이 연구에서는 지진하중을 받는 빌딩구조물에 대한 복합구조제어시스템의 최적설계방법을 제시한다. 복합구조제어시스템의 설계는 구조물의 부재뿐만 아니라 수동제어시스템 및 능동제어시스템의 용량 및 위치 최적화 과정으로 정의된다. 최적설계는 이 연구에서 제안된 다단계 목표계획법(Multi-Stage Goal Programming)을 이용하여 최적화문제를 정식화하고 목표갱신 유전자알고리즘(Goal-Updating Genetic Algorithm을 적용하여 합리적인 최적화를 진행해가는 과정으로 구성된다. 다단계 목표계획법에서는 구조물의 층간 상대변위와 제어시스템의 용량에 대한 설계목표를 여러 단계로 선정하고, 각 물리량과 설계목표간의 정규화된 거리 합으로서 목적함수를 정의한다. 목표갱신 유전자알고리즘은 각 단계별 설계목표를 만족하는 최적해를 검색하고, 현 단계의 모든 설계목표를 만족하는 최적해가 존재할 경우 설계목표를 순차적으로 갱신함으로써 보다 상위수준의 설계목표로 접근해 나아간다. 지진하중을 받는 9층의 빌딩구조물에 대한 수치 예를 통하여 복합구조제어시스템의 통합최적설계 과정을 기술하였고, 구조부재, 수동 및 능동제어시스템이 균등분포된 구조물과 최적 설계결과를 비교하여 제시하는 방법의 효율성을 검증하였다.

Conventional analysis and design of steel structures are performed using the assumption of a either fully rigid or pinned. However, every steel connection lies in between fully rigid and pinned connection. So, It is important to consider the connection for steel structure design. In this paper Computer-based second-order elastic analysis is used to calculate one story two bay and two story three bay for steel structures with semi-rigid connection. Genetic Algorithms(GAs) and Sequential Unconstrained Minized Technique(SUMT) dynamic programming is used to the method for optimum design of steel structures. The efficiency and validity of the developed continuous and discrete optimum design algorithm was verified by applying the algorithm to optimum design examples.

형상 최적설계 중에 발생하는 절점의 과도한 이동은 요소망을 왜곡하고, 결국 최적해의 저하를 유발한다. 이러한 문제를 개선한 형상 최적설계 기법을 개발하였다. 이 방법은 구조물의 형상이 변해 갈 수 있는 충분한 공간의 설계 영역을 정하여, 균일하고 세밀한 요소망을 미리 생성한다. 각각의 최적화 단계마다 모든 요소들과 구조물의 위치 관계를 검사하여, 내부의 요소에는 실제의 물성치를 부여하고, 외부에 존재하는 요소는 0에 가까운 물성치를 부여한다. 변위와 고유 진동수의 제한조건을 가진 두 개의 예제를 통해 이 방법의 특징을 살펴보았다.

공학적 설계에 있어 많은 문제들은 몇 가지 목적함수들을 동시에 최소화하여야 할 필요가 있을 경우가 있다. 선박설계에 있어, 종래에는 자재비 경감과 재화중량 증가를 위해 최소중량설계가 구조 설계의 주된 목적이었으나, 값싼 노동력을 내세운 후발 조선국과의 치열한 국제 경쟁을 극복하기 위해서는 보다 경제성 있는 선박 건조 기술 개발이 선행되어야 할 것이다. 이에 따라 본 연구에서는 다목적함수 최적화기법을 이용한 선체 구조의 보다 합리적인 설계 방안에 대한 연구를 수행하여 실제 건조된 유조선을 대상으로 중량, 건조비 등의 경제성을 비교 평가하였다. 다목적 함수로는 유조선의 중량과 건조비로 하였으며 최적화 기법으로는 확률론적 탐색법인 ES(Evolution Strategies)를 이용하였다. 건조비 모델은 상대 건조비 개념을 도입하였고, 종강도 부재는 선급규정에 의해, 횡강도 및 횡격벽 부재는 직접해석법인 일반화된 경사처짐법을 사용하여 설계에 적용하였다. 다목적함수 최적화 결과로부터 도출된 Pareto 최적 설계점들에 대하여, 요구운임률을 각각 산정함으로써 이들 최적 설계점들 중에서 가장 경제성이 뛰어난 선박 설계 방안을 제시하였다.

