KR101615285B1 - 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템 및 그 방법 - Google Patents

충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 전통 한옥 접합부에 대한 개별적인 실험을 수행하지 않고도 단 한 번의 충격가력실험과 구조해석 소프트웨어에 의한 반복적인 고유치 해석만으로 기존에 완공된 전통 한옥 주요 접합부의 상대 회전 강성값을 신뢰할 만한 수준으로 도출하며, 수치적으로 신뢰할 만한 전통 한옥 접합부의 상대 회전 강성값을 제시함으로써, 상대적으로 간편하고 저렴한 비용으로 전통 한옥의 안전성 및 사용성에 대한 구조검토를 수행할 수 있도록 함에 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실물 한옥에 가력한 후, 실물 한옥의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 도출하는 충격하중 실험부; 상기 실물 한옥 전체 골조에 대한 구조해석 모델을 구성하고, 구성된 구조해석 모델의 고유치 해석을 수행하며, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 고유치 해석부; 및 상기 고유치 해석부를 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여 예비 후보 대안값을 선정하며, 선정된 예비 후보 대안값별 고유 진동수의 오차율에 따라 최적 대안값을 선정하고, 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 회전 강성 평가부; 를 포함한다.

Description

충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR EVALUATING ROTATIONAL STIFFNESS OF JOINTS OF HANOK USING IMPACT HAMMER TEST AND EIGEN VALUE ANALYSIS}
본 발명은 전통 한옥 전체 골조에 대한 충격하중 실험과 구조해석 소프트웨어에 의한 고유치 해석만으로 전통 한옥에 적용된 대표적인 접합부의 회전 강성을 평가하는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전통 한옥 접합부의 개별적인 실험에 의하지 않고도 문화재와 같이 이미 지어진 전통 한옥 접합부의 상대 회전 강성값을 신뢰할 만한 수준으로 도출하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
구조물의 구조 해석 방법과 관련해서는, 한국공개특허 제10-2014-0041121호(이하, '선행문헌') 외에 다수 등록 및 공개되어 있으며, 상술한 선행문헌은, 프로그램을 이용하여 구조물의 골조를 모델링하는 구성을 포함하고 있다.
한편, 한옥에 대한 구조 검토를 수행하기 위해서는 주요 접합부의 회전 강성을 파악하고 있어야 한다. 새로 짓는 한옥의 경우에는 주요 접합부를 실험체로 만들고 하중가력실험을 수행하여 접합부의 강성을 파악할 수 있다.
그러나, 문화재와 같이 기존에 지어진 전통 한옥인 경우에는 해체 수리를 하지 않고는 접합부의 치수나 정확한 구성을 확인하기 어렵고, 노후화된 현재 상태의 목재의 강도와 동일한 강도의 목재로 실험체를 구성하기도 어렵다는 문제가 있다.
이와 더불어 전통 한옥의 경우에는 대부분 목재만의 끼움과 맞춤에 의하여 접합부를 구성하므로 구조적인 관점에서 보았을 때 힌지 이음이라 볼 수 있다.
그러나, 전통 한옥의 지붕은 적심과 보토, 기와 등으로 지붕 하중이 5~10kN/m2에 이르는 등 상당히 무거워 이러한 무거운 지붕 하중이 접합부를 강하게 눌러주어 접합부의 강성이 증대되는 효과가 있다.
따라서, 접합부의 강성을 확인하기 위하여 접합부를 실험체로 구성하여 실험을 수행하는 경우에는 접합부를 눌러주는 힘을 정확히 산정해야 하는데, 3차원적인 힘의 흐름을 정확히 산정하기 쉽지 않아서 실험의 정확성을 담보하기 어려운 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2014-0041121호.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 기술적 과제는, 전통 한옥 접합부에 대한 개별적인 실험을 수행하지 않고도 단 한 번의 충격가력실험과 구조해석 소프트웨어에 의한 반복적인 고유치 해석만으로 기존에 완공된 전통 한옥 주요 접합부의 상대 회전 강성값을 신뢰할 만한 수준으로 도출함에 있다.
