KR101572310B1 - 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법 및 장치 - Google Patents

환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법 및 장치 Download PDF

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신윤아
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Abstract

본 발명에 따라 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법은 주어진 복수 개의 하중 값들과 소정 범위 및 종류 내에서 결정된 설계 변수들에 따라 각각 생성되는 기둥 단면들 중에 소정의 제약 조건들을 만족하는 기둥 단면들에 대하여 CO2 배출량을 연산하고, 각각의 하중 값에 대하여 최소의 CO2 배출량을 가지도록 선정된 기둥 단면 각각의 단면 정보로써 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계 및 사용자에 의해 하중 값이 입력되면, 상기 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스로부터 해당 하중 값에서 최소의 CO2 배출량이 기대되는 기둥 단면의 단면 정보 및 CO2 배출량을 검색하여 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR OPTIMIZING COLUMN SECTIONS WITH ENVIRONMENTAL CONSIDERATIONS}
본 발명은 부재 설계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기둥 단면 최적 설계에 관한 것이다.
환경오염 문제에 대한 심각성이 대두되며 1997년 기후협약에 관한 교토의정서가 채택된 이후, 전 세계적으로 환경부하 저감을 위해 다양한 노력을 쏟고 있는 실정이다.
대표적인 환경 저해 산업 중 하나인 건설산업에서도 환경보호를 위한 지속 가능한 성장산업으로 변환하고자 CO2 배출량 및 에너지 소비량 저감에 대한 친환경 연구가 활발히 진행되고 있다.
건물의 건설과 운영에 따라서 소비되는 에너지에 의한 CO2 배출량은 전체 CO2 배출량의 약 24% 정도로 알려져 있는데, 미국에서는 에너지 소비량의 54%가 건물 및 그 공사 과정에 직간접적으로 연관되어 있다고 알려져 있다.
그러나 기존의 연구들은 대부분 CO2가 가장 많이 배출되는 사용 및 유지관리 단계에 주로 집중하고 있으며, 그 대상은 에너지를 대량으로 소비하는 설비와 같은 시설물이다.
IPCC(Intergovernmental panel on climate change)는 배출량과 상관없이 저감이 가능한 모든 단계에서 CO2 배출량을 적극적으로 저감하는 것을 권장하고 있고, 또한 탄소 배출권 제도 도입에 대응하는 측면에서도 CO2 배출량을 저감할 필요성이 있다.
최근에서야 건축물 생산과정에서 배출되는 CO2 배출량을 고려한 구조설계에 대한 초기연구에 대한 움직임이 일어나고 있다. LCA(Life Cycle Assessment)적 관점에서 친환경적 건설산업을 이루기 위해서는 건물의 초기설계 단계에서부터 CO2 배출량을 저감시키기 위한 방향으로 설계하도록 유도되고 있고, 설계자들도 경제성 뿐 아니라 환경성을 고려한 설계안을 제시하여야 한다.
최근에 제안되기 시작한 이러한 환경성 고려 설계 기법들은 주로 최적 설계 방법을 이용하는 기법들이다. 예를 들어, 철골 고층 건물에 대해 강성 기반 최적 설계 기법을 적용하여 물량을 최소화하는 기법이라든가, 합성 기둥에서 비용과 CO2 배출량을 동시에 고려하는 최적 설계안을 도출하는 기법 등이 제안되었다.
그러나, 철근콘크리트(RC, reinforced concrete) 부재나 구조물의 최적 설계는 철골 부재에 비해 어려운 편이다. 철골 단면과 달리, RC 단면은 규격화된 단면이 아니어서, 무한한 종류의 단면이 가능하다. 콘크리트로 둘러싸인 단면의 외곽 치수, 내부에 배치되는 철근의 개수 및 위치 등의 변수에 따라 부재의 저항 강도가 달라지기 때문에, 하나의 단면에 대해 상대적으로 많은 설계 변수가 존재하여 최적해에 이르는 과정도 복잡해진다.