복합구조제어시스템의 동시최적설계방법에 관하여 연구하였다. 여기에서는 수동제어장치 뿐만 아니라 능동제어장치의 배치와 용량, 제어기 등이 설계변수가 되며 설계인자들의 만족도를 나타내는 선호도함수를 정의하여 이를 이용하여 최적화문제를 정식화한다. 또한 수동 및 능동제어장치의 설계변수로부터 동시에 최적해를 찾아내기 의한 수치적 방법으로 유전자알고리즘을 사용하였다. 지진하중을 받는 다자유도 구조물의 설계에 및 수치모사를 통하여 제안한 방법의 타당성을 검증하고자 하였다.

건설공사의 설계와 시공에서 표준화된 이산형 강재단면을 이용하고 있으나, 대부분의 최적화기법에서는 표준강재단면을 사용하기 위해 별도의 이산화 과정을 가지게 되므로 설계결과의 최적성을 보장할 수 없다. 따라서, 본 논문에서는 제안된 알고리즘의 효율성을 높이기 위해 전체구조계와 구조요소계로 나누는 다단계 알고리즘을 적용하였다 수치해석 과정의 효율성과 최적해의 정확성을 예제를 통하여 비교검토하였다.

본 연구의 목적은 패널영역을 고려한 2차 탄소성힌지해석을 이용한 평면 강뼈대구조물의 이산화 최적설계알고리즘을 개발하는데 있다. 강뼈대구조물의 일반적인 해석은 구조물의 거동에서 패널영역 변형의 효과를 고려하지 않는다. 최적설계의 목적함수는 강뼈대구조물의 중량을 함수로 취하였으며, 제약조건식은 하중저항계수법(AISC-LRFD1994)시방규정을 근거로 하였다. 강뼈대구조물의 해석에서 현실적인 모델 사용의 중요성을 입증하기 위해 접합부 모델에서 패널영역을 고려하지 않은 수치해석과의 비교로부터 이 모델의 타당성이 판명되어진다. 개발된 알고리즘은 범용 프로그램인 SAP2000의 치적설계결과와 비교하여 본 연구에서 개발된 최적화 알고리즘의 타당성을 입증하였다. 이 연구의 결과는 일반적인 강뼈대구조물의 설계방법보다 패널영역의 거동을 고려한 최적설계 알고리즘이 더 경제적인 설계라는 것을 나타내었다.

본 연구에서는 부분적으로 정상상태 확률과정으로 모델링할 수 있는 가진입력에 대하여 확률적으로 정의된 구조물의 최대응답에 대한 구속조건을 만족시키면서 제어력을 최소화 할 수 있는 최적설계 방법을 제안한다. 최적화 과정에서 안정성의 확보를 위해 제어기를 전상태 피드백 LQR제어기의 형태로 한정하였으며 가중치 행렬을 설계변수로 하고 Riccati 행렬을 매개변수로 하여 목적함수와 구속조건 함수 및 그 기울기를 계산한다. 제안된 방법을 통해 설계된 전상태 피드백 LQR제어기는 목표 응답성능을 만족시킬 수 있었고 이에 필요한 최대 제어력을 확률적으로 정량화하여 제어금기의 제작에 유용한 자료가 될 수 있도록 하였다. 상태변수 추정을 위해 독립적으로 설계된 Kalman 필터와 최적화된 LQR 제어기가 결합된 LQG 제어기 및 그 차수를 축소시킨 제어기는 모두 큰 성능의 저하가 없었으며 따라서 제안된 설계방법을 이용하여 구조물의 최대응답에 관한 구속조건을 만족시키는 출력 피드백 제어기 설계가 충분히 가능함을 확인하였다.

자동차 경량화를 지향하는 초경량차체 기술 중에서 합체박판기술을 이용한 수 있는 일련의 최적설계 기법을 제안하고 기존의 자동차 도어 내판에 적용하여 경량화를 수행하였다. 먼저, 내판에 부착되는 보강재를 제거한 후 취약해진 강성을 보강하기 위한 파트 선정을 위해 위상 최적설계를 수행하여 대략적인 파트 분포를 결정하였다. 그 다음 상세설계 단계로서 각 파트의 두께는 치수 최적설계를 이용하여 정하고, 형상 최적설계로 최종 용접선을 결정하였다. 이러한 일련의 최적화를 위해 상용 소프트웨어인 GENESIS가 사용되었다.