그리고 본 발명의 제 2 기술적 과제는, 수치적으로 신뢰할 만한 전통 한옥 접합부의 상대 회전 강성값을 제시함으로써, 상대적으로 간편하고 저렴한 비용으로 전통 한옥의 안전성 및 사용성에 대한 구조검토를 수행할 수 있도록 함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템에 관한 것으로서, 실물 한옥에 가력한 후, 실물 한옥의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 도출하는 충격하중 실험부; 상기 실물 한옥 전체 골조에 대한 구조해석 모델을 구성하고, 구성된 구조해석 모델의 고유치 해석을 수행하며, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 고유치 해석부; 및 상기 고유치 해석부를 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여 예비 후보 대안값을 선정하며, 선정된 예비 후보 대안값별 고유 진동수의 오차율에 따라 최적 대안값을 선정하고, 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 회전 강성 평가부; 를 포함한다.
또한 상기 충격하중 실험부는, 충격하중 가력장치(Impact Hammer)로서, 상기 실물 한옥을 가력하는 가력모듈; 및 상기 실물 한옥의 주요 방향별로 설치된 가속도계를 포함하여 이루어져, 상기 가력모듈의 가력에 따라 변화되어 상기 가속도계를 통해 측정되는 가속도계 데이터를 바탕으로 실물 한옥의 고유 진동수(natural frequency) 및 고유 모드(natural mode) 방향을 도출하는 도출모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고유치 해석부는, 상기 실물 한옥의 구조해석을 위한 구조해석 소프트웨어를 이용하여 실물 한옥 전체 골조에 대한 3차원 구조해석 모델을 구성하는 모델 구성모듈; 구조해석 모델 구성시, 한옥의 주요 접합부에 대한 상대 회전 강성값을 구조해석 모델에 입력하여, 상대 회전 강성값의 대안값을 복수개 추출하는 대안값 추출모듈; 및 상기 대안값 추출모듈을 통해 추출된 모든 대안값을 구조해석 모델에 입력함으로써, 주요 접합부의 모든 대안값에 대한 고유치 해석을 수행하고, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 모드별 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 고유치 해석모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 대안값 추출모듈은, 상기 상대 회전 강성값을 소정 간격으로 증가시켜, 복수개의 대안값을 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전 강성 평가부는, 상기 고유치 해석부를 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여, 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향과 일치하는 대안값을 예비 후보로 선정하는 예비 후보 선정모듈; 예비 후보로 선정된 대안값별로 고유 진동수의 오차율을 계산하는 오차율 계산모듈; 및 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값이 존재하는지 여부를 판단하여, 존재할 경우 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값 중에서, 고유 진동수의 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 대안값을 주요 접합부의 최적 대안값으로 선정하고, 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 회전 강성 평가모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 오차율 계산모듈은, 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 진동수와, 상기 고유치 해석부를 통해 산출된 고유 진동수를 이용하여 대안값별 각각의 고유 진동수 오차율 및 고유 진동수 평균 오차율을 계산하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법에 관한 것으로서, (a) 충격하중 실험부가 실물 한옥에 가력한 후, 실물 한옥의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 도출하는 과정; (b) 고유치 해석부가 상기 실물 한옥 전체 골조에 대한 구조해석 모델을 구성하고, 구성된 구조해석 모델의 고유치 해석을 수행하며, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 과정; 및 (c) 회전 강성 평가부가 상기 (b) 과정을 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 (a) 과정을 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여 예비 후보 대안값을 선정하며, 선정된 예비 후보 대안값별 고유 진동수의 오차율에 따라 최적 대안값을 선정하고, 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 과정; 을 포함한다.
