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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.5 pp.17-24
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.5.017

Optimal Design and Performance Verification of Steel Damper Using Global Optimization Technique

Young-Wook Cha1, Chang-Hyun Baek1, Jong-Wan Hu2
1Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Incheon University, Incheon, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Incheon University, Incheon, Korea

ㆍ 본 논문에 대한 토의를 2021년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2021년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hu, Jongwan Department of Civil Engineering, Incheon University, 119, Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea. Tel: +82-32-835-8463, Fax: +82-32-835-0775 E-mail: jongp24@inu.ac.kr
July 13, 2021 August 31, 2021 September 6, 2021

Abstract


Studies on the shape of various steel dampers are currently being conducted globally. The steel damper is a vibration-damping device that protects a structure by absorbing and dissipating seismic energy via yielding. Recent steel dampers operated by in-plane shear deformation have a drawback; most of the materials used in steel dampers do not work to their full capacity due to the concentration of stress in a specific area. Therefore, to overcome this limitation, the optimal shape of the damper used in this study was designed by applying the cuckoo search, which is a global optimization technique. The performance of the optimized shape was verified using numerical analysis and actual experiments. The damper showed stable hysteresis behavior and high-energy dissipation capacity, thereby suggesting its application to various types of engineering problem solutions.



전역 최적화 기법을 활용한 강재 댐퍼의 최적 설계 및 성능 검증

차 영욱1, 백 창현1, 허 종완2
1인천대학교 건설환경공학과 박사수료
2인천대학교 건설환경공학과 교수

초록


현재 국내외적으로 다양한 강재 댐퍼의 형상에 대한 연구가 이뤄지고 있다. 강재 댐퍼는 제진장치 중 하나로 항복을 통해 지진에너지를 흡수 및 소산하여 본 구조물을 보호한다. 최근 적용되고 있는 면내 전단 변형에 의해 작동하는 댐퍼는 응력 이 특정 부위에 집중되어 재료의 대부분이 본래의 역량을 발휘하지 못하는 한계가 있었다. 따라서, 본 연구에서는 이 한계를 극 복하고자 전역 최적화 기법 중 하나인 뻐꾸기 탐색을 적용해 최적 형상을 설계하였다. 탐색된 최적 형상을 토대로 수치해석과 실제 실험을 통한 성능검증을 수행했다. 최적 형상으로 설계된 댐퍼는 안정적인 이력거동을 보이고, 높은 에너지 소산능력을 확 보하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 전역 최적화 기법을 적용한 최적 설계 방법을 제시하고 그 결과를 검증함으로써, 다양 한 형태의 공학적 문제 해결에 대한 적용 가능성을 제시하였다.



    1. 서 론

    강재 댐퍼는 지진과 같은 재해로부터 본 구조물의 손상을 막고자 설치되는 제진장치의 한 종류이다. 내진성능을 확보하는 방법 중 하나인 제진시스템은 구조물 내에 장치를 설치하여 지진 하중을 제어하는 방법이다(Kim et al., 2017;Cho and Hu, 2020;Hu, 2014;Hu et al., 2018). 이때 사용되는 제진장치 중 강재 댐퍼는 1970년대부터 연구되었는데, 댐퍼의 항 복을 통해 하중을 흡수하고 에너지를 소산한다.

    강재 댐퍼는 재료적 성질, 구조 엔지니어에게 친숙한 역학적 특성, 경제성, 보수의 용이성 등의 장점으로 가장 널리 연구되고 있다(Chan and Albermani, 2008;Lee and Park, 2020;Oh et al., 2019;Yhim, 2015).

