 따라서 이 연구에서 제안하는 역해석 기법이 터널 해석에 유용하게 적용될 수 있음을 알 수 있었다. In this paper, a back analysis program for analyzing the behavior of tunnel-ground system and evaluating the material properties and tunnel design parameters was developed. This program was designed to be able to implement the back analysis of underground structure by combination of using FLAC and optimized algorithm as direct method. In particular, Rosenbrock method which is able to do direct search without obtaining differential coefficient was adopted for the back analysis algorithm among optimization methods. This back analysis program was applied to the site to evaluate the design parameters. The back analysis was carried out using field measurement results from 5 sites. In the course of back analysis, nonlinear regression analysis was carried out to identify the optimum function of the measured ground displacement. Exponential function and fractional function were used for the regression analysis and total displacement calculated by optimum function was used as the back analysis input data. As a result, displacement recalculated through the back analysis using measured displacement of the structure showed 4.5% of error factor comparing to the measured data. Hence, the program developed in this study proved to be effectively applicable to tunnel analysis.

역해석을 이용한 지반 강성 산정 및 굴착 지지벽체의 변형 평가

김태식(Taesik Kim),정영훈(Young-Hoon Jung) 한국지반환경공학회 2020 한국지반환경공학회논문집 Vol.21 No.12

인천에 위치한 OO 깊은 굴착 현장을 대상으로 굴착에 따른 지반 물성값의 변화를 역해석을 통해 분석하였다. 굴착 단계별로 유한 요소 해석을 통해 예측한 굴착 지지 벽체의 수평방향 변위와 현장에서 지중경사계를 이용하여 계측한 값을 비교하여 지반의 강성을 업데이트하였다. 업데이트한 지반의 강성을 다음 굴착 단계에서 굴착 지지 벽체의 거동 예측에 사용하였다. Hardening Soil 모델을 이용한 유한요소해석 기법을 사용하였으며, 굴착 지지 벽체가 위치하는 지층을 역해석 대상 지층으로 선정하였고, 그 지층의 강성값을 역해석 대상으로 선정하였다. 굴착 초기 단계의 지반의 강성값은 당초 설계에서 사용한 강성값에 비해 큰 것으로 나타났다. 굴착이 진행됨에 따라 재역해석을 통해 산정한 지반의 강성값은 초기에 역해석으로 도출한 값에 비해 감소한 것으로 나타났다. 따라서, 굴착 단계에 따라 적절한 지반의 강성값을 입력해야 유한 요소 해석을 통해 정확한 굴착 지지 벽체의 변형을 산정할 수 있을 것으로 판단한다. In this study, the evolution of soil engineering property values according to excavation was analyzed through the inverse analysis for the OO deep excavation site located in Incheon. The stiffness of the ground was updated by comparing the horizontal wall deformation of the excavation support wall calculated by the finite element analysis at each stage of excavation and the value measured using an inclinometer. The updated stiffness was used to predict the response of the excavation support wall in the next excavation step. The finite element analysis method using the Hardening Soil model was used, and the stratum where the excavation support wall is located was selected as the stratum for the inverse analysis. The inverse analysis results showed that the stiffness value at the stiffness value at the initial stage of excavation is larger than the stiffness used in the original design. As the excavation proceeds, the stiffness calculated through the second inverse analysis was found to decrease compared to the value derived by the first inverse analysis. Therefore, it can be stated that the deformation of the excavation support wall can be accurately calculated through finite element analysis when an appropriate stiffness value is input according to the excavation stage.

역해석 기법에 근거한 수직배수재로 개량된 연약점토지반의 침하예측

박현일(Park Hyun Il),김윤태(Kim Yun-Tae),황대진(Hwang Daejin),이승래(Lee Seung Rae) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 C Vol.26 No.4