또한 상기 (a) 과정은, (a-1) 상기 충격하중 실험부가 상기 실물 한옥을 가력하는 단계; 및 (a-2) 상기 충격하중 실험부가 가력에 따라 변화되는 가속도계 데이터를 바탕으로 실물 한옥의 고유 진동수(natural frequency) 및 고유 모드(natural mode) 방향을 도출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (b) 과정은, (b-1) 상기 고유치 해석부가 상기 실물 한옥의 구조해석을 위한 구조해석 소프트웨어를 이용하여 실물 한옥 전체 골조에 대한 3차원 구조해석 모델을 구성하는 단계; (b-2) 상기 고유치 해석부가 구조해석 모델 구성시, 한옥의 주요 접합부에 대한 상대 회전 강성값을 구조해석 모델에 입력하여, 상대 회전 강성값의 대안값을 복수개 추출하는 단계; 및 (b-3) 상기 고유치 해석부가 상기 (b-2) 단계를 통해 추출된 모든 대안값을 구조해석 모델에 입력함으로써, 주요 접합부의 모든 대안값에 대한 고유치 해석을 수행하고, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 모드별 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (b-2) 단계에서, 상기 고유치 해석부가 상대 회전 강성값을 소정 간격으로 증가시켜, 복수개의 대안값을 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (c) 과정은, (c-1) 상기 회전 강성 평가부가 상기 (b) 과정을 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 (a) 과정을 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여, 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향과 일치하는 대안값을 예비 후보로 선정하는 단계; (c-2) 상기 회전 강성 평가부가 예비 후보로 선정된 대안값별로 고유 진동수의 오차율을 계산하는 단계; (c-3) 상기 회전 강성 평가부가 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값이 존재하는지 여부를 판단하는 단계; (c-4) 상기 (c-3) 단계의 판단결과, 존재할 경우 상기 회전 강성 평가부가 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값 중에서, 고유 진동수의 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 대안값을 주요 접합부의 최적 대안값으로 선정하는 단계; 및 (c-5) 상기 회전 강성 평가부가 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (c-2) 단계에서, 상기 회전 강성 평가부가 상기 (a) 과정을 통해 도출된 고유 진동수와, 상기 (b) 과정을 통해 산출된 고유 진동수를 이용하여 대안값별 각각의 고유 진동수 오차율 및 고유 진동수 평균 오차율을 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 전통 한옥 접합부의 개별적인 실험을 수행하지 않고도 단 한 번의 충격가력실험과 구조해석 소프트웨어에 의한 반복적인 고유치해석만으로 기존에 완공된 전통 한옥 주요 접합부의 상대 회전 강성값을 신뢰할 만한 수준으로 제공하는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 기존에 지어진 전통 한옥 접합부의 상대 회전 강성값을 수치적으로 신뢰할 만한 수준을 확보하면서 비교적 간편하고 저렴하게 제시함으로써, 문화재 및 전통 한옥의 안전성 및 사용성을 효율적으로 확보할 수 있는 효과도 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템을 개념적으로 도시한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 고유 모드 형상을 보이는 일예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 실물 한옥 전체 골조에 대한 구조해석 모델을 보이는 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 구조해석 모델의 횡단면도 및 종단면도.
도 5 는 본 발명에 따른 구조해석 모델에서 상대 회전 강성(횡강성)이 부여된 주요 접합부(기둥-창방 접합부)를 표시한 일예시도.
도 6 은 본 발명에 따른 전통 한옥의 실제도.
도 7 은 본 발명에 따른 전통 한옥에서 상대 회전 강성(횡강성)이 부여된 주요 접합부(기둥-창방 접합부)의 위치를 보이는 일예시도.
도 8 은 본 발명에 따른 도 7 의 주요 접합부를 보이는 실제도.
도 9 는 본 발명에 따른 주요 접합부 형상을 보이는 일예시도.
도 10 은 본 발명에 따른 상대 회전 강성값이 0.0-5.0% 범위에서 모드별 평면 및 입면 변형 형상을 보이는 일예시도.
도 11 은 본 발명에 따른 주요 접합부의 상대 회전 강성값에 따른 고유 진동수의 평균 오차율을 보이는 그래프.
도 12 는 본 발명에 따른 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법에 관한 전체 흐름도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템에 관하여 도 1 내지 도 11 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템(S)을 개념적으로 도시한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 충격하중 실험부(100), 고유치 해석부(200) 및 회전 강성 평가부(300)를 포함하여 이루어진다.
충격하중 실험부(100)는 실물 한옥에 가력한 후, 실물 한옥의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 도출하는 기능을 수행하는 바, 도 1 에 도시된 바와 같이 가력모듈(110) 및 도출모듈(120)을 포함한다.