따라서, 하나의 건축 프로젝트를 수행하는 동안 필요한 수많은 단면 설계마다 상충하지 않는 최적해들을 도출하려면 많은 시간과 노력이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 환경성을 고려하면서 좀더 쉽고 좀더 현실적으로 기둥 단면을 최적 설계할 수 있는 기둥 단면 최적 설계 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법은,
주어진 복수 개의 하중 값들과 소정 범위 및 종류 내에서 결정된 설계 변수들에 따라 각각 생성되는 기둥 단면들 중에 소정의 제약 조건들을 만족하는 기둥 단면들에 대하여 CO2 배출량을 연산하고, 각각의 하중 값에 대하여 최소의 CO2 배출량을 가지도록 선정된 기둥 단면 각각의 단면 정보로써 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계; 및
사용자에 의해 하중 값이 입력되면, 상기 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스로부터 해당 하중 값에서 최소의 CO2 배출량이 기대되는 기둥 단면의 단면 정보 및 CO2 배출량을 검색하여 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계는,
(a) 관심 대상 범위 내에서 N 개의 하중 값을 준비하는 단계;
(b) 설계하고자 하는 기둥 단면의 설계 변수들을 선정하고, 선정된 설계 변수들의 범위를 결정하는 단계;
(c) 1≤i≤N인 i번째 하중 값에 관하여, 주어진 설계 변수들의 각각의 조합에 의해 M개의 기둥 단면들을 생성하는 단계;
(d) 1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 구조 제한에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 판정하는 단계;
(e) 구조 제한 및 설계 강도에 관한 제약 조건들을 모두 만족하는 L개(L≤M인 정수)의 기둥 단면들 중 1≤k≤L인 k번째 기둥 단면에 대해 CO2 배출량을 연산하는 목적함수의 값을 최소로 하는 기둥 단면을 선정하는 단계;
(f) i≤N인 동안 (c), (d) 및 (e)를 반복하는 단계; 및
(g) N 개의 하중 값들에 대해 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면들이 선정되면, 각각의 하중 값마다, 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 그때의 CO2 배출량을 가지고 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 각각의 하중 값에 대하여 선정되는 기둥 단면은,
최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 CO2 배출량이 상대적으로 적은 순서대로 적어도 하나의 기둥 단면들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 기둥 단면에 대해 연산되는 최소의 CO2 배출량의 목적함수는 다음 수학식
Figure 112013069844818-pat00001
과 같고,
여기서, f는 목적함수, l은 기둥 부재의 길이, A r 은 종방향 철근의 단면적, ρ r 은 종방향 철근의 비중, E r 은 종방향 철근의 단위 CO2 배출량이고, A c 은 콘크리트의 단면적, ρ c 은 콘크리트의 비중, E c 은 콘크리트의 단위 CO2 배출량이며, A s 는 강재의 단면적, ρ s 는 강재의 비중, E s 는 강재의 단위 CO2 배출량일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 제약 조건은 구조 제한에 관한 제약 조건들 및 설계 강도에 관한 제약 조건들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 설계 변수들의 각각은 결정된 범위 내에서 불연속적으로 분포할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치는
N 개의 하중 값과, 설계하고자 하는 기둥의 설계 변수들을 선정하고, 선정된 설계 변수들의 범위를 결정하며, 결정된 하중 값 및 설계 변수들의 조합에 의해 M 개의 기둥 단면들을 생성하는 단면 생성부;
1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 구조 제한에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 판정하는 구조 제한 판정부;
1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 설계 강도에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 판정하는 설계 강도 판정부;
구조 제한 및 설계 강도에 관한 제약 조건들을 모두 만족하는 L개(L≤M인 정수)의 기둥 단면들 중 1≤k≤L인 k번째 기둥 단면에 대해 CO2 배출량을 연산하는 목적함수의 값을 최소로 하는 기둥 단면을 선정하는 CO2 배출량 연산부;
각각의 하중 값마다, 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 그때의 CO2 배출량에 기초하여 구축되는 하중 별 단면 정보-CO2 DB; 및
사용자로부터 하중 값을 입력받아 상기 하중 별 단면 정보-CO2 DB로부터 하중 값에서 최소의 CO2 배출량이 기대되는 기둥 단면의 단면 정보 및 CO2 배출량을 검색하여 출력하는 사용자 쿼리부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 각각의 하중 값에 대하여 선정되는 기둥 단면은,
최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 CO2 배출량이 상대적으로 적은 순서대로 적어도 하나의 기둥 단면들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 기둥 단면에 대해 연산되는 최소의 CO2 배출량을 연산하는 목적함수는 다음 수학식
Figure 112013069844818-pat00002
과 같고,
여기서, f는 목적함수, l은 기둥 부재의 길이, A r 은 종방향 철근의 단면적, ρ r 은 종방향 철근의 비중, E r 은 종방향 철근의 단위 CO2 배출량이고, A c 은 콘크리트의 단면적, ρ c 은 콘크리트의 비중, E c 은 콘크리트의 단위 CO2 배출량이며, A s 는 강재의 단면적, ρ s 는 강재의 비중, E s 는 강재의 단위 CO2 배출량일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 설계 변수들의 각각은 결정된 범위 내에서 불연속적으로 분포할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치는 하중 값과 설계 변수들로써 가능한 모든 조합의 기둥 단면들의 단면 정보들을 저장하는 단면 DB를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기둥 단면 최적 설계 방법 및 장치에 따르면, 단면 최적 알고리즘을 이용하여 소요 하중 별로 단면 정보들 및 각각의 단면에서 배출되는 CO2 배출량을 도출하여 데이터베이스화할 수 있다.