수직배수재가 설치된 연약지반의 압밀거동을 해석하기 위하여 아무리 정교한 수치해석기법을 사용하더라도 비균질 다층지반의 대표지반정수의 추정, 압밀거동에 대한 수치모델링 및 계측시스템 오차 등과 관련된 불확실성 때문에 실제 현장에서 관측되는 거동은 설계단계에서 예측된 거동과 종종 다르게 발생된다. 본 연구에서는 다층지반으로 구성된 복잡한 압밀물성특성을 갖는 연약지반에 대하여 압밀물성특성을 정확히 예측하기 위해 유전자 알고리즘에 근거한 역해석 기법을 제안하였다. 다층 연약지반의 압밀과정 초기단계에서 계측된 거동을 바탕으로 본 프로그램에 적용된 역해석기법을 이용하여 압밀거동과 관련된 주요 설계변수를 최적화함으로써 장래의 압밀거동을 비교적 정확히 예측하는 것이 가능하다. 국내 배수재가 설치된 다층지반에 대한 예제해석을 수행하여 제안된 역해석 기법의 적용성을 검토하였다. Observed field behaviors are frequently different from the behaviors predicted in the design state due to several uncertainties involved in soil properties, numerical modeling, and error of measuring system even though a sophisticated numerical analysis technique is applied to solve the consolidation behavior of drainage-installed soft deposits. In this study, genetic algorithms are applied to back-analyze the soil properties using the observed behavior of soft clay deposit composed of multi layers that shows complex consolidation characteristics. Utilizing the program, one might be able to appropriately predict the subsequent consolidation behavior from the measured data in an early stage of consolidation of multi layered soft deposits. Example analyses for drainage-installed multi-layered soft deposits are performed to examine the applicability of proposed back-analysis method.

1차원 유한요소망 연속기법을 이용한 시간영역 탄성파의 역해석

강준원,Kang, Jun Won 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.4

이 논문에서는 반무한 고체영역의 표면에서 측정한 변위응답의 시간이력으로부터 유한요소망 연속기법을 이용해 탄성파 속도의 공간적 분포를 추정하는 역해석 문제를 소개한다. 반무한 영역에서의 역해석을 위해서는 해석 대상이 되는 유한영역의 경계에서 파동의 반사가 일어나지 않도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해 유한영역의 경계면에 perfectly-matchedlayers(PMLs)라는 수치적 파동흡수층을 도입하였고, PML을 경계로 하는 유한영역에서 역해석 문제를 정의하였다. 이 문제를 탄성파동방정식을 구속조건으로 하는 최적화 문제로 표현하였으며, 라그랑주 승수법에 기초한 비구속 최적화 기법에 의해 탄성파속도의 최적 분포를 결정하였다. 해의 정확도와 수렴성을 높이기 위해 유한요소망 연속기법을 도입하여 점진적으로 밀도가 증가하는 유한요소망에 대해 연속적으로 역해석을 수행하였다. 1차원 예제들을 통해 유한요소망 연속기법을 이용한 역해석으로부터 탄성파속도의 분포를 정확히 추정할 수 있음을 확인하였으며, 측정 응답에 노이즈가 존재하는 경우에도 제안한 역해석 기법은 목표 탄성파속도 분포에 근사한 결과를 도출하였다. This paper introduces a mesh continuation scheme for a one-dimensional inverse medium problem to reconstruct the spatial distribution of elastic wave velocities in heterogeneous semi-infinite solid domains. To formulate the inverse problem, perfectly-matched-layers(PMLs) are introduced as wave-absorbing boundaries that surround the finite computational domain truncated from the originally semi-infinite extent. To tackle the inverse problem in the PML-truncated domain, a partial-differential-equations(PDE)-constrained optimization approach is utilized, where a least-squares misfit between calculated and measured surface responses is minimized under the constraint of PML-endowed wave equations. The optimization problem iteratively solves for the unknown wave velocities with their updates calculated by Fletcher-Reeves conjugate gradient algorithms. The optimization is performed using a mesh continuation scheme through which the wave velocity profile is reconstructed in successively denser mesh conditions. Numerical results showed the robust performance of the mesh continuation scheme in reconstructing target wave velocity profile in a layered heterogeneous solid domain.

