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과제기본정보

자가복원력과 에너지소산 기능을 가진 저비용 강재프레임 내진보강시스템 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 22CTAP-C164102-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | 핵자료 기술 | None 적용분야 사회질서 및 안전
2순위 원자력 | 핵자료 기술 | None 실용화대상여부 실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 응용
과제명 자가복원력과 에너지소산 기능을 가진 저비용 강재프레임 내진보강시스템 개발
주관연구기관 성균관대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 김진구
소속 성균관대학교산학협력단 직위 교수
기관 대표번호 031-290-5546 FAX 031-290-7610
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 0 0 0 210,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ● 강재프레임에 마찰댐퍼와 스프링이 결합된 새로운 내진보강장치 개발
● 강성보강, 에너지소산, 자가복귀 성능이 복합된 고효율 내진보강시스템 개발
● 기존 구조물에 설치되는 케미컬 앵커의 개수를 1/5 이하로 줄여 기존 구조물의 손상을 방지하고 인건비/재료비 절감 및 공기단축 가능
● Type 1
- 지반에 고정되는 철골 가새골조에 직선형 마찰댐퍼와 디스크형 스프링이 결합
- 기존 구조물과 신설 가새골조 사이는 마찰댐퍼로 연결
- 기존 구조물과 가새골조 사이에 발생하는 상대변위에 비례하여 디스크형 스프링의 복원력 발생
● Type 2
- 기존 구조물에 접합되는 철골 프레임의 보기둥 접합부에 회전형 마찰댐퍼와 코일형 스프링이 결합
- 기존 구조물과 강재프레임은 보기둥 접합부에서 앵커볼트로 연결
- 기존 구조물의 변형에 비례하여 강재프레임의 회전형 마찰댐퍼가 작동하며, 코너에 설치된 회전형 스프링에 의하여 복원력 발생
최종목표 자가복원력과 에너지소산 기능을 가진 저비용 강재프레임 내진보강시스템 형상 및 실용화기술 개발

- 감쇠장치와 스프링이 설치된 강재골조 보강기법 개발
- 강도 조절이 가능한 마찰댐퍼 개발
- 복원력 발생을 위한 강재 디스크형 또는 회전형 스프링 개발
- 개발된 장치의 해석모델 개발 및 내진보강기법의 효율성 평가
- 지반-구조물 상호작용해석을 통한 내진보강에 대한 지반의 영향 검토
- 신속한 비선형해석을 위한 머신러닝기반 내진성능평가기법 개발
- 실물실험을 통한 내진보강 효과 검증
- 최적화 기법을 이용한 보강장치의 최적설계기법 개발
- 생애주기비용 산정을 통한 개발된 시스템의 경제성 평가
- 실무 적용을 위한 설치 상세 개발
연구내용 및 범위 연구내용(종합)
● 감쇠장치가 설치된 외부 설치형 강재 가새골조 개발
● 강도 조절이 가능한 마찰댐퍼 개발
● 복원력 발생을 위한 강재 디스크형, 회전형 스프링 개발
● 개발된 장치의 해석모델 개발 및 내진보강기법의 효율성 평가
● 지반-구조물 상호작용해석을 통한 내진보강에 대한 지반의 영향 검토
● 신속한 비선형해석을 위한 머신러닝기반 내진성능평가기법 개발
● 실물실험을 통한 내진보강 효과 검증
● 최적화 기법을 이용한 보강장치의 최적설계기법 개발
● 생애주기비용 산정을 통한 개발된 시스템의 경제성 평가
● 실무 적용을 위한 설치 상세 및 시공매뉴얼 개발
● 테스트베드를 통한 현장적용 타당성 분석

연구내용(1년차)
- 강재 가새골조 + 마찰댐퍼 + 복원 스프링 각 요소 형상개발
- 각 요소의 형상 및 연결상세 결정
- 직선형 마찰댐퍼 성능실험
- 회전형 마찰댐퍼 성능실험
- 직선형 디스크스프링 성능평가
- 코일형 스프링 성능평가
- 직선형 댐퍼+디스크스프링 성능평가
- 회전형 댐퍼+코일스프링 성능평가
- 최적화를 통한 마찰력과 복원력의 최적 조합 결정
- 기존 노후건물의 대상 선정 및 비선형 모델링
- 노후 학교건물, 노후 상가/주거건물 대표모델 선정
- 선정된 노후 건물의 비선형 정적/동적해석을 통한 내진성능평가
- 강재 가새골조 + 마찰댐퍼 + 복원 스프링 비선형 해석모델 개발
- 에너지소산과 복원력이 결합된 flag type 비선형 이력거동 모델링
- 노후 건물 내진성능의 머신러닝 학습 데이터 set 구축
- Pattern Recognition기법을 이용하여 심층신경망 구성을 위한 입력지반가속도 분류
- sensitivity analysis를 이용하여 내진성능평가를 위한 최적의 심층신경망모델 선정