본 발명의 기둥 단면 최적 설계 방법 및 장치에 따르면, 데이터베이스화된 하중, 단면 정보 및 최소 CO2 배출량에 의해, 필요한 작용 하중 값을 선택하면 그에 따라 최소 CO2 배출량을 배출하는 단면 정보를 쉽게 얻을 수 있어, 누구라도 환경성을 고려한 적절한 크기의 부재를 쉽게 선정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 단면 최적 설계 방법을 예시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 단면 최적 설계 방법 중 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계를 예시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 단면 최적 설계 방법에서 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 동안 이용되는 설계 강도에 관한 제약 조건 중 매입형 및 충전형 합성 기둥의 설계를 위한 압축력-휨 모멘트 상관도를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 단면 최적 설계 방법에서 구축되는 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 예시한 테이블이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 단면 최적 설계 장치를 예시한 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 단면 최적 설계 방법을 예시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 기둥 단면 최적 설계 방법은 먼저 단계(S11)에서, 주어진 복수 개의 하중 값들과 소정 범위 및 종류 내에서 결정된 설계 변수들에 따라 각각 생성되는 기둥 단면들 중에 소정의 제약 조건들을 만족하는 기둥 단면들에 대하여 CO2 배출량을 연산하고, 각각의 하중 값에 대하여 최소의 CO2 배출량을 가지도록 선정된 기둥 단면들 각각의 단면 정보로써 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축한다.
이때, 기둥 단면을 생성하기 위해 주어지는 하중 값은 축력(axial force)을 포함하며, 휨 모멘트(bending moment)를 더 포함할 수 있다.
또한 설계 변수들은 기둥의 종류에 따라 다를 수 있는데, 예를 들어, 매입형 합성 기둥이라면, 콘크리트 압축 강도, 콘크리트 단면적, 강재의 항복 강도, 강재 단면적, 강재 깊이, 웨브 두께, 플랜지 두께, 플랜지 너비, 철근 개수, 철근 직경 등이 설계 변수일 수 있다.
실시예에 따라, 설계 변수들은 주요한 설계 변수들로 간소화될 수 있다. 또한 실시예에 따라, 설계 변수들의 값은 현실적으로 사용되는 소정 범위 내에서 결정될 수 있고, 나아가, 좀더 현실적으로 설계 변수 값들은 불연속적으로 분포할 수 있다.
예를 들어, 위에서 예를 든 매입형 합성 기둥에서 설계 변수들은 철골 단면 크기, 철골 설계 기준 항복 강도, 콘크리트 단면 크기, 콘크리트 설계 기준 압축 강도, 주근 크기, 주근 설계 기준 항복 강도를 포함하는 6 종류의 변수들로 추려질 수 있다.
또한 예를 들어 설계 변수들은 예를 들어 콘크리트 단면 크기는 B(폭):D(깊이)가 가장 자주 사용되는 1:1 ~ 1:3으로서 B 값이 300mm ≤ B ≤800mm이고 D 값은 300mm≤D≤1200mm의 범위로 한정되는 식으로 소정 범위로 한정될 수 있다.
나아가, 예를 들어 설계 변수들은 예를 들어 콘크리트 단면 크기에서 B 값과 D 값이 각각 50 mm 간격으로 가변하는 식으로 주어질 수 있다.
이렇게 주어진 설계 변수들의 가능한 모든 조합에 의해 많은 수의 기둥 단면들이 생성될 수 있다.
이렇게 생성된 기둥 단면들은 설계 목표, 물리 법칙 또는 규정 등의 기준에 맞지 않는 기둥 단면들도 포함할 수 있다. 이러한 부적합한 기둥 단면들을 제거하기 위해, 예를 들어 2009년도의 국토해양부 고시 "건축구조기준"과 같은 기준에 의한 최소 강재량, 주근량 구조 제한 등의 제약 조건들을 이용할 수 있다.
제약 조건들에 의해 부적합한 기둥 단면들이 제거되면, 각각의 하중 별로 적어도 하나의 적합한 기둥 단면들이 추출된다.
이어서, 소정의 하중 값에 대해 적합한 기둥 단면들 중에서 실제 사용할 경우에 예상되는 CO2 배출량이 최소가 되는 하나의 기둥 단면이 선정될 수 있다.
이로써 소정의 하중 값에 대해, 최소의 CO2 배출량이 기대되는 기둥 단면의 단면 정보 및 그때의 CO2 배출량이 서로 연결되고, 각각의 하중 값, 기둥 단면의 단면 정보, CO2 배출량에 의해 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축할 수 있다.
실시예에 따라, 사용자가 복수의 후보 단면들 중에 하나를 선택할 수 있도록, 각각의 하중 값에 대해 CO2 배출량이 적은 순서대로 복수의 기둥 단면들이 선정될 수 있고, 그에 따라, 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스는 소정의 하중 값마다, CO2 배출량이 상대적으로 적은 복수의 기둥 단면들 각각의 단면 정보들 및 CO2 배출량 값들에 의해 구축될 수 있다.
단계(S12)에서, 사용자에 의해 하중 값이 입력되면, 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스로부터 해당 하중 값에서 최소의 CO2 배출량이 기대되는 기둥 단면의 단면 정보 및 CO2 배출량을 검색하여 출력한다.
실시예에 따라, 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스가 각각의 하중 값에 대해 CO2 배출량이 적은 순서대로 복수의 기둥 단면들 및 CO2 배출량들이 포함되는 경우에는, 사용자에 의해 하중 값이 입력되면, 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스로부터 해당 하중 값에서 상대적으로 적은 CO2 배출량이 기대되는 복수의 기둥 단면들 각각의 단면 정보 및 CO2 배출량들이 검색될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 단면 최적 설계 방법 중 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계를 예시한 순서도이다.