확산지배 난류 연소현상에서 역해석을 이용한 CH₄/O₂의 초기 질량분율 추정에 관한 연구

이균호(Kyun Ho Lee),백승욱(Seung Wook Baek) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.7

본 연구에서는 기존의 역열전달 문제 (inverse heat transfer problem)와 같이 역해석 (inverse analysis)을 통해 미지의 파라미터를 추정(estimation)하는 개념을 복잡한 연소문제에 도입하였다. 기존의 연구에서는 역해석 기법을 연소문제 자체에 보다는 대부분 연소현상을 동반한 복사열전달과 같은 역열전달 문제에 국한해서 적용하고 있기 때문에, 열전달 문제에 한정되어 사용되고 있는 기존의 역해석을 새로운 공학문제에 확장하여 적용함과 동시에 효율적인 연소기 설계 및 최적화 개념을 제시하는데 본 연구의 의의가 있다고 할 수 있다. 이를 위해 실제적으로 많이 사용하고 있는 축대칭 원통형 연소기 내부로 주입되는 메탄(CH₄)과 산소 (O₂) 성분의 초기 질량분율 값을 연소기 입구 근방에서 측정한 개스의 온도 데이터를 이용하여 역추정하였다. 이때, 복잡한 확산지배 연소 현상을 효율적으로 역해석하기 위해 최적화 방법 중의 하나인 반발 입자 군집 최적화 방법을 역해석 기법으로 적용하였다. The major objective of the present study is to extend the applications of inverse analysis to more realistic engineering fields with a complex combustion process rather than the traditional simple heat-transfer problems. In order to do this, the unknown initial mass fractions of CH₄/O₂ are estimated from the temperature measurement data by inverse analysis in the practical diffusion-controlled turbulent combustion problem. In order to ensure efficient inverse analysis, the repulsive particle swarm optimization (RPSO) method, which belongs to the class of stochastic evolutionary global optimization methods, is implemented as an inverse solver. Based on this study, it is expected that useful information can be obtained when inverse analysis is used in the diagnosis, design, or optimization of real combustion systems involving unknown parameters.

현장시험을 통해 지반의 비선형 전단탄성계수를 산정하기 위한 역해석방법의 개발

안재훈,Ahn. Jae-Hun 한국방재학회 2008 한국방재학회논문집 Vol.8 No.3

지반의 비선형 전단탄성계수를 결정하기 위한 현장시험에서는, 먼저 지반과 원형기초에 지오폰을 설치하고, 기초에 대형 진동발생장치를 이용하여 진동하중을 가한다. 이 때, 지오폰으로부터 지반과 기초의 거동을 측정하고, 본 거동을 분석하여 전단탄성 계수와 해당 전단변형률을 결정할 수 있다. 본 논문에서는 현장시험결과로부터 지반의 선형, 비선형 전단탄성계수를 결정하기위한 역해석 과정의 필요성과 그 개발에 초점을 맞추었다. 제안된 역해석 과정은 비선형 최소자승법을 근간으로 하며, 거동이 계측되지 않는 곳의 지반의 비선형성을 고려하기 위하여 이중 반복루프를 사용하였다. 역해석 과정의 적용성을 검토하기 위하여 일련의 수치해석을 수행하였으며, 또한 역해석 적용의 예제를 보였다. 제안된 방법은 현장지반의 전단탄성계수 분포의 변화가 극심하지 않은 경우에는 전반적으로 우수한 적용성을 보이지만, 해석대상 지반의 전단파속도 분포가 역해석의 정확성에 영향을 수 있으므로, 예비 역해석을 통해 산출될 오차를 정량화 하는 것이 필요하다. The large scale shaker can be employed to measure linear and nonlinear shear moduli of soils in situ as a function of shear strain. The method involves applying dynamic loads on a surface foundation measuring the dynamic response of the soil mass beneath the foundation with embedded instrumentation. This paper focuses on the development of a framework of the inverse analysis for the interpretation of test data to estimate linear and nonlinear shear moduli of soils along with the necessity of the inverse analysis. The suggested framework is based on the nonlinear least squares but it uses two iterative loops to account for the nonlinear behavior of soil that sensors are not located. The validity of the suggested inversion framework is tested through a series of numerical parametric studies. An example use of the suggested inversion framework is also shown. Because the field condition may affect the accuracy of suggested method, it is important to conduct a preliminary inverse analysis to quantify the discrepancy between the estimated modulus and the baseline.