구체적으로, 가력모듈(110)은 실물 한옥(10)에 힘을 가하도록 설치된 충격하중 가력장치(Impact Hammer)로서, 실물 한옥(10)을 가력한다.
도출모듈(120)은 실물 한옥(10)의 주요 방향별로 설치된 가속도계(20)를 포함하여 이루어져, 가력모듈(110)의 가력에 따라 변화되어 가속도계(20)를 통해 측정되는 가속도계 데이터를 바탕으로 실물 한옥(10)의 저차모드의 고유 진동수(natural frequency) 및 고유 모드(natural mode) 방향을 도출하며, 이는 [표 1] 에 도시된 바와 같다.
고유 모드 고유 진동수 (Hz) 고유 모드 방향
1차 1.350 X 방향
2차 1.603 비틀림
3차 1.780 Y 방향
참고로, 도 2 에 도시된 바와 같이 일측이 고정된 상태에서, 고정된 부분을 위 아래로 진동시키고, 진동 속도를 계속 높여 나가면 많은 수의 흔들리는 모양이 나타나게 된다. 이때, 나타나는 막대기의 흔들리는 형상을 모드 형상(mode shape)이라고 하며, 그 때의 진동수를 고유 진동수라고 한다. 가장 먼저 나타나는 진동 형상을 1차 모드 형상(도 2 의 (b))이며 그 때의 진동수를 1차 고유 진동수라 하고, 두 번째 나타나는 진동 형상을 2차 모드 형상(도 2 의 (c))이며 그 때의 진동수를 2차 고유 진동수라 한다. 이때, 저차 모드는 고차 모드에 비해 진동수가 낮다.
그리고, 고유 진동수와 모드 형상은 내진, 면진 및 제진 등의 동적해석과 동적설계의 기본 자료로서 사용되는 가장 중요한 구조물의 동적 특성이다. 구조물의 동적 해석을 수행하기 위해 대상 구조물의 고유 진동수와 모드 형상을 구하게 되는데, 이를 고유치 해석(eigen valve analysis)이라 한다.
하기에서는 이러한 고유치 해석을 수행하도록 한다.
고유치 해석부(200)는 실물 한옥(10) 전체 골조에 대한 구조해석 모델을 구성하고, 구성된 구조해석 모델의 고유치 해석을 수행하며, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 기능을 수행하는 바, 도 1 에 도시된 바와 같이 모델 구성모듈(210), 대안값 추출모듈(220) 및 고유치 해석모듈(230)을 포함한다.
구체적으로, 모델 구성모듈(210)은 실물 한옥(10)의 구조해석을 위한 구조해석 소프트웨어를 이용하여 실물 한옥(10) 전체 골조에 대한 3차원 구조해석 모델을 구성한다.
이때, 모델 구성모듈(210)은 midas Gen 소프트웨어를 이용하여, 도 3 에 도시된 바와 같은 구조해석을 모델을 구성한다. 도 4 는 구조해석 모델의 횡단면도 및 종단면도이며, 도 5 는 구조해석 모델에서 상대 회전 강성(횡강성)이 부여된 주요 접합부(기둥-창방 접합부)를 표시한 일예시도이다.
한편, 도 6 은 전통 한옥의 실제도이며, 도 7 은 전통 한옥에서 상대 회전 강성(횡강성)이 부여된 주요 접합부(기둥-창방 접합부)의 위치를 보이는 일예시도이며, 도 8 은 도 7 의 주요 접합부를 보이는 실제도이다.
전통 한옥의 횡강성은 대부분 기둥과 창방의 접합강성에 의하여 발휘된다.
도 9 에 도시된 바와 같이, 전통 한옥의 기둥-창방 접합부는 기둥에 창방이 장부이음으로 되어 있는 것이 일반적이다. 이러한 장부이음 접합부는 일반적인 상황에서는 힌지 이음으로 가정할 수 있다.