    강재 댐퍼는 항복 메커니즘에 의해 분류할 수 있 다. 초기에는 면외 변형 메커니즘을 적용하였고, 최근 에는 연구를 거듭하여 더 효율적인 설계를 위해 강축 인 면내 전단변형에 의해 작동하는 댐퍼들이 주로 연 구되었다(Farzampour, 2019;Farzampour and Earherton, 2019;Farzampour et al., 2019). 그러나 전단 항복에 의 해 작동하는 기존 강재 댐퍼들은 응력이 특정부위에 집중되어 대부분의 재료가 모든 역량을 발휘하지 못 하는 한계가 있었다(Lee et al., 2015;Lee et al., 2015). 이러한 한계점을 극복하기 위해서 강재댐퍼의 기하학적 최적화를 위한 연구들이 수행되었다. 대부 분 재료의 최대 응력활용과 강재댐퍼의 부피 감소를 목적으로 연구를 수행하였다(Deng et al., 2014). 강재 댐퍼 형상의 최적화 개념은 형상 최적화 후에 응력 분포가 댐퍼 전체에 균일하게 분포하는 것을 기준으 로 하였다. 이전에 수행된 연구들은 수학적으로 접 근하여 댐퍼의 매개변수를 산정하는 방식으로 최적화 를 이루었다(Hu et al., 2021). 그러나 이러한 접근은 기하형상의 수학적 계산이 상당히 복잡하고, 전문적이 어서 실제적인 기술 적용이 힘들었다. 또한, 변화하 는 설치조건과 환경에 대해서 매개변수를 설정하고 적절한 형상함수를 찾는 수학적 계산을 재수행해야 한다는 문제점이 있었다. 따라서, 본 논문에서는 이 러한 한계를 극복하고 좀 더 실용적인 강재 댐퍼의 설계 방법을 개발하기 위해 최적화 문제해결 방법 중 하나인 뻐꾸기 탐색(Cuckoo Search: CS)을 활용하 였다. 최적화 문제해결의 목적함수는 선행연구들에 서 평가 기준으로 삼았던 소산능력의 최대화와 균등 한 응력의 분포 등 고려하여 설정하였다(Cha and Hu, 2021).

    이와 함께, 최적형상 설계과정을 자동화하기 위 해서 Python 명령문과 ABAQUS를 접목하였다. 댐퍼 의 성능검증은 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 수치적 연구, 실제 시편을 제작하여 실험을 통 해 검증하였다.

    2. 연구 방법

    2.1 최적형상 설계 개요

    본 연구에서 강재 댐퍼의 최적 형상을 설계하기 위 한 방법으로 전역 최적화 기법 중 하나인 뻐꾸기 탐 색법(Cuckoo Search, 이하 CS)을 적용하였다. 이러한 종류의 알고리즘들은 전역 최적해를 구하기 위해 생 물들의 진화를 모방한 것으로 1980년대 여러 진화 알고리즘의 개발을 거쳐 메타휴리스틱이라는 분야로 불리게 되었다. 1990년대부터 2000년대에 이르기까 지 개미, 꿀벌, 반딧불이, 원숭이 등 다양한 생물의 진화방식과 생활습성을 반영한 메타휴리스틱 방법들 이 개발되었다. 이 중 본 연구에서 적용한 알고리즘 인 CS는 2009년 Yang과 Deb에 의해서 개발되었다. 이름에서 알 수 있듯이 다른 새의 둥지에 몰래 알을 낳아 번식하는 뻐꾸기의 독특한 습성을 착안한 알 고리즘이다. 이 기법은 다른 방법들보다 매개 변수 가 적어 공학적 활용성이 높아 사용 시 매개변수 조 정으로 어려움을 덜 겪을 수 있다는 장점이 있어 채 택하였다(Lee, 2014). CS는 기본적으로 3가지의 규칙 이 있다. 1) 뻐꾸기는 한 번에 한 개의 알을 무작위 선택된 둥지에 낳는다. 2) 주인새에게 발견되지 않은 알이 포함된 둥지는 다음 세대로 넘어간다. 3) 둥지 의 수는 고정되고, 주인 새는 일정한 확률로 뻐꾸기 의 알을 발견한다. CS의 Pseudo Code는 Fig. 1과 같 다. CS에서 새로운 해는 식 (1)에 의해 만들어진다 (Yoon, 2011).

    x i + 1 = x i + s B t
    (1)

    여기서, Bt는 표준정규 확률변수 또는 Levy 확률 변수(x-α, 1 <α≤3) 이고, s는 L을 각 차원의 범위 라고 볼 때, 보통 0.01L과 0.001L 사이의 값으로 정 한다. 앞서 서술한 바와 같이, CS는 매개변수가 둥 지 수 n, 발견될 확률 Pa뿐이기에 여러 분야에 응용 하기 쉽고, 용수철 설계, 용접보 설계 등에 적용되어 기존 방법보다 더 나은 최적해를 도출해 냈다고 보 고되고 있다(Yang and Deb, 2009).

