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과제기본정보

방폭구조물의 일반화를 위한 지능형 폭발해석 및 성능평가 기술 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C164142-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 None | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 기초
과제명 방폭구조물의 일반화를 위한 지능형 폭발해석 및 성능평가 기술 개발
주관연구기관 한양대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 박대효
소속 한양대학교산학협력단 직위 정교수
전화번호 02-2220-0114 FAX 02-2220-0548
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 0 0 0 160,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 - 본 연구는 방폭구조의 일반화를 위해서 설계와 평가하는 효율을 높이고 비용을 줄이기 위한 지능형 폭발해석과 성능평가 기술을 개발하려고 한다.

- 이 기술은 AI 머신러닝 방법을 이용하여 여러 조건만 입력하면 신속한 폭발하중을 재공하거나 하중 조건을 입력하면 기존 구조물의 손상결과가 주어지며 방폭성능을 평가할 수 있다.

- 머신러닝 기술을 이용하려면 수많은 입력 데이터가 필요하다. 이런 데이터들은 실험, 모니터링, 타 연구자들의 결과 등을 통해 얻으려면 많은 시간을 투자하더라도 데이터 수량이 부족하고 종류가 한정적인 가능성이 매우 높다.

- 그래서 본 연구에서는 이런 데이터 수집과 동시에 정확도 높은 수치해석 기술을 기반으로 클러스터 시스템에서의 데이터베이스 구축과 데이터 마이닝 및 필터링 기술을 구현시킨다. 이 데이터베이스는 컴퓨터 환경에서 필요한 시나리오 생성 및 재현을 하고 이 데이터를 기반으로 자가 학습 알고리즘 개발을 통해 최종 프로그램을 개발한다.
최종목표 - 본 연구에서는 방폭구조물의 일반화를 위한 인공지능 기술을 도입한 지능형 폭발해석과 성능평가 기술 개발을 최종목표로 한다. 목표달성을 위해서 폭발의 크기, 거리 등 요소를 고려한 구조물이 받는 폭발하중 산정이 필요하고 이 하중에 인한 구조물의 거동을 정확하게 도출하여 방폭성능에 대한 적절한 평가가 이루어져야 한다. 이 기술은 AI 머신러닝 방법을 이용하여 여러 조건만 입력하면 신속한 폭발하중을 재공하거나 하중 조건을 입력하면 기존 구조물의 손상결과가 주어지며 방폭성능을 평가할 수 있다.
연구내용 및 범위 ○ 연구개발의 내용

- 테러 등 위험이 군사 관련 시설물이 아닌 경제 중심지나 인구 밀집지역의 상업건물들에서 발생하고 있는 추세이며 이 상황을 대응하여 중점 시설물에서만 건설을 했던 방폭구조물의 일반화가 필요하다. 하지만 방폭구조물은 설계가 복잡하고 건설기술도 일반 구조물보다 복잡하여 비용이 많이 드는 현실을 직시하여 효율적인 방폭구조물의 일반화 기술이 필요하다.

- 본 연구에서는 방폭구조물의 설계과정의 단순화에 도움이 될 수 있는 지능형 폭발해석 및 구조물 성능평가 기술이 개발된다. 여기에서는 다음과 같은 2가지 핵심기술이 개발된다.

● 기술1: 지능형 폭발하중 산정 기술
폭파하중은 상당히 큰 하나의 충격파로 이루어진 압력(Pressure) 하중으로 수천분의 1초에서 기껏해야 수 초동안의 아주 짧은 시간에 걸쳐 구조물에 직접적으로 작용하여 변형율 속도효과 (Strain Rate Effect)에 의해서 구조물은 공칭강도보다 훨씬 더 큰 하중에서 파괴에 이르게 된다. 또한 일반 폭발은 고온도 동반함으로 이로 인한 재료의 성질도 달라진다. 폭발설계를 위해서는 폭발에 인한 구조물이 받는 압력을 정하고 이 압력으로 인한 구조물의 손상 및 파편해석이 이루어져야 한다. 이 기술에서는 입자기반의 SPH 방법으로 폭발하중을 모델링하고 반복해석을 통한 데이터베이스 플랫폼 개발과 함께 시나리오의 생성 및 재현을 하고 이를 자가 학습하여 구조물이 받는 폭발하중을 산정한다.