그러나, 전통 한옥의 경우 지붕 하중이 5~10kN/m2에 이르는 등 상당히 무거우므로 이러한 지붕 하중에 의하여 접합 부위가 강하게 눌려져서 마찰 접합부 특성을 가진다. 상기와 같은 이유로 인해 기둥과 창방의 접합부는 일정 정도의 회전 강성을 가지게 된다. 하나의 건물에서는 대체적으로 기둥과 창방의 접합부가 유사하게 제작되므로 기둥과 창방의 각 접합부가 유사한 회전 강성을 가진다고 가정할 수 있다. 이러한 회전강성을 신뢰할 수 있는 값으로 평가할 수 있어야 전통 한옥이 횡하중을 받을 때의 구조 검토가 가능하게 된다.
대안값 추출모듈(220)은 구조해석 모델 구성시, 한옥의 주요 접합부에 대한 상대 회전 강성값을 구조해석 모델에 입력하여, 상대 회전 강성값의 대안값을 복수개 추출한다. 이때, 대안값 추출모듈(220)은 상대 회전 강성값을 0에서 점진적으로 소정 간격으로 증가시킴으로써(0,1,2,3,4,5, .....), 복수개의 대안값을 구성한다.
본 실시예에서, 주요 접합부는 기둥과 창방 간의 접합부이며, 상대 회전 강성값을 증가시키는 범위는 초기의 2-3% 간격으로 설정할 수 있으며, 보다 정밀한 분석이 필요할 경우 1% 간격으로 설정한다.
고유치 해석모듈(230)은 대안값 추출모듈(220)을 통해 추출된 모든 대안값을 구조해석 모델에 입력함으로써, 주요 접합부의 모든 대안값에 대한 고유치 해석을 수행하고, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 모드별 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출한다.
이때, 고유치 해석모듈(230)은 고유치 해석을 통해 변형된 모드별 고유 모드 방향을 표시하며, 상대 회전 강성값이 0.0-5.0% 범위에서 모드별 평면 및 입면 변형 형상은 도 10 에 도시된 바와 같다.
회전 강성 평가부(300)는 고유치 해석부(200)를 통해 산출된 고유 모드 방향과 충격하중 실험부(100)를 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여 예비 후보 대안값을 선정하며, 선정된 예비 후보 대안값별 고유 진동수의 오차율에 따라 최적 대안값을 선정하고, 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 기능을 수행하는 바, 도 1 에 도시된 바와 같이 예비 후보 선정모듈(310), 오차율 계산모듈(320) 및 회전 강성 평가모듈(330)을 포함한다.
구체적으로, 예비 후보 선정모듈(310)은 고유치 해석부(200)를 통해 산출된 고유 모드 방향과 충격하중 실험부(100)를 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여, 충격하중 실험부(100)를 통해 도출된 고유 모드 방향과 일치하는 대안값을 예비 후보로 선정한다.
여기서, [표 2] 에 도시된 바와 같이 주요 접합부의 상대 회전 강성값이 5% 이하인 모든 대안값의 고유 모드 방향이 충격하중 실험부(100)를 통해 도출된 고유 모드 방향과 일치함에 따라, 예비 후보 선정모듈(310)은 상대 회전 강성값이 5% 이하인 모든 대안값을 예비 후보로 선정할 수 있다.
Figure 112014108095530-pat00001
오차율 계산모듈(320)은 예비 후보로 선정된 대안값별로 고유 진동수의 오차율을 계산한다.
더욱 구체적으로, 오차율 계산모듈(320)은 [수식 1] 과 같이 충격하중 실험부(100)를 통해 도출된 고유 진동수와, 고유치 해석부(200)를 통해 산출된 고유 진동수를 이용하여 대안값별 각각의 고유 진동수 오차율 및 고유 진동수 평균 오차율을 계산하며, 이는 [표 3] 에 나타낸 바와 같으며, 고유 진동수 평균 오차율은 도 11 에 도시된 바와 같다.
[수식 1]
고유 진동수 오차율 = (충격하중 실험에 의한 고유 진동수 - 고유치 해석에 의한 고유 진동수) / 충격하중 실험에 의한 고유진동수 * 100(%)
[표 3]
Figure 112014108095530-pat00002
회전 강성 평가모듈(330)은 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값이 존재하는지 여부를 판단하여, 존재할 경우 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값 중에서, 고유 진동수의 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 대안값을 주요 접합부의 최적 대안값으로 선정하고, 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가한다.