연구내용(2년차)
- 해석모델 1 설계 및 내진성능평가
- 해석모델의 내진보강설계를 통한 Type 1 보강장치의 성능 검증
- RC 골조 설치 실험을 통한 내진성능평가
- 해석모델 2 설계 및 내진성능평가
- 해석모델의 내진보강설계를 통한 Type 2 보강장치의 성능 검증
- 기존 건물과의 접합상세 및 시공매뉴얼 개발
- 개발된 장치의 테스트베드를 통한 실무적용 타당성 검토
- 개발된 보강장치의 실험결과를 이용하여 상세한 비선형 해석모델 개발
- 상세모델을 적용한 내진보강 설계기법 개발
- 지반 증폭을 고려한 지진파 산정
- 지반의 비선형 스프링 모델링
- 지반을 고려한 보강시스템의 효과 검증 및 설계
- 골조+마찰댐퍼+복원 스프링 각 요소기술의 최적화
- 대상 건물의 동적 특성에 따른 보강시스템의 최적설계기법 개발
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 개발된 내진보강시스템 (Type 2)의 성능평가 및 실용화기술 개발 - 비내진 해석모델의 내진보강설계를 통한 Type 2 보강장치의 성능 검증
- 골조+마찰댐퍼+복원 스프링 각 Type 2 요소기술의 최적화
- Type 2 보강기법의 성능기반 내진보강 설계기법 개발
- 내진성능평가를 위한 심층신경망모델 개발 및 적용 (Type 2 시스템)
- 개발된 보강기법의 골조 실험을 통한 내진성능평가
연구성과 기술적 기대성과 ○ 노후 민간건물 내진율 향상
● 현재 국내 구조물의 내진설계 적용 비율은 매우 미흡한 상태이며 특히 건축물의 내진율이 매우 낮은 상태임. 하지만 내진율을 높이기 위한 정부의 투자는 주로 학교나 공공건물에 국한되어 있어, 민간건물의 내진율 향상은 요원한 상태임.
● 현행 건축물 내진보강 관련 기술의 수준은 단기간에 내진율을 크게 높이기에는 기술적 비용적 측면에서 매우 부족한 상태임. 본 연구를 통하여 개발 예정인 소형 저비용 내진보강장치를 적용하여 노후 민간건물에 대한 내진보강을 좀 더 용이하게 수행함으로써 전체 건물의 내진율을 개선함.

○ 내진보강기법의 다변화
● 기존의 국내 내진보강기법은 비교적 상태가 양호한 공공건물이나 학교 위주로 개발되어 왔으며, 노후되어 재료강도가 저감된 민간건물의 내진보강에 적용하기에는 크기나 비용, 성능면에서 적절하지 않음.
● 본 연구를 통하여 노후 구조물의 내진보강을 위한 새로운 형태의 감쇠장치를 개발함으로써, 국내 내진보강기술의 저변을 확대할 수 있음.

○ 수입 감쇠장치의 대체효과
● 최근 몇 년간 고속철도 교량의 내진보강을 위한 점성댐퍼의 수입액이 연간 2천억 이상 되는 것으로 알려져 있으며, 건물의 내진보강 분야에서도 점탄성댐퍼 등 보강 효과가 우수한 수입 제품들이 많이 적용되고 있음.
● 본 연구를 통하여 개발되는 고성능 감쇠장치는 기존 수입 보강장치들에 비하여 동일한 성능에 저비용 생산이 가능하므로 수입 대체효과가 기대됨.

