동적 거동을 받는 철근 콘크리트 뼈대 구조의 최적화

Optimization of Reinforced Concrete Frames Subjected to Dynamic Loads

본 논문에서는 동적하중을 받는 철근 콘크리트 뼈대구조의 경비 최적설계방법과 한계상태 설계 최적화 알고리즘을 제시하였다. 뼈대구조의 동적반응은 모드 중첩법을 이용하여 해석하였으며 뼈대구조의 각 부재를 두 개 이상의 요소로 구성하여 각 요소의 절점에서는 축방향, 횡방향 및 휨방향의 거동을 규명할 수 있도록 3 d.o.f(자유도)로 구성된 강성 매트릭스와 질량 매트릭스를 사용하였다. 철근과 콘크리트의 주 재료 경비로 유도한 목적함수는 한계 상태 설계 규정에 따라 철근 콘크리트 뼈대구조의 역학적 거동의 문제와 사용성 제약조건을 만족하면서 최적화를 이루도록 하였다. 목적함수와 제약조건은 단면의 유효깊이, 보의 폭, 인장과 압축 철근의 단면적, 기둥의 전단 철근 단면적들의 설계변수로 유도하였으며 최적화 문제를 형성하였다. 몇가지 예제를 통하여 동적거동을 고려한 철근 콘크리트 뼈대구조의 자동화된 최적 설계 알고리즘의 가능성, 타당성 및 효율성을 검토하였다.

A method to optimize the cost of R/C frames and an algorithm of the optimal limit state design for R/C frames subjected to dynamic loads are presented. The modal superposition method was used to find the dynamic responses of the frames. Each member of R/C frame is made up of more than two elements and the stiffness matrix and consistent mass matrix of three d.o.f in the node of each element was used to include axial, shear and flexural effects. The objective function to be minimized formulated the cost of materials, steel and concrete, and optimised to satisfy the behaviors of R/C frame and each constraint imposed by the limit state requirements. Both objective function and each constraint are derived in terms of design variables which include the effective depth, beam width, compression and tension steel area, and column shear steel area. A few applications are presented which demonstrate the feasibility, the validity and efficiency of the algorithm for automated optimum design of R/C frames where dynamic behavior is to be considered.