먼저 단계(S111)에서, 관심 대상 범위 내에서 N 개의 하중 값을 준비한다.
예를 들어 하중 값은 축방향으로 가해지는 압력, 즉 축력과, 축력에 의해 기둥이 좌굴( ")"자 형태로 변형)될 때의 횡 모멘트의 조합으로 주어질 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 축력 Pu은 100 kN에서 2500 kN까지 100 kN 단위로 가변하면서 모두 25 개의 값들로서 준비될 수 있다. 또한 예를 들어, 횡 모멘트는 강축의 모멘트 Mx와 약축의 모멘트 My가 각각 0 ~ 800 N·mm 범위 및 0 ~ 1300 N·mm 범위에서, 100 N·mm 단위로 가변하면서 모두 104 개의 조합이 제공될 수 있다. 이 경우, 하중 값들은 모두 2600 가지 조합이 가능하므로, 이러한 하중 값들의 각각에 대해 최종적으로 적어도 하나의 기둥 단면이 선정되어 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스에 저장될 수 있다.
단계(S112)에서, 설계하고자 하는 기둥 단면의 설계 변수들을 선정하고, 선정된 설계 변수들의 범위를 결정한다.
예를 들어, 설계하고자 하는 기둥은 매입형 합성 기둥, 충전형 각형 강관 합성 기둥, 충전형 원형 강관 합성 기둥, 충전 피복형 합성 기둥, 철골(S, steel) 기둥, 철근콘크리트(RC, reinforced concrete) 기둥, 철골철근콘크리트(SRC, steel reinforced concrete) 기둥 등이 될 수 있다. 각각의 기둥에 관하여 설계 변수들 및 범위들은 다르게 선정될 수 있다.
이러한 합성 기둥들 내지 S 기둥, RC 기둥, SRC 기둥들의 설계 변수들 및 이들을 이용한 설계식들(축력, 모멘트, 면적, 소성단면계수 등의 계산식)은 상술한 국토해양부 고시 건축구조기준에 따른 구조 제한 및 설계 강도에 관여하는 변수로서 선정될 수 있다.
실시예에 따라, 설계 변수들은 주요한 설계 변수들로 간소화될 수 있다. 또한 실시예에 따라, 설계 변수들의 값은 현실적으로 사용되는 소정 범위, 또는 물리적으로 가능한 범위 내에서 결정될 수 있고, 나아가, 좀더 현실적으로 설계 변수 값들은 불연속적으로 분포할 수 있다.
예를 들어, 위에서 예를 든 매입형 합성 기둥에서 설계 변수들은 표 1과 같이 철골 단면 크기, 철골 설계 기준 항복 강도, 콘크리트 단면 크기, 콘크리트 설계 기준 압축 강도, 주근 크기, 주근 설계 기준 항복 강도를 포함하는 6 종류의 변수들로 간소화될 수 있다.
또한 설계 변수들은 표 1과 같이 주로 이용되는 범위 또는 집합 내에서 주어질 수 있다. 예를 들어 철골은 가장 자주 사용되는 56 가지의 단면 크기를 가지는 철골들에 한정될 수 있고, 철골 설계 기준 항복 강도는 가장 자주 사용되는 4 가지의 강도 기준에 한정될 수 있다.
설계변수 범위
매입형
합성기둥		 철골 단면크기 56EA
철골 설계기준항복강도 SS400, SM490, SM520, SM570
콘크리트 단면크기 300mm ≤ B ≤ 800mm
300mm ≤ D ≤ 1200mm
콘크리트 설계기준압축강도 24, 27, 30, 35, 40MPa
주근 크기 D25, D29, D32 (4EA / 12EA)
주근 설계기준항복강도 SS400
이렇게 제한적으로 주어진 설계 변수들의 가능한 모든 조합에 의해 M 개의 기둥 단면들이 생성될 수 있다.
단계(S113)에서, 1≤i≤N인 i번째 하중 값에 관하여, 주어진 설계 변수들의 각각의 조합에 의해 M개의 기둥 단면들을 생성한다.
기둥 단면의 생성은 기둥 단면의 치수와 형상을 고유하게 설명할 수 있는 단면 정보의 생성을 의미한다.
단계(S114)에서, 1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 구조 제한에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 판정한다.
기둥 단면의 구조 제한에 관한 제약 조건들은 마찬가지로 예를 들어 국토해양부 고시 "건축구조기준"에 규정되는 구조 제한에 관한 제약 조건들일 수 있다.
예를 들어, 매입형 합성 기둥에서 구조 제한은 "강재코어의 단면적은 합성기둥 총 단면적의 1% 이상이어야 한다", "강재코어를 매입한 콘크리트는 연속된 길이 방향 철근(주근)과 띠철근 또는 나선철근을 보강되어야 한다", "연속된 길이방향철근의 최소철근비는 0.004로 한다"와 같은 규정으로 제시되는데, 생성된 기둥 단면이 최소 강재량 및 주근량에 대한 이러한 제약 조건들이 만족하는지 여부는 다음의 수학식 1과 같은 제약 조건식들(c1 내지 c5)에 의해 판정될 수 있다.