○ 자연재해에 대한 대비
● 본 연구에서 개발 예정인 내진보강기법은 구조물 외부에 설치되며, 건물의 용도에 관계 없이 설치가 용이하므로, 지진뿐 아니라 다양한 전재지변에 의한 건물의 붕괴를 방지하기 위한 목적으로 효과적으로 적용 가능함.
● 기후 변화로 인하여 산사태나 홍수 등 자연재해에 대한 관심이 높아지고 있으며, 본 연구를 통하여 개발될 보강장치를 이용하여 자연재해가 우려되는 지역의 구조물 안전성을 향상할 수 있을 것으로 기대됨.
사회 경제적 파급효과 기술적 측면
- 고효율/저비용 내진보강기술 확보
- 머신러닝 기반 내진보강 설계기법 확보
- 새로운 자가복원형 감쇠장치 개발
- 지반 영향을 고려한 보강 설게기법 개발

경제 사회적 측면
- 최적화를 통한 보강 물량 및 비용의 절감
- 저비용/고효율화를 통한 경제성 확보
- 기술의 표준화를 통한 보강기술 보급
- 국내 건축물의 내진 안전성 향상

인력양성적 측면
-지반 지식을 가진 내진보강 전문가 양성
- 비선형해석 및 구조실험 전문가 양성
- 국제적 경쟁력을 가진 구조기술자 양성
-2년간 박사 2명, 석사 4명 배출

=> 국내 내진보강 엔지니어링 기술의 고도화
활용방안 ○ 노후 구조물의 저비용 고효율 내진보강
● 기존의 내진보강기법들은 콘크리트가 일정 강도 이상인 구조물의 내진보강에 적합하며, 강도가 저감된 노후 구조물에 적용할 경우 접합부의 조기 파괴로 인하여 목표 내진성능을 확보하기 어렵고, 건축주나 기술자들에게 충분한 신뢰감을 주지 못하는 것이 현실임.
● 본 연구를 통하여 개발될 내진보강장치는 강성증가, 감쇠력, 복원력 등 여러 보강 요소를 동시에 적용하여 노후 건물의 내진보강 효과를 극대화하고, 소요 비용을 최소화할 수 있음.
● 또한 대상 구조물 및 지진의 동적 특성에 따라 각 보강요소의 상대적 크기를 효율적으로 결정함으로써, 발생하는 지진의 크기에 관계없이 다단계 성능목표를 모두 만족하는 것이 중요한 반도체공장 등 정밀가공시설이나 주요건물의 비용 및 설치위치 측면에서 내진보강 효과를 극대화함.
● 개발된 보강기법은 골조실험 및 현장적용을 통하여 보강기법의 내진보강효과 및 시공성/경제성을 평가할 예정임.

○ 내진보강장치의 최적화
● 본 연구를 통하여 개발될 내진보강 시스템은 강성, 감쇠력, 복원력 등 다양한 보강요소가 유기적으로 결합되어 있으며, 최소의 비용으로 목표 성능수준을 확보하기 위해서는 각 보강 요소의 조합, 대상 구조물의 동적인 특성, 감쇠장치 설치가능 위치, 목표성능 등 다양한 설계변수를 고려한 합리적 설계가 필수적임.
● 이러한 다양한 변수를 동시에 고려하여 보강장치의 최적의 조합을 도출하고, 최적 설치 위치 및 설치물량을 산정하기 위해서는 체계적인 접근방법이 필요하며, 본 연구에서는 유전자알고리즘을 적용하여 주어진 성능목표를 만족하면서도 개발된 제품의 제작 및 설치비용을 최소화할 수 있는 최적화기술을 개발할 예정임
● 개발된 최적화기술은 내진보강설계 실무자가 쉽게 사용할 수 있도록 윈도우 환경에서 MIDAS GEN이나 SAP 2000, PERFORM 3D와 같은 범용 프로그램과 연동하여 구동 가능한 프로그램 개발.

○ 개발된 내진보강장치의 Test-Bed 적용
● 개발된 기술의 실용성 및 경제성을 검토하기 위하여 참여기업에서 담당하는 건설현장에 Test-Bed를 구축하고 개발된 내진보강기법을 적용함.
● Test-Bed를 통하여 개발된 보강기법의 다양한 시공기법 및 접합부 상세에 대한 시공성/경제성을 파악하고, 결과를 바탕으로 시공매뉴얼을 작성함.
● 노후 공동주택, 학교, 상업시설 내진보강 현장에 용도별 또는 적용 위치별로 최적 설계된 보강장치를 적용함으로써 개발된 보강시스템의 적용성을 파악하고, 접합부 상세 및 실무 적용을 위한 지첨을 마련함.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 내진보강 마찰댐퍼 자가복원 가새골조 최적설계
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