Sensitivity Analysis of Dynamic Characteristics of Structural Systems by the Transfer Matrix Method and the Combined Finite Element-Transfer Matrix Method

전달매트릭스법 및 유한요소-전달매트릭스 결합방법에 의한 구조계의 동특성 감도해석

For the design of structural systems having the prescribed or optimum dynamic characteristics, some design changes of the initially designed system are required. In these cases, if the sensitivity analysis which can predict the changes of dynamic characteristics due to the changes of design variables is applied, the design changes can be carried out rationally and very efficiently. For many structural systems, it is well known that the analysis by the transfer matrix method(TMM) and the combined finite element-transfer matrix method(FETMM) is more efficient than the analysis by the finite element method. However, most known studies on the sensitivity analysis of structural systems premise using the finite element method. In this paper, the sensitivity analysis methods by the TMM and the FETMM are presented and some numerical investigations on the beam-column with elastically restrained ends and intermediate contraints and the stiffened plate having subsystems are carried out. The results of the numerical examples show good accuracy and computational efficiency of the presented methods, and show that the application of sensitivity analysis in the dynamic characteristic reanalysis give good results within the practically changeable range of design variables.

공진회피설계, 진동응답 크기 및 진동부가응력의 허용치 설계관점에서의 최적설계를 위해 사전에 지정된 동특성을 갖는 구조물을 설계하기 위해서는 초기설계된 구조물의 설계변경이 요구된다. 이와 같은 경우에 초기설계에 대한 해석과 동시에 기준계(base system) 설계변수 변경에 따른 동특성 및 응답변화량을 계산하는 감도해석방법을 적용하면 효율적인 설계변경이 가능하다. 이산화 모델링에 의한 구조계의 동특성 해석에 있어서 전달 매트릭스법(TMM) 및 유한요소-전달매트릭스 결합방법(FETMM)으로 해석가능한 구조계에 대해서는 이 방법들을 적용하는 것이 유한요소법보다 매우 효율적임은 잘 인식되고 있다. 그러나, 동특성 감도해석에 대한 기존의 연구들은 대부분이 유한요소법의 사용을 전제로 하고 있고, TMM 및 FETMM에 의한 동특성 감도해석 연구사례는 찾아보기 어렵다. 본 논문에서는 TMM 및 FETMM에 의한 구조계의 동특성 감도해석방법을 제시하고, 중간구속조건을 갖는 양단 탄성지지보-기둥과 부가계를 갖는 보강판을 예로 해서 수치 실험적 검증을 수행하였다. 이로부터 본 논문에서 제시한 강도해석방법의 타당성과 효율성은 물론 최적 동특성 구조물을 추구하는 재설계 과정에 감도해석 결과를 이용하는 방법이 매우 효율적으로 적용될 수 있음이 확인되었다.