11 단면설계 최적화

최적화 개요

단면설계 최적화는 최소한의 물량으로 지정한 설계기준을 만족시키는 단면설계안을 도출하는 것을 목적으로 합니다.

최초 가정된 단면으로 설계검토를 수행한 후, Utilisation (= 발생 단면력 / 설계강도)가 지정한 설계 기준을 초과하면 더 강한 부재로 교체하고, 지정한 설계기준을 만족하면 경량의 부재로 교체하는 형태의 시행착오를 반복함으로써 최적의 단면설계안을 도출합니다.

모델 전체에서 단면 속성을 변경할 수 있는 최적화 대상 단면 속성 그룹 (Geometric Attributes)의 개수는 필요에 따라 조절할 수 있는데, 예를 들어 하나의 단면 데이터셋을 여러 부재에 적용하여 최적화 부재 종류를 줄일 수 있습니다. 자세한 내용은 Appendix B. 최적화 부재 종류 축소를 참고합니다.

최적화 단면 종류 지정

KEPCO> Optimisation Pool

최적화 과정에서, 단면의 종류를 바꾸어 가면서 설계검토를 수행할 때, 선택할 수 있는 단면의 종류를 지정합니다. 왼쪽 목록은 현재 LUSAS에 저장되어 있는 단면형상 정보의 목록이며, 이 중에서 단면최적화 과정에서 단면교체에 사용하고자 하는 단면들을 오른쪽으로 옮겨서 지정합니다.

이 과정은 모델링 생성과정에서 ‘Pylon Definition>Geometric’ 탭에서 지정한 단면정보들을 사용하여 자동으로 생성되므로, 사용자가 별도로 수정할 필요는 없습니다. (최적화에 사용할 단면의 종류를 변경하고자 할 때만 필요)

모델링 과정에서 자동으로 생성된 Cross section pool은 Treeview 중 ‘Utility’탭에서 확인할 수 있습니다.

이렇게 생성된 Cross section pool은 각 부재 별 기하특성 대화창에서 사용됩니다.

아래 그림은 FL1_MAIN POST, 즉 최하단 절간의 주주재에 적용된 기하특성으로 사용되고 있는 L200x20 단면의 정보이며, 최적화 과정에서 선택할 수 있는 단면의 종류를 ‘Kepco Section L라는 제목으로 정의된 Cross section pool로 지정한 것입니다.

최적화 정책 지정

KEPCO> Section Optimisation

최적화를 수행할 대상 부재의 목록과 기준들을 지정합니다.

앞서 하중조합을 생성하는 단계에서 최적화 정책 기본값을 자동으로 생성하므로, 조건을 변경하지 않는 경우 별도로 지정할 필요가 없습니다. 모델에 저장되어 있는 최적화 정책 기본값은 아래와 그림과 같이 확인할 수 있습니다.

Attribute 탭

좌측 Available 목록은 현재 구조해석 모델에서 정의되어 있는 단면형상 (기하특성)의 목록이며, 우측 Included 목록은 최적화 과정에서 단면 변경을 시도할 대상이 됩니다.

예를 들어, 첫 번째, FL1_MAIN_POST는 철탑 모델 중 가장 아래쪽 절간의 주주재에 적용되어 있는 단면을 의미하며, 아래 그림과 같이 단면형상 및 제원과, 모델 내에서 이 단면이 적용된 대상 부재의 위치를 확인할 수 있습니다.

이 때, 정의된 기하특성을 보면, 아래에 표시한 바와 같이, ‘최적화’에 의해 단면변화 대상으로 설정된 것을 알 수 있고, 단면 변화의 범위는 ‘Kepco Section L’로 정의된 단면 목록을 따르도록 되어 있습니다.

Constraints 탭

최적화를 수행할 설계검토 항목들에 대한 기준을 설정하는 것으로, 각 항목별 검토 내용은 아래 표와 같습니다.

검토항목 명	내용	검토항목 명	내용
UtilSL	세장비 검토	Util(Mx)	비틀림 모멘트 검토
Util(Fx_t)	인장력에 대한 검토	Util(My)	2축에 대한 휨모멘트 검토
Util(Fx_c,b)	압축력에 대한 검토	Util(Mz)	3축에 대한 휨모멘트 검토
Util(Fy)	2축방향 전단력 검토	UtilPM	축력과 모멘트 상관관계에 대한 검토
Util(Fz)	3축방향 전단력 검토

모델에 저장되어 있는 기본값은 아래 그림과 같습니다.

Loadcases 탭

최적화를 위해 검토해야 할 하중케이스 종류를 지정합니다.

기본값으로 설계하중조합 목록 전체를 대상으로 지정되어 있으며, 각 하중조합별로 검토한 결과 중 Utilisation 최대값으로 설계기준 만족 여부를 판단하고, 단면 변경을 시도하게 됩니다.

최적화 수행

KEPCO> Run Optimisation

최적화 조건을 선택하면, 선택된 조건으로 최적화를 수행합니다.

최적화 조건에서 선택한 각 하중조합별 해석결과로부터 발생 단면력을 추출하고, 현재 가정된 단면형상으로부터 설계강도를 계산하여 각 부재별로 Utilisation을 계산합니다. 가장 큰 값의 Utilisation이 도출된 하중조합(또는 하중케이스)의 결과와 최적화 조건에서 지정한 Utilisation 기준값과 비교하여, 필요한 경우 단면의 종류를 변경시킵니다.

단면의 종류가 변경되면, 이에 따라 각 부재에 적용되는 풍압력의 크기가 달라지고, 부재의 강성이 달라지므로, 변경된 조건에 따라 해석을 다시 수행해야 하며, 이러한 과정을 반복함으로써 최소한의 물량으로 설계기준을 만족하는 철탑 단면 설계를 시도합니다.

최적화 수행이 완료되면 아래 그림과 같이 최적화 결과를 확인합니다.

각 시행착오(Iteration) 별로 시도한 단면의 종류와 결과, 총 질량 변화 등을 확인할 수 있습니다.

구조해석 모델에 정의되어 있는 기하특성은 최적화 결과에 따른 단면형상으로 변경되어 있으며, 최초 단면과 최적화 후의 단면 변화는 각 기하특성값에서도 확인할 수 있는데, ‘Initial’ 탭이 최초의 단면에 대한 것이며, ‘Optimised’ 탭이 최적화를 수행한 후 변경된 단면에 대한 정보입니다.