Figure 112013069844818-pat00003
여기서,
Figure 112013069844818-pat00004
는 강재의 단면적, B는 기둥의 폭, D는 기둥의 깊이,
Figure 112013069844818-pat00005
는 최소 허용 강재비,
Figure 112013069844818-pat00006
는 띠철근의 단면적,
Figure 112013069844818-pat00007
는 최소 허용 철근비,
Figure 112013069844818-pat00008
는 폭(B)에 대한 깊이(D)의 최소 비율,
Figure 112013069844818-pat00009
는 폭에 대한 깊이의 최대 비율, d는 철근의 두께,
Figure 112013069844818-pat00010
은 콘크리트 단면 폭과 강재 폭의 최소 허용 차이,
Figure 112013069844818-pat00011
는 강재의 플랜지 너비,
Figure 112013069844818-pat00012
는 콘크리트 단면 깊이와 강재 깊이의 최소 허용 차이를 각각 의미한다.
단계(S114)에서 구조 제한에 관한 제약 조건들을 만족하지 않는 기둥 단면에 대해서는 이후에 설계 강도에 관한 제약 조건들이 만족하는 단계 및 CO2 배출량을 연산하는 단계로 진행하지 않을 수 있다.
이어서, 단계(S115)에서, 1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 설계 강도에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 판정한다.
기둥 단면의 설계 강도에 관한 제약 조건들은 마찬가지로 예를 들어 국토해양부 고시 "건축구조기준"에 규정되는 설계 강도에 관한 제약 조건들일 수 있다.
예를 들어, 매입형 합성 기둥에서 설계 강도에 관한 제약 조건은 다음 수학식 2와 같이 압축력과 휨이 동시에 작용하는 제약 조건(σ6)에 의해 판정될 수 있다.
Figure 112013069844818-pat00013
여기서,
Figure 112013069844818-pat00014
와
Figure 112013069844818-pat00015
는 각각 강축과 약축에서 요구 휨 강도,
Figure 112013069844818-pat00016
와
Figure 112013069844818-pat00017
는 각각 강축과 약축에서 가용 휨 강도이고,
Figure 112013069844818-pat00018
은 소요 압축 강도이며,
Figure 112013069844818-pat00019
와
Figure 112013069844818-pat00020
는 각각 축력-휨 모멘트(P-M) 상관도의 순수 압축 강도를 나타내는 A점 및 축하중이 작용하는 상태인 C점 각각에서의 가용 압축 강도이다.
한편, 축력-휨 모멘트(P-M) 상관도는 도 3과 같이 예시될 수 있다.
도 3에서 A점은 순수 압축 강도를 나타내고, B점은 순수 휨 강도, C점은 축하중이 작용하는 상태에서 B점과 같은 휨 강도를 갖는 소성중립축의 위치, D점은 압축 강도가 C점의 압축 강도의 1/2이 되는 점을 각각 나타낸다.
한편, 다른 종류의 기둥에서는 구조 제한 또는 설계 강도에 관한 제약 조건들은 수학식 1 또는 수학식 2와 다르게 각각 제공될 수 있다.
다시 도 2로 돌아와서, 단계(S115)에서 설계 강도에 관한 제약 조건들을 만족하지 않는 기둥 단면에 대해서는 이후에 CO2 배출량을 연산하는 단계로 진행하지 않을 수 있다.
단계(S116)에서, 단계(S114) 및 단계(S115)에서 구조 제한 및 설계 강도에 관한 제약 조건들을 모두 만족하는 L개(L≤M인 정수)의 기둥 단면들 중 1≤k≤L인 k번째 기둥 단면에 대해 CO2 배출량을 연산하는 목적함수의 값을 최소로 하는 기둥 단면을 선정한다.
이때 CO2 배출량 목적함수는 재료 즉 철골, 철근 및 콘크리트의 생산 단계, 운송 단계 및 시공 단계에서 각각 단위 CO2 배출량에 재료의 부피와 비중에 기초하도록 다음 수학식 3과 같이 구성될 수 있다.
Figure 112013069844818-pat00021
여기서, f는 목적함수, l은 기둥 부재의 길이, A r 은 종방향 철근의 단면적, ρ r 은 종방향 철근의 비중, E r 은 종방향 철근의 단위 CO2 배출량이고, A c 은 콘크리트의 단면적, ρ c 은 콘크리트의 비중, E c 은 콘크리트의 단위 CO2 배출량이며, A s 는 강재의 단면적, ρ s 는 강재의 비중, E s 는 강재의 단위 CO2 배출량이다. 한편, 철근 및 강재의 비중은 7,850 kg/㎥이고, 콘크리트의 비중은 2,300 kg/㎥이다.
이때, 종방향이란 길이 방향(longitudinal direction)을 의미하고, 기둥과 같은 부재에서 종방향은 축방향과 일치할 수 있다. 다시 말해, 본 명세서 전반에 걸쳐, 종방향, 길이 방향 내지 축방향과 같은 용어들은 동일한 의미를 가지고 혼용될 수 있다.