Generally, truss design has been determined by the designer's experience and intuition. But if we perform the most economical structural design we must consider not only cross-sections of members but also configurations(howe, warren and pratt types etc.) of single truss as the number of panel and truss height. The purpose of this study is to develope automated optimum design techniques for steel truss structures considering cross-sections of members and shape of trusses simultaneously. As the results, it could be possible to find easily the optimum solutions subject to design conditions at the preliminary structural design stage of the steel truss structures. In this study, the objective function is expressed as the whole member weight of trusses, and the applied constraints are as stresses, slenderness ratio, local buckling, deflection, member cross-sectional dimensions and truss height etc. The automated optimum design algorithm of this study is divided into three-level procedures. The first level on member cross-sectional optimization is performed by the sequential unconstrained minimization technique(SUMT) using dynamic programming method. And the second level about truss height optimization is applied for obtaining the optimum truss height by three-equal interval search method. The last level of optimization is applied for obtaining the optimum panel number of truss by integer programming method. The algorithm of multi-level optimization programming technique proposed in this study is more helpful for the economical design of plane trusses as well as space trusses.

확률론적 구조설계 최적화는 구조물의 역학적 특성이나 하중의 불확실성이나 임의성과 같은 변동성을 정량적이고 합리적으로 고려할 수 있다는 점에서 기존의 전통적인 확정론적 최적화와 비교된다. 확률론적 최적화의 방법론으로는 개선된 일계이차모멘트법을 이용하는 신뢰도지수에 기반한 접근법(MPFP search)이 널리 알려져 있으며, 최근 목표성능치에 기반한 접근법(MPTP search)이 새롭게 제안되었다. 본 논문에서는 이들 두 가지 접근법에 대한 정식화를 수행하고, 특히 탐색과정에서 소모적인 반복계산을 발견하고 제거하는 알고리즘을 제시하였다. 예제에서 두 접근법에 의한 확률론적 최적화를 수행하고 구조설계 최적화의 관점에서 두 접근법의 장단점을 비교검토하였다.

평면 아치 구조물에 대해 선형 탄성 변분방정식에 기반을 둔 설계민감도 해석을 위한 일반적 이론을 개발하였다. 아치 구조물내의 임의 마디에 정의된 응력범함수를 고려하였고 이에 대한 설계민감도 공식을 유도하기 위해 전미분(material derivative) 개념과 보조(adjoint) 변수 방법을 도입하였다. 얻어진 민감도 공식은 구조해석 결과를 얻고 나면 이들로부터 단순 대수연산을 통해 계산이 되므로 적용이 간편할 뿐 아니라 해의 정확도가 높은 잇점이 있다. 본 방법은 아치의 형상을 매개변수를 통해 표현하므로 얕은 아치에 국한하지 않고 어떠한 형상도 고려가 가능하며, 나아가서 아치의 형상변화를 형상에 대해 수직뿐 아니라 접선방향도 포함하여 일반적으로 고려하므로 다양한 형상설계가 가능하다. 몇 가지 예제에서 민감도 계산을 수행함으로써 본 방법의 정확도와 효율성을 입증하였으며, 두 가지의 설계최적화 문제를 대상으로 실제로 두께 및 형상최적설계를 수행하였다.

본 연구에서는 트러스 구조물의 이산최적설계를 위해 유전알고리즘(GA)을 적용하였다. 확률론적인 절차를 통해 설계에 필요한 초기 집단을 생성시킨 후, 설계를 개선시키기 위해서 자연선택 및 적자생존의 원리를 적용하였다. 다하중조건 하에서 트러스 구조물의 중량 최소화를 위해 응력 및 변위 제약을 고려하였다. 먼저, 이미 잘 알려진 트러스 구조물에 대해서 GA를 이용하여 얻은 최적해와 기존 문헌들에서 제시하고 있는 값들을 비교함으로써 GA의 신뢰성 및 적용성을 검증하였고, 이러한 신뢰성 검증을 바탕으로 사용성 있는 트러스 구조물의 이산최적설계를 위해 현재 생산중인 강재제원표로부터 부재가 선택되도록 하였다. 강재의 단면으로는 L형강을 사용하였으며, L형강의 강종은 9개의 강종들 (SS 400, SWS 400, SMA 41, SWS 490Y, SWS 520, SMA 50, SWS 570, SMA 58) 중에서 설계자에 의해 자유롭게 선택되도록 하였다.