    이 알고리즘의 일반적인 절차를 도식화하면 Fig. 2와 같다. 초기 개체수와 목적함수를 설정하고, 최적 해에 가까운 알을 남기는 방식이다.

    본 연구에서는 선행연구들에서 댐퍼의 성능을 결 정하는 주요 변수로 밝혀진 댐퍼의 단부와 중간부의 폭을 매개변수로 설정하였다(Farzampour et al., 2019). 그 외의 댐퍼의 길이와 두께는 각각 25cm, 2.5cm로 고정하였다. 이는 실무에 적용 시 댐퍼의 설치 환경 에 따라 제약을 받는 길이와 두께는 각각의 경우에 맞게 조정하고, 단부와 중간부의 폭을 조절해 가면 서 최적해를 찾아가도록 하기 위함이다. 본 연구에 서는 단부의 폭은 20cm를 최대값으로 제한하여 구 속시켰으며, 중간 폭은 단부 폭보다 작도록 제한하 여 나비형상을 유지하도록 하였다(Fig. 3). 이를 통 해 단계별로 도출된 형상에 대한 평가는 강재 댐퍼 의 등가소성변형률(Equivalent Plastic Strain: PEEQ) 에 대한 에너지 소산량(Energy dissipation, Ed)으로 하여, 제진 장치로써의 성능을 측정하고, 최적의 형 상을 탐색하도록 하였다.

    목적함수의 계산을 위한 각 댐퍼의 등가소성변형 률(PEEQ)과 에너지 소산량(Ed)를 얻기 위해 유한요 소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 그리고, 새롭게 탐색하여 변경된 해에 대한 모델링 업데이트 를 위해 Python Script를 접목시켜 자동화 하였다. 따 라서 본 연구에서는 강재 댐퍼의 최적 형상을 탐색 하기 위해 MATLAB으로 작성된 CS알고리즘과 유한 요소해석 프로그램인 ABAQUS 그리고 Python Script 를 접목시켰다. 이 반복 과정은 Fig. 4와 같다.

    매개변수 : x = a , b 목적함수 : F ( x ) = E d P E E Q max
    (2)

    2.2 유한요소해석 개요

    본 연구에서는 앞서 설명한 최적화 탐색으로 얻어진 댐퍼를 유한요소해석을 통해 성능을 검증하였다. 유 한요소해석은 ABAQUS를 사용하였다. 요소유형은 3D-stress, 8-node, nonlinear solid (C3D8R)을 사용하였 다. 비선형 기하학적 변환은 NL Geom 옵션을 사용 했고, 메시의 크기 및 특성은 강재댐퍼의 유한요소 해석을 수행하고 그 타당성을 검증한 선행연구 중 하나를 선택하여 따랐다(Banjuradja, 2018). 재료 모델 링은 금속의 비선형성을 최대한 고려하기 위해 역 스트레스 진화 법칙(Back-stress evolution laws)을 적 용했다. 역스트레스 진화법칙에 대한 식은 식 (3)과 같다. α는 항복 표면의 움직임을 나타내는 전체적인 역응력을 의미한다. N은 역응력 작용횟수, pl은 등 가소성변형, Ckγk는 재료모델의 매개변수이다. 매개변수들은 쿠폰테스트 결과에서 얻은 응력-변형 률 곡선을 기반으로 결정하였으며 그 값들은 Table 1과 같고, 그에 따른 해석 시 사용된 이론적 재료의 응력-변형률 그래프는 Fig. 5와 같다.

    a = k = 1 N α k = k = 1 N C k γ k ( 1 e γ k p l )
    (3)

    재료특성은 SS400 강재로 제작된 인장시편시험 을 통해 얻어진 값을 사용했으며, 그 값은 Table 2에 나 타냈다.

    모델링의 형상과 경계조건은 FIg. 6과 같이 댐퍼 의 상부는 롤러로 하여 변위제어하중을 재하할 수 있도록 하였으며, 하부는 고정으로 하였다.