역해석을 이용한 가시설공사 현장관리 시스템 개발

윤영만 한국재난정보학회 2019 한국재난정보학회 논문집 Vol.15 No.4

연구목적: 본 연구에서는 안전한 가시설 공사를 위해서 현장에서 수행하고 있는 계측관리 결과를 현장 관리자와 구조검토자가 공유하여 실시간 의사결정을 이용한 빠른 현장대처가 가능한 시스템을 개발하 고자 한다. 연구방법: 계측시스템과 가시설 구조검토시 반영하는 역해석 기법을 동시에 이용하여 계측 결과로부터 시공상태의 안전성을 파악하고 공사중 발생할 수 있는 위험요인을 판단하여 시공중 선제 적 대응할 수 있는 가시설 공사중 지반물성치 및 기후변화의 이변성에 대응하는 시스템을 도입하였다. 연구결과: 현장여건과 설계 물성치의 불일치 및 예상치 못한 하중 및 외기환경으로 설계에서 예측한 설 계결과와 계측결과의 차이 발생에 대처할 수 있는 SUNEX 프로그램의 역해석 알고리즘을 개발하고 계 측결과와 해석결과가 일치하는 과정을 확인하는 안전관리시스템을 개발하였다. 결론: 실시간 계측결 과 값을 수집하여 외부서버 및 안전관리 시스템 프로그램과 통신할 수 있는 게이트웨이를 제작하여 개 발한 안전관리 시스템에서 실시간으로 해석결과 값과 비교가 가능하도록 하여 현장에서 발생할 수 있 는 위험요인에 대한 선제적 대응이 가능하도록 하였다. Purpose: The purpose of this study is to develop a system that enables quick on-site response using real-time decision-making by sharing the results of measurement and management performed in the field for safe temporary construction. Method: It is possible to take preemptive responses during construction by identifying the safety factors of construction conditions from measurement results and determining the risk factors such as soil properties and variability of climate change that can occur during construction by simultaneously using the back analysis method reflected in the measurement system and structural review. Result: we developed a back analysis algorithm of the SUNEX program to cope with the discrepancies between the design results and measured results due to inconsistency between site conditions and design properties, unexpected loads, and outdoor environment. The process of matching the measurement result with the analysis result can be confirmed in the safety management system. Conclusion: Gateway was used to communicate with real-time measurement results and safety management system program. It was made possible to preemptively respond to risk factors that may occur in the field.

확산지배 난류 연소현상에서 역해석을 이용한 CH₄/O₂의 초기 질량분율 추정에 관한 연구

이균호,백승욱,Lee, Kyun-Ho,Baek, Seung-Wook 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.7

본 연구에서는 기존의 역열전달 문제(inverse heat transfer problem)와 같이 역해석(inverse analysis)을 통해 미지의 파라미터를 추정(estimation)하는 개념을 복잡한 연소문제에 도입하였다. 기존의 연구에서는 역해석 기법을 연소문제 자체에 보다는 대부분 연소현상을 동반한 복사열전달과 같은 역열전달 문제에 국한해서 적용하고 있기 때문에, 열전달 문제에 한정되어 사용되고 있는 기존의 역해석을 새로운 공학문제에 확장하여 적용함과 동시에 효율적인 연소기 설계 및 최적화 개념을 제시하는데 본 연구의 의의가 있다고 할 수 있다. 이를 위해 실제적으로 많이 사용하고 있는 축대칭 원통형 연소기 내부로 주입되는 메탄($CH_4$)과 산소($O_2$) 성분의 초기 질량분율 값을 연소기 입구 근방에서 측정한 개스의 온도 데이터를 이용하여 역추정하였다. 이때, 복잡한 확산지배 연소 현상을 효율적으로 역해석하기 위해 최적화 방법 중의 하나인 반발 입자 군집 최적화 방법을 역해석 기법으로 적용하였다. The major objective of the present study is to extend the applications of inverse analysis to more realistic engineering fields with a complex combustion process rather than the traditional simple heat-transfer problems. In order to do this, the unknown initial mass fractions of $CH_4/O_2$ are estimated from the temperature measurement data by inverse analysis in the practical diffusion-controlled turbulent combustion problem. In order to ensure efficient inverse analysis, the repulsive particle swarm optimization (RPSO) method, which belongs to the class of stochastic evolutionary global optimization methods, is implemented as an inverse solver. Based on this study, it is expected that useful information can be obtained when inverse analysis is used in the diagnosis, design, or optimization of real combustion systems involving unknown parameters.