단위 CO2 배출량은 예를 들어 표 2와 같이 한국건설기술연구원에서 발표된 직접조사법에 의한 구조 자재의 이산화탄소 배출량 데이터에 기초하여 적용될 수 있다. 이 자료에 따르면 예를 들어 H형 강철재의 이산화탄소 배출량은 1kg 당 0.3857kg이다.
재질 조사 기관 년도 종류 CO2 배출량
강철 한국건설기술연구원 2008 H shape rolled steel 0.3877 kg-CO2/kg
　 Deformed bar 0.3857 kg-CO2/kg
도로교통부 2002 High strength deformed bar 0.3962 kg-CO2/kg
　 Electric steel deformed bars 0.3405 kg-CO2/kg
　 Electric steel sections 0.4188 kg-CO2/kg
콘크리트 도로교통부 2003 Remicon 21MPa(fck)-12cm(slump) 400.13 kg-CO2/m3
　 Remicon 21MPa(f ck )-15cm(slump) 410.00 kg-CO2/m3
　 Remicon 24MPa(f ck )-12cm(slump) 406.00 kg-CO2/m3
　 Remicon 24MPa(f ck )-15cm(slump) 420.00 kg-CO2/m3
또한 콘크리트의 경우에 배합비와 강도에 따라 이산화탄소 배출량은 표 3과 같이 주어질 수 있다.
재질 C/T 배합비 Slump 강도 CO2 배출량
콘크리트
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　		 90%
　
　
　
　
　		 120mm
　
　		 24MPa 0.1304 kg-CO2/kg
27MPa 0.1389 kg-CO2/kg
30MPa 0.1474 kg-CO2/kg
150mm
　
　		 24MPa 0.1325 kg-CO2/kg
27MPa 0.1412 kg-CO2/kg
30MPa 0.1498 kg-CO2/kg
70%
　
　
　
　
　		 120mm
　
　		 24MPa 0.1067 kg-CO2/kg
27MPa 0.1135 kg-CO2/kg
30MPa 0.1202 kg-CO2/kg
150mm
　
　		 24MPa 0.1100 kg-CO2/kg
27MPa 0.1171 kg-CO2/kg
30MPa 0.1242 kg-CO2/kg
실시예에 따라, 단계(S116)에서 L 개의 기둥 단면들에 대해 연산된 목적함수의 값을 작게 만드는 복수의 기둥 단면들이 선정될 수도 있다.
단계(S117)에서, i를 1 증가시켰을때 i ≤ N이면 단계(S113)로 돌아가서 다음 순번의 하중 값에 관하여 기둥 단면들을 생성하고, 그렇지 않고 i > N이면 CO2 배출량 연산을 종료한다.
단계(S117)에서 N 개의 하중 값들에 대해 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면들에 관하여 연산이 종료하면, 단계(S118)에서, 각각의 하중 값마다, 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 그때의 CO2 배출량을 가지고 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 단면 최적 설계 방법에서 구축되는 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 예시한 테이블이다.
도 4를 참조하면, 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스의 정사각형 매입형 기둥에 관한 테이블 내의 세로 열은 100 kN부터 100 단위로 증가하는 압축력, 가로 행은 각각 기둥 단면의 강축의 모멘트 Mx와 약축의 모멘트 My의 조합을 의미한다. 각각의 엔트리에는 좌측 상단부터, 단위 길이당 총 CO2 배출량, 콘크리트에 의한 CO2 배출 기여분, 철근에 의한 CO2 배출 기여분, 단면 DB 인덱스, 정사각형 기둥 단면의 폭(B), 철근 배근 방식을 각각 입력된다.
이러한 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스에 따르면, 예를 들어 축하중 500 kN이고 휨 모멘트가 800 N·mm 및 1100 N·mm 인 설계 조건을 만족하는 정사각형 매입형 기둥이라면, 단면 DB의 102번 단면 형상으로서 폭이 800 mm이고 철근 배근은 32-D25일 때 CO2 배출량이 최소가 되며, 그때의 CO2 배출량은 239.25 kg-CO2/㎥이다.
실시예에 따라, 하나의 엔트리에 복수 개의 기둥 단면들과 CO2 배출량이 입력될 수 있다. 이 경우, 사용자는 필요에 따라 CO2 배출량이 가장 적은 기둥 단면 대안이 아닌 차선의 대안을 선택할 수도 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치를 예시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치(50)는 단면 생성부(51), 구조 제한 판정부(52), 설계 강도 판정부(53), CO2 배출량 연산부(54), 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스(55) 및 사용자 쿼리부(56)를 포함할 수 있고, 단면 DB(57)를 더 포함할 수 있다.
단면 생성부(51)는 관심 대상 범위 내에서 N 개의 하중 값과, 설계하고자 하는 기둥의 설계 변수들을 선정하고, 선정된 설계 변수들의 범위를 결정하며, 결정된 하중 값 및 설계 변수들에 따라 기둥 단면들을 생성할 수 있다.