고유진동수와 감쇠비는 지진이나 바람과 같은 동적 횡하중에 대해 구조물의 응답을 결정하는 주요한 특성이다. 본 연구는 지진하중에 대하여 목표응답 수준을 만족하는 구조물의 고유진동수와 감쇠비를 지정하고, 이 값을 실현하는 점탄성 감쇠기 파라미터의 처적분포를 구하는 설계방법을 제안한다. 여기서 지정할 고유진동수와 감쇠비는 목표응답 수준을 만족하는 여러 조합 중 설계조건과 원래 건물의 특성에 따라 결정될 수 있다. 제안한 설계방법은 점탄성 감쇠기의 감성 파라미터를 고유값의 기울기 정보를 바탕으로 분포시키므로 최적 위치와 크기에 대한 정보를 동시에 제공한다. 예제로서 평면 10층 전단 건물을 대상으로 최적설계를 수행하여 지정된 고유값을 실현하는 파라미터의 최적분포를 구하고 이를 통해 제안한 최적 설계의 특성을 확인하였다. 또한 더 나아가 3차원 일방향 비대칭 전단전물에 제안된 최적설계를 수행하여 그에 대한 적용가능성을 확인하였다.

유전자 알고리즘(GA)은 어떠한 유형의 문제에도 적용가능하며 달리 방법이 없는 경우 최후의 수단으로 흔히 사용되는 방법이다. 강구조물 설계란 기본적으로 구조물을 이루는 부재로서 어떤 재료를 선택될 것인지를 결정하는 문제이다. 따라서 천문학적인 숫자의 설계가 존재하며 이들 중 최적의 설계를 탐색하는 것은 대체로 불가능한 일이다. 본 논문에서는 GA와 이와 관련된 여러 가지 기법들을 소개하고 강구조물 최적설계에 이들의 활용을 모색하였다. 작은 설계공간을 가지는 문제에서는 GA로 전역최적설계를 찾을 수 있었다. GA는 또한 연속변수 최적설계 문제에서도 최적설계를 찾았으며 구조물 최적설계에 적용될 수 있음을 보였다. 그러나 규모가 큰 현실문제에서는 GA가 최적 또는 최적에 근접한 설계를 항상 찾을 수 있을 것이라고 기대하기는 어려울 것으로 생각된다. GA에 G bit improvement를 추가하여 수행한 경우에 더 좋은 최적설계 결과를 보여주었으며 앞으로 이 부분의 연구가 활발해 질 것이다.

계류돌핀의 강관말뚝식 하부구조에 대한 실용적 설계최적화 과정을 제시하고, 수치 예를 통하여 유용성을 평가하였다. 유한차원 최적설계 문제의 정식화에서, 말뚝들을 몇 개의 그룹으로 구분하여 이들의 기하학적 위상과 단면의 치수를 설계변수로 활용하였다. 설계목적함수는 말뚝의 총 중량이며, 설계제약조건은 응력과 근입 깊이, 설계변수의 상한과 하한 등이다. 설계변수의 연계와 고정을 통해 몇 가지의 실용적 설계 대안을 검토하였다. 최적화 프로그램으로는, 순차2차계획법(SQP)을 사용하고 또 쉽게 얻을 수 있는 PLBA 및 IMSL 라이브러리의 DNCONF서브루틴을 이용하였다. 수치예제의 돌핀은 20개의 강관말뚝으로 하부구조를 형성하며, 이중 4개는 연직말뚝이고 16개는 경사말뚝이다. 다양한 대안 설계에서 성공적으로 최적해를 얻었으며, 실용적인 최적 설계과정 임을 확인할 수 있었다.