즉, 고유치 해석부(200)의 대안값 추출모듈(220)을 통해 구조해석 모델에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 최종 상대 회전 강성값으로 평가한다.
한편, 회전 강성 평가모듈(330)은 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값이 존재하지 않을 경우, 주요 접합부의 상대 회전 강성값을 변경하여 대안값 추출모듈(220)을 통해 구조해석 모델에 다시 입력할 수 있다.
본 실시예에서, 여러 오차를 고려하여 대체적으로 오차율이 50% 내에 드는 경우 적절하다고 판단할 수 있다. 여러 개의 대안값이 허용오차 이내에 드는 경우 가장 작은 오차율을 보이는 대안값을 최종 후보로 선정한다.
즉, [표 3] 에서 예비 후보로 선정된 6개의 대안값 중, 주요 접합부(기둥-창방 접합부)의 상대 회전 강성값이 5%인 대안값 6의 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 바, 대안값 6이 최적 대안값으로 선정될 수 있으며, 이 최적 대안값에 입력된 5%가 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가될 수 있다.
전통 한옥 주요 접합부(기둥-창방 접합부)의 상대 회전 강성값을 좀 더 세분하여 대안을 더 많이 생성하는 경우에는 최적 대안값이 변경될 수 있다. 그러나, 공학적인 관점에서 비용과 소요시간을 줄이기 위해서는 과도한 대안을 생성하는 것보다는 적절한 수준에서 대안의 개수를 조절할 필요가 있다.
이하에서는, 상술한 시스템을 이용한 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법에 관하여 도 12 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 12 는 본 발명에 따른 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법에 관한 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이 충격하중 실험부(100)의 가력모듈(110)은 실물 한옥(10)을 가력하고(S10), 도출모듈(120)은 가력모듈(110)의 가력에 따라 변화되어 가속도계(20)를 통해 측정되는 가속도계 데이터를 바탕으로 실물 한옥(10)의 저차모드의 고유 진동수(natural frequency) 및 고유 모드(natural mode) 방향을 도출한다(S20).
이후, 고유치 해석부(200)의 모델 구성모듈(210)은 실물 한옥(10)의 구조해석을 위한 구조해석 소프트웨어를 이용하여 실물 한옥(10) 전체 골조에 대한 3차원 구조해석 모델을 구성하며(S30), 대안값 추출모듈(220)은 구조해석 모델 구성시, 상대 회전 강성값을 0에서 점진적으로 소정 간격으로 증가시켜 구조해석 모델에 입력하여, 상대 회전 강성값의 대안값을 복수개 추출하고(S40), 고유치 해석모듈(230)은 대안값 추출모듈(220)을 통해 추출된 모든 대안값을 구조해석 모델에 입력함으로써, 주요 접합부의 모든 대안값에 대한 고유치 해석을 수행하고(S50), 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 모드별 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출한다(S60).
또한, 회전 강성 평가부(300)의 예비 후보 선정모듈(310)은 고유치 해석부(200)를 통해 산출된 고유 모드 방향과 충격하중 실험부(100)를 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여, 충격하중 실험부(100)를 통해 도출된 고유 모드 방향과 일치하는 대안값을 예비 후보로 선정하며(S70), 오차율 계산모듈(320)은 충격하중 실험부(100)를 통해 도출된 고유 진동수와, 고유치 해석부(200)를 통해 산출된 고유 진동수를 이용하여 대안값별 각각의 고유 진동수 오차율 및 고유 진동수 평균 오차율을 계산한다(S80).
뒤이어, 회전 강성 평가모듈(330)은 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값이 존재하는지 여부를 판단한다(S90).
제S90 단계의 판단결과, 존재할 경우 회전 강성 평가모듈(330)은 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값 중에서, 고유 진동수의 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 대안값을 주요 접합부의 최적 대안값으로 선정하고(S100), 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가한다(S110).