예를 들어 하중 값은 축 방향으로 가해지는 압력, 즉 축력과, 축력에 의해 기둥이 좌굴될 때의 횡 모멘트의 조합으로 주어질 수 있다.
예를 들어, 설계하고자 하는 기둥은 매입형 합성 기둥, 충전형 각형 강관 합성 기둥, 충전형 원형 강관 합성 기둥, 충전 피복형 합성 기둥, 철골 기둥, 철근콘크리트 기둥, 철골철근콘크리트 기둥 등이 될 수 있다.
설계 변수들은 상술한 국토해양부 고시 건축구조기준에 따른 구조 제한 및 설계 강도에 관여하는 변수로서 선정될 수 있다.
실시예에 따라, 설계 변수들은 주요한 설계 변수들로 간소화될 수 있다. 또한 실시예에 따라, 설계 변수들의 값은 현실적으로 사용되는 소정 범위, 또는 물리적으로 가능한 범위 내에서 결정될 수 있고, 나아가, 좀더 현실적으로 설계 변수 값들은 불연속적으로 분포할 수 있다.
이렇게 제한적으로 주어진 설계 변수들의 가능한 모든 조합에 의해 M 개의 기둥 단면들이 생성될 수 있다.
단면 생성부(51)는 1≤i≤N인 i번째 하중 값에 관하여, 주어진 설계 변수들의 각각의 조합에 의해 M개의 기둥 단면들을 생성한다. 여기서 기둥 단면의 생성은 기둥 단면의 치수와 형상을 고유하게 설명할 수 있는 단면 정보의 생성을 의미한다.
구조 제한 판정부(52)는 1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 구조 제한에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 예를 들어 상술한 수학식 1에 의해 판정한다.
기둥 단면의 구조 제한에 관한 제약 조건들은 마찬가지로 예를 들어 국토해양부 고시 "건축구조기준"에 규정되는 구조 제한에 관한 제약 조건들일 수 있다.
구조 제한 판정부(52)에서 구조 제한에 관한 제약 조건들을 만족하지 않는 기둥 단면에 대해서는 이후에 설계 강도 판정부(53)나 CO2 배출량 연산부(54)로 진행하지 않을 수 있다.
이어서, 설계 강도 판정부(53)는 1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 설계 강도에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 예를 들어 상술한 수학식 2에 의해 판정한다.
기둥 단면의 설계 강도에 관한 제약 조건들은 마찬가지로 예를 들어 국토해양부 고시 "건축구조기준"에 규정되는 설계 강도에 관한 제약 조건들일 수 있다.
설계 강도 판정부(53)에서 설계 강도에 관한 제약 조건들을 만족하지 않는 기둥 단면에 대해서는 이후에 CO2 배출량 연산부(54)로 진행하지 않을 수 있다.
CO2 배출량 연산부(54)는 구조 제한 및 설계 강도에 관한 제약 조건들을 모두 만족하는 L개(L≤M인 정수)의 기둥 단면들 중 1≤k≤L인 k번째 기둥 단면에 대해 CO2 배출량을 연산하는 목적함수의 값을 최소로 하는 기둥 단면을 선정한다.
이때 CO2 배출량 목적함수는 재료 즉 철골, 철근 및 콘크리트의 생산 단계, 운송 단계 및 시공 단계에서 각각 단위 CO2 배출량에 재료의 부피와 비중에 기초하도록 상술한 수학식 3과 같이 구성될 수 있다.
하중 별 단면 정보-CO2 DB(55)는 각각의 하중 값마다, 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 그때의 CO2 배출량에 기초하여 구축된다.
사용자 쿼리부(56)는 사용자로부터 하중 값을 입력받아 하중 별 단면 정보-CO2 DB(55)로부터 하중 값에서 최소의 CO2 배출량이 기대되는 기둥 단면의 단면 정보 및 CO2 배출량을 검색하여 출력한다.