● 기술2: 지능형 방폭성능 평가 기술
연구자들이 발표해온 결과를 수집하는 동시에 기술1에서 산정된 폭발하중을 상용프로그램에 입력하여 해석걸과도 같이 데이터메이스로 사용한다. 이 데이터들을 이용한 머신러닝 기술을 통하여 구조물의 거동 및 손상을 얻는 알고리즘이 개발된다.

○ 연구개발 대상

- 폭발설계의 일반적 절차는 다음 그림과 같다. 여기서 발주처는 설계업무 범위를 결정하고 가상 시나리오 가정과 위험도 분석을 수행하며 건물설정 기준을 결정하여야 한다. 그리고 설계엔지니어는 폭발하중을 결정하고 구조시스템, 재료 등을 선택하며 구조해석 등을 실행한다.

- 본 연구에서는 설계엔지니어의 직책에서 폭발하중 결정과 구조의 해석에 관심을 둔다. 본 연구를 통해 폭발의 위치와 위력이 주어지면 건물이 받는 하중의 크기가 결정되고 이로 인한 구조물의 변형, 크랙, 파편 등을 해석할 수 있다. 연구기간의 제한과 연구책임자의 영략을 고려하여 구조의 재료는 콘크리트에 국한한다.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 지능형 인공지능 기술을 이용한 폭발하중 산정 기술 개발 SPH 방법으로 폭발하중을 모델링하는 기술을 개발하고 폭발의 위치, 위력 등을 고려한 각종 상황을 컴퓨터 환경에서의 반복계산 방식으로 데이터메이스를 구축한다. 그리고 이 데이터들로 머신러닝을 진행하여 구조물이 받는 폭발하중을 효율적으로 얻을 수 있다.
연구성과 기술적 기대성과 본 연구에서 개발된 폭발하중을 받는 구조물 해석 기술은 인공지능 개념을 도입하여 현재 해외 우수 상용프로그램 개발 회사에서 공격적으로 시도하는 분야 중 하나로 국내에서도 원천기술화가 꼭 필요한 기술이다.
사회 경제적 파급효과 - 최근 급진적으로 이슈화가 되고 있는 4차 산업 혁명시대에 기술발전 속도가 상대적으로 느린 건설 분야가 나아가야 할 방향에 대한 시도로서 본 연구는 건설업의 발전을 추진하기에 가치가 있다.

- 본 연구의 결과물은 방폭구조물의 설계와 평가 단계에서의 어려움을 줄이고 따라서 해당 단계에서의 시간이 감소되면서 방폭구조물의 비용을 줄여 이를 일반화 할 수 있도록 추진한다.

- 방폭구조물 외에도 해당 성과를 더욱 개선하고 조절하면 극한하중을 받는 타 기반구조물의 설계와 평가에도 사용될 수 있다.

- 사회기반시설물들에 발생되어지는 인적재난 문제에 대해 미리 대비할 수 있는 방법 중 하나로서 방폭구조물이 일반화 되면 인적재난으로 인한 인명피해를 줄여 국민들의 안전을 보호할 수 있을 것이다.

- 또한, 폭발사고 발생 시 상황을 미리 예측하여 관련 대피 및 대응방안을 세우는데 중요한 참고가 될 수 있다.
활용방안 ○ 현장적용 방안
- 본 기술개발을 통하여 개발되는 지능형 설계 평가 시스템은 군사적 건물의 방폭구조물뿐만 아닌 폭발사고로부터 보호가 필요한 사회기반시설이나 인구밀접도가 높은 상용, 주거 구조물을 테스트베드로 적용할 수 있다.

○ 실용화·제품화 방안
- 본 연구개발 결과물로 지능화 설계 평가 시스템을 신기술 지정신청, 특허기술 출원？등록을 실시하고, 차후 기업에 대한 기술이전을 통해 실용화 및 제품화를 추진할 계획이다.

○ 미래 원천기술 확보방안
- 현재 해외 우수 상용프로그램 개발 회사에서 시도하고 있는 기술로서 본 연구를 통하여 국내 연구성과로 등록하여 원천기술을 확보하여 혁신적인 기술기반으로 확보코자 함.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 방폭 구조물 일반화 지능형 기술 폭발 해석 성능 평가
영문 Blast-resistant structures Generalization Intelligent technology Blast analysis Performance evaluation
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