An optimization method has been developed to find the minimum weight design of the steel building structures which consist of the commercially available discrete section sizes. In this study, the emphasis was particularly placed on the practical applicability of the developed algorithm in the design practice of steel building structures which characterized by a simple objective function(weight of total structure) and a large number of design variables(sections) in the optimal design problem.
In this study, the constraints imposed are decomposed into two levels(categories), namely, element level constraints and structural level constraints, and applied at the different stages of optimization process. The structure is optimized through element optimization under the element level constraints first and then, if there is any violation of the structural level constraints, it is adequately compensated by the constraint error correction vector obtained through the sensitivity analysis of the gradient projection method. On the other hand, in the discrete optimum design, occasionally, the solutions go back and forth repeatedly between the feasible and the infeasible regions during the series of redesigns of members with discrete sections. This oscillation phenomenon may be caused inherently by the discontinuity of variables of commercially available sections in the database. In this study, in depth investigation into the oscillation phenomena in the discrete optimization process and its control has been conducted. Additionally, there is a unique characteristic in the construction of the database. For one example, by dividing the available H-sections into several groups based on their section characteristics, much improved relationships between section variables were obtained and used efficiently in searching the optimum section in the section table. Besides this section, some sections and materials vigorously used in design practice, e.g., L-sections (angle), U-sections(channel), Honey-Comb sections, and composite sections, etc., were constructed as the database.
Above developed algorithm and database, which the effectiveness and usefulness were proved by the numerical examples, were applied in BUILDS-S. BUILDS-S is one of subsystems of BULDS(an integrated BUILding Design System) which is developed to meet the needs for the computer aids in structural engineering practice.
본 연구는 설계변수가 불연속 영역에서 정의되어 있고 설계변수의 수가 많다는 점등의 특성때문에, 기존의 최적설계 기법들을 직접적으로 적용하여 실용화 하기에 어느정도의 한계가 있는 철골구조 건물의 최적설계 기법 개발에 관한 연구이다.
개발된 알고리즘에서는 설계제한조건들을 2 영역(부재에 대한 제한조건(element level constraints), 전체 구조물에 대한 제한조건(structural level constraints)으로 나눈 후에 2 단계의 설계절차를 밟아 전체적인 최적화 과정을 수행함으로써 상용화 혹은 규격화된 단면으로 구성된 대형구조물의 설계에 있어 최적화기법의 실용화를 증진시킬 수 있었다. 즉, 첫번째 단계로 부재에 대한 제한조건들 만을 고려하여 최적화 과정을 우선적으로 수행하고 두번째 단계는 전체 구조물에 대한 제한조건들을 검토, 보정하는 단계이다. 이 단계에서는 민감도해석(sensitivity analysis) 과정을 이용하여 위배된 제한조건을 최소한의 보정을 통하여 만족시킴으로써 전체 최적화 과정을 마친다. 한편 본 연구에서는 불연속 설계변수 영역에서의 최적화 과정에서 발생하는 해(solution)의 흔들림 현상을 규명하였으며 이의 제어방법도 고찰하였다. 또한, 여러가지의 형강 및 부재단면들(H, L, U 형단면, 하니컴보와 합성보단면등)의 데이터베이스 구축에 있어서 본 연구는 이들 단면의 특성치를 부재설계 과정에서 효율적으로 이용 할 수 있는 관계식들을 동시에 도출해 내었으며 특히 데이터베이스 내의 부재단면들의 특성을 분석하여 분류함으로써 그 효율성을 제고하였다.
위에서 논한 내용들은 수치예제들을 통하여 그 효율성을 입증할 수 있었으며 일관된 건물구조의 설계시스템인 BUILDS(an integrated BUILding Design System)의 서브시스템인 BUILDS-S에 도입되었다.