실시예에 따라, 단면 DB(57)는 하중 값과 설계 변수들로써 가능한 모든 조합의 기둥 단면들의 단면 정보들을 저장할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, 광학 디스크, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크, 비휘발성 메모리 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
50 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치
51 단면 생성부 52 구조 제한 판정부
53 설계 강도 판정부 54 CO2 배출량 연산부
55 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스
56 사용자 쿼리부 57 단면 DB

Claims (13)

  1. 컴퓨터를 이용하여 환경성을 고려한 기둥 단면의 최적 설계 방법으로서,
    상기 컴퓨터가,
    주어진 복수 개의 하중 값들과 소정 범위 및 종류 내에서 결정된 설계 변수들에 따라 각각 생성되는 기둥 단면들 중에 소정의 제약 조건들을 만족하는 기둥 단면들에 대하여 CO2 배출량을 연산하고, 각각의 하중 값에 대하여 최소의 CO2 배출량을 가지도록 선정된 기둥 단면 각각의 단면 정보로써 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계; 및
    사용자에 의해 하중 값이 입력되면, 상기 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스로부터 해당 하중 값에서 최소의 CO2 배출량이 기대되는 기둥 단면의 단면 정보 및 CO2 배출량을 검색하여 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계는,
    (a) 관심 대상 범위 내에서 N 개의 하중 값을 준비하는 단계;
    (b) 설계하고자 하는 기둥 단면의 설계 변수들을 선정하고, 선정된 설계 변수들의 범위를 결정하는 단계;
    (c) 1≤i≤N인 i번째 하중 값에 관하여, 주어진 설계 변수들의 각각의 조합에 의해 M개의 기둥 단면들을 생성하는 단계;
    (d) 1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 구조 제한에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 판정하는 단계;
    (e) 구조 제한 및 설계 강도에 관한 제약 조건들을 모두 만족하는 L개(L≤M인 정수)의 기둥 단면들 중 1≤k≤L인 k번째 기둥 단면에 대해 CO2 배출량을 연산하는 목적함수의 값을 최소로 하는 기둥 단면을 선정하는 단계;
    (f) i≤N인 동안 (c), (d) 및 (e)를 반복하는 단계; 및
    (g) N 개의 하중 값들에 대해 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면들이 선정되면, 각각의 하중 값마다, 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 그때의 CO2 배출량을 가지고 하중 별 단면 정보-CO2 데이터베이스를 구축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 각각의 하중 값에 대하여 선정되는 기둥 단면은,
    최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 CO2 배출량이 상대적으로 적은 순서대로 적어도 하나의 기둥 단면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 기둥 단면에 대해 연산되는 최소의 CO2 배출량을 연산하는 목적함수는 다음 수학식
    Figure 112015036815463-pat00022

    에 기초하여 연산되고,
    여기서, f는 목적함수, l은 기둥 부재의 길이, Ar 은 종방향 철근의 단면적, ρr 은 종방향 철근의 비중, Er 은 종방향 철근의 단위 CO2 배출량이고, Ac 은 콘크리트의 단면적, ρc 은 콘크리트의 비중, Ec 은 콘크리트의 단위 CO2 배출량이며, As 는 강재의 단면적, ρs 는 강재의 비중, Es 는 강재의 단위 CO2 배출량인 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제약 조건은 구조 제한에 관한 제약 조건들 및 설계 강도에 관한 제약 조건들을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 설계 변수들의 각각은 결정된 범위 내에서 불연속적으로 분포하는 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법.
  7. 컴퓨터에서 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 청구항에 따른 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 방법을 수행하도록 구현된 프로그램이 수록된 컴퓨터로 독출할 수 있는 기록 매체.
  8. N 개의 하중 값과, 설계하고자 하는 기둥의 설계 변수들을 선정하고, 선정된 설계 변수들의 범위를 결정하며, 결정된 하중 값 및 설계 변수들의 조합에 의해 M 개의 기둥 단면들을 생성하는 단면 생성부;
    1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 구조 제한에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 판정하는 구조 제한 판정부;
    1≤j≤M인 j 번째 기둥 단면이 설계 강도에 관한 제약 조건들을 만족하는지 여부를 판정하는 설계 강도 판정부;
    구조 제한 및 설계 강도에 관한 제약 조건들을 모두 만족하는 L개(L≤M인 정수)의 기둥 단면들 중 1≤k≤L인 k번째 기둥 단면에 대해 CO2 배출량을 연산하는 목적함수의 값을 최소로 하는 기둥 단면을 선정하는 CO2 배출량 연산부;
    각각의 하중 값마다, 최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 그때의 CO2 배출량에 기초하여 구축되는 하중 별 단면 정보-CO2 DB; 및
    사용자로부터 하중 값을 입력받아 상기 하중 별 단면 정보-CO2 DB로부터 하중 값에서 최소의 CO2 배출량이 기대되는 기둥 단면의 단면 정보 및 CO2 배출량을 검색하여 출력하는 사용자 쿼리부를 포함하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 각각의 하중 값에 대하여 선정되는 기둥 단면은,
    최소의 CO2 배출량을 가지는 기둥 단면 및 CO2 배출량이 상대적으로 적은 순서대로 적어도 하나의 기둥 단면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치.
  10. 청구항 8에 있어서, 기둥 단면에 대해 연산되는 최소의 CO2 배출량을 연산하는 목적함수는 다음 수학식
    Figure 112013069844818-pat00023

    과 같고,
    여기서, f는 목적함수, l은 기둥 부재의 길이, A r 은 종방향 철근의 단면적, ρ r 은 종방향 철근의 비중, E r 은 종방향 철근의 단위 CO2 배출량이고, A c 은 콘크리트의 단면적, ρ c 은 콘크리트의 비중, E c 은 콘크리트의 단위 CO2 배출량이며, A s 는 강재의 단면적, ρ s 는 강재의 비중, E s 는 강재의 단위 CO2 배출량인 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 설계 변수들의 각각은 결정된 범위 내에서 불연속적으로 분포하는 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치.
  12. 청구항 8에 있어서, 하중 값과 설계 변수들로써 가능한 모든 조합의 기둥 단면들의 단면 정보들을 저장하는 단면 DB를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환경성을 고려한 기둥 단면 최적 설계 장치.
  13. 삭제
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