역해석기법을 이용한 앵커지지 흙막이벽체의 수치해석

우제일,정대석 한국재난정보학회 2020 한국재난정보학회 논문집 Vol.16 No.1

연구목적: 본 연구에서는 수치해석을 통한 역해석기법을 이용 현장변위예측관리기법을 보완하는 안전 관리 방안에 대한 연구를 수행하였다. 연구방법: 역해석기법을 이용하여 유한요소해석 기반인 MIDAS GTS/NX 프로그램을 이용 해석을 수행하였다. 붕괴현장의 계측데이터와 변위 경향을 가능한 근접시킨 뒤, 붕괴원인을 추정 후 붕괴방지 공법을 적용하였다. 연구결과: 역해석을 수행하여 얻은 결과물중 하 나인 지반정수로 붕괴원인을 추정한 결과 앵커의 자유장 길이 불충분으로 확인 되었고, 붕괴방지 공법 으로 앵커의 자유장 길이를 변화시켰으며, 변위가 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 결론: 역해 석기법을 현장관리에 참고, 붕괴원인을 추정하고 합리적인 붕괴방지 대책을 제시할 경우 붕괴 사고를 줄이는데 도움이 될 것이다. Purpose: In this study, the safety management method supplementing the field displacement prediction management technique was performed using the numerical analysis. Method: The analysis was performed using MIDAS GTS / NX program based on the finite element method (FEM). Approximating the displacement data and displacement trend as close as possible to the collapse site, the collapse prevention method was applied after estimating the cause of collapse. Result: The cause of the collapse was estimated by soil parametar, one of the results obtained by performing the Back-analysis. As a result, it was confirmed that the free length of the anchor was insufficient, and the free length of the anchor was changed by the collapse prevention method, and the displacement was significantly reduced. Conclusion: If Back-analysis technique is used in field management, estimating the cause of collapse and suggesting a reasonable collapse prevention measure will help to reduce collase.

운영 중 터널 역해석을 위한 차분진화 알고리즘 최적화

안준상,김병찬,문현구,송기일,An, Joon-Sang,Kim, Byung-Chan,Moon, Hyun-Koo,Song, Ki-Il,Su, Guo-Shao 한국터널지하공간학회 2016 한국터널지하공간학회논문집 Vol.18 No.2

운영 중 터널의 역해석을 통한 안정성 평가는 다루기 어려운 개념이다. 특히, 해저터널처럼 라이닝이 상대적으로 두껍게 시공된 경우에 발생하는 내공변위가 작기 때문에, 일반적으로 터널 역해석에 사용되는 변위 기반의 터널 역해석에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 여기서는 FLAC3D 프로그램에 내장된 FISH 언어를 사용해서, 다양한 역해석 알고리즘 중에 차분진화 알고리즘의 구축을 통한 터널 역해석에 대한 적용성을 확인하였다. 또한, 변위 기반의 알고리즘 구축과 더불어 응력 계측값 등 다양한 인자의 적합성을 확인하여 터널 라이닝의 안정성을 평가하고자 한다. Estimation of the stability of an operating tunnel through a back analysis is a difficult concept to analyze. Specially, when a relatively thick lining is constructed as in case of a subsea tunnel, there will be a limit to the use of displacement-based tunnel back analysis because the corresponding displacement is too small. In this study, DEA is adopted for tunnel back analysis and the feasibility of DEA for back analysis is evaluated. It is implemented in the finite difference code FLAC3D using its built-in FISH language. In addition, the stability of a tunnel lining will be evaluated from the development of displacement-based algorithm and its expanded algorithm with conformity of several parameters such as stress measurements.