한편, 제S90 단계의 판단결과, 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값이 존재하지 않을 경우, 회전 강성 평가모듈(330)은 주요 접합부의 상대 회전 강성값을 변경하여(S120), 구조해석 모델에 다시 입력하는 제S40 단계로 절차를 이행한다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 충격하중 실험부 200: 고유치 해석부
300: 회전 강성 평가부 110: 가력모듈
120: 도출모듈 210: 모델 구성모듈
220: 대안값 추출모듈 230: 고유치 해석모듈
310: 예비 후보 선정모듈 320: 오차율 계산모듈
330: 회전 강성 평가모듈 10: 실물 한옥
20: 가속도계

Claims (14)

  1. 실물 한옥에 가력한 후, 실물 한옥의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 도출하는 충격하중 실험부;
    상기 실물 한옥 전체 골조에 대한 구조해석 모델을 구성하고, 구성된 구조해석 모델의 고유치 해석을 수행하며, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 고유치 해석부; 및
    상기 고유치 해석부를 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여 각 고유 모드 방향이 일치하는 대안값을 예비 후보 대안값으로 선정하며, 선정된 예비 후보 대안값 중, 한옥의 접합부인 기둥과 창방의 1차모드(X 방향), 2차모드(비틀림), 3차모드(Y방향)별로 고유 진동수 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 값을 한옥의 기둥과 창방 접합부의 최적 대안값으로 선정하고, 선정된 대안값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 회전 강성 평가부; 를 포함하며,
    상기 회전 강성 평가부는 상기 고유치 해석부를 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여, 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향과 일치하는 대안값을 예비 후보로 선정하는 예비 후보 선정모듈;
    예비 후보로 선정된 대안값별로 고유 진동수의 오차율을 계산하는 오차율 계산모듈; 및
    고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값이 존재하는지 여부를 판단하여, 존재할 경우 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값 중에서, 한옥의 접합부인 기둥과 창방의 1차모드(X 방향), 2차모드(비틀림), 3차모드(Y방향)별로 고유 진동수 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 대안값을 주요 접합부의 최적 대안값으로 선정하고, 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 회전 강성 평가모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충격하중 실험부는,
    충격하중 가력장치(Impact Hammer)로서, 상기 실물 한옥을 가력하는 가력모듈; 및
    상기 실물 한옥의 주요 방향별로 설치된 가속도계를 포함하여 이루어져, 상기 가력모듈의 가력에 따라 변화되어 상기 가속도계를 통해 측정되는 가속도계 데이터를 바탕으로 실물 한옥의 고유 진동수(natural frequency) 및 고유 모드(natural mode) 방향을 도출하는 도출모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고유치 해석부는,
    상기 실물 한옥의 구조해석을 위한 구조해석 소프트웨어를 이용하여 실물 한옥 전체 골조에 대한 3차원 구조해석 모델을 구성하는 모델 구성모듈;
    구조해석 모델 구성시, 한옥의 주요 접합부에 대한 상대 회전 강성값을 구조해석 모델에 입력하여, 상대 회전 강성값의 대안값을 복수개 추출하는 대안값 추출모듈; 및
    상기 대안값 추출모듈을 통해 추출된 모든 대안값을 구조해석 모델에 입력함으로써, 주요 접합부의 모든 대안값에 대한 고유치 해석을 수행하고, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 모드별 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 고유치 해석모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 대안값 추출모듈은,
    상기 상대 회전 강성값을 소정 간격으로 증가시켜, 복수개의 대안값을 구성하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 오차율 계산모듈은,
    상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 진동수와, 상기 고유치 해석부를 통해 산출된 고유 진동수를 이용하여 대안값별 각각의 고유 진동수 오차율 및 고유 진동수 평균 오차율을 계산하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 오차율 계산모듈은,
    [수식 1] 통해 대안값별 각각의 고유 진동수 오차율을 계산하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 시스템.
    [수식 1]
    고유 진동수 오차율 = (충격하중 실험에 의한 고유 진동수 - 고유치 해석에 의한 고유 진동수) / 충격하중 실험에 의한 고유진동수 * 100(%)
  8. (a) 충격하중 실험부가 실물 한옥에 가력한 후, 실물 한옥의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 도출하는 과정;
    (b) 고유치 해석부가 상기 실물 한옥 전체 골조에 대한 구조해석 모델을 구성하고, 구성된 구조해석 모델의 고유치 해석을 수행하며, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 과정; 및
    (c) 회전 강성 평가부가 상기 (b) 과정을 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 (a) 과정을 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여 각 고유 모드 방향이 일치하는 대안값을 예비 후보 대안값으로 선정하며, 선정된 예비 후보 대안값 중, 한옥의 접합부인 기둥과 창방의 1차모드(X 방향), 2차모드(비틀림), 3차모드(Y방향)별로 고유 진동수 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 값을 한옥의 기둥과 창방 접합부의 최적 대안값으로 선정하고, 선정된 대안값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 과정; 을 포함하며,
    상기 (c) 과정은 (c-1) 상기 회전 강성 평가부가 상기 (b) 과정을 통해 산출된 고유 모드 방향과 상기 (a) 과정을 통해 도출된 고유 모드 방향을 비교하여, 상기 충격하중 실험부를 통해 도출된 고유 모드 방향과 일치하는 대안값을 예비 후보로 선정하는 단계;
    (c-2) 상기 회전 강성 평가부가 예비 후보로 선정된 대안값별로 고유 진동수의 오차율을 계산하는 단계;
    (c-3) 상기 회전 강성 평가부가 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값이 존재하는지 여부를 판단하는 단계;
    (c-4) 상기 (c-3) 단계의 판단결과, 존재할 경우 상기 회전 강성 평가부가 고유 진동수 평균 오차율이 기 설정된 허용오차 범위 내에 드는 대안값 중에서, 한옥의 접합부인 기둥과 창방의 1차모드(X 방향), 2차모드(비틀림), 3차모드(Y방향)별로 고유 진동수 평균 오차율의 절대값이 가장 작은 대안값을 주요 접합부의 최적 대안값으로 선정하는 단계; 및
    (c-5) 상기 회전 강성 평가부가 선정된 최적 대안값에 입력된 상대 회전 강성값을 해당 주요 접합부의 상대 회전 강성값으로 평가하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (a) 과정은,
    (a-1) 상기 충격하중 실험부가 상기 실물 한옥을 가력하는 단계; 및
    (a-2) 상기 충격하중 실험부가 가력에 따라 변화되는 가속도계 데이터를 바탕으로 실물 한옥의 고유 진동수(natural frequency) 및 고유 모드(natural mode) 방향을 도출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 (b) 과정은,
    (b-1) 상기 고유치 해석부가 상기 실물 한옥의 구조해석을 위한 구조해석 소프트웨어를 이용하여 실물 한옥 전체 골조에 대한 3차원 구조해석 모델을 구성하는 단계;
    (b-2) 상기 고유치 해석부가 구조해석 모델 구성시, 한옥의 주요 접합부에 대한 상대 회전 강성값을 구조해석 모델에 입력하여, 상대 회전 강성값의 대안값을 복수개 추출하는 단계; 및
    (b-3) 상기 고유치 해석부가 상기 (b-2) 단계를 통해 추출된 모든 대안값을 구조해석 모델에 입력함으로써, 주요 접합부의 모든 대안값에 대한 고유치 해석을 수행하고, 해석 수행 결과로부터 구조해석 모델의 모드별 고유 진동수 및 고유 모드 방향을 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b-2) 단계에서,
    상기 고유치 해석부가 상대 회전 강성값을 소정 간격으로 증가시켜, 복수개의 대안값을 구성하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법.
  12. 삭제
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c-2) 단계에서,
    상기 회전 강성 평가부가 상기 (a) 과정을 통해 도출된 고유 진동수와, 상기 (b) 과정을 통해 산출된 고유 진동수를 이용하여 대안값별 각각의 고유 진동수 오차율 및 고유 진동수 평균 오차율을 계산하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법.
  14. 제 8 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 (c-2) 단계에서,
    상기 회전 강성 평가부가 [수식 1] 통해 대안값별 각각의 고유 진동수 오차율을 계산하는 것을 특징으로 하는 충격하중 실험과 고유치 해석을 이용한 한옥 접합부의 회전 강성 평가 방법.
    [수식 1]
    고유 진동수 오차율 = (충격하중 실험에 의한 고유 진동수 - 고유치 해석에 의한 고유 진동수) / 충격하중 실험에 의한 고유진동수 * 100(%)
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