    2.3 실험 개요

    본 댐퍼의 실험에 앞서 재료의 특성을 얻기 위해 인 장시편을 제작하여 쿠폰테스트를 실시했다. 시편은 ASTM 규격 기준에 따라 SS400으로 제작하였다. 쿠 폰테스트는 단조하중을 재하하여 수행하였다. 그 결 과, 항복강도와 탄성계수는 각각 약 270MP, 205GPa 로 나타났다.

    본 연구에서는 최적화 탐색기법을 적용하여 도출 한 형상에 대해 수치해석과 더불어 실험을 통해서도 성능검증을 실시하였다. 시편은 SS400 강재로 제작 하였다(Fig. 7). 시편의 화학적, 기계적 성질은 KS규 격을 따랐다. 강재댐퍼의 진동제어능력은 저항복강 도와 저항복비, 높은 연성을 가질 때 향상된다. SS400강재는 상기한 특성을 가지면서도 적절한 가격 과 한국에서 쉽게 취할 수 있기에 본 댐퍼의 재료로 선택했다. 댐퍼의 자세한 형상은 3.1절 최적형상 설 계 결과에서 제시하였다. 하중은 유한요소해석과 같 은 이력을 가진 반복하중을 변위제어를 통해 재하 하였다(Fig 8.). 실험 구성은 Fig. 9와 같이 제작한 시 편을 볼트로 Actuator에 고정하여 설치하였다. 댐퍼 는 Actuator에 용접 없이 고장력 볼트로 고정할 수 있도록 설계하였다.

    반복하중 재하의 단계별 폭과 횟수는 축적된 소 성변형의 범위에 의해 결정했다. ai+1 =1.4ai 식이 1 단계에서 12단계까지 성공적으로 적용되었다. 12단 계 이후에서 부터는 5.4mm로 일정하게 유지되었다. 재하는 0.1∼0.5mm/s의 범위 내에서 이뤄졌다.

    실험 중 댐퍼의 변형률 측정을 위해서 시편에 3 개의 변형률게이지를 부착하였다. 각각의 위치는 유 한요소 해석 결과 최대 응력 발생이 예상되는 중앙 부, 길이방향 1/4, 3/4지점이다.

    3. 연구 결과

    3.1 최적형상 설계 결과

    본 연구에서 적용한 최적화 형상 탐색 방법을 통해 약 300개의 댐퍼 형상이 생성되고 평가되었다. 최종 적으로 선택된 최적 형상은 다음 Fig. 10과 Table 3 과 같다. 본 최적화 과정에서 사용된 시스템의 사양 은 다음과 같다. CPU : intel Xenon E5-2660, 메모리 (RAM) : 64GB, OS : Window 10 Pro. 소요 시간은 약 72시간이 소요되었다. 이 단면은 목적함수(식 (2)) 에 따라 최소의 소성변형률에서 최대의 에너지 소산 능력을 갖는 단면으로써, 최적화의 결과물이다. 즉 300여개의 모델은 최적화된 형상을 찾기 위한 과정 중에 생겨난 것들이다. 매개변수로 설정했던 중간 폭(a)과 단부 폭(b) 이외의 치수들은 실험체 설치가 가능한 값들로 고정하였다. 이 치수들을 설치환경에 따라 조정하여 최대성능을 발휘하는 댐퍼형상을 찾 을 수 있다.

    여러 형상의 댐퍼들의 성능비교를 위해 정규화된 최대 등가소성변형률(PEEQ)와 에너지 소산량을 기준 으로 평가하였다. 두 값은 모두 ABAQUS의 Post Procedure에서 도출할 수 있는 값들이다. 최적형상의 경우 이 값들은 각각 5%의 상, 하부 드리프트 비율 에서 0.221, 656.22kN⋅m으로 나타났다.

    또한, 최적화 과정 중에서 댐퍼를 거동유형에 따 라 4가지로 분류되었다. 첫 번째는 직선형의 댐퍼 모델로 소성변형이 댐퍼의 단부에 집중되는 유형이 다. 이때의 소성변형은 같은 드리프트 비율의 나비 형상 댐퍼보다 매우 높은 값을 나타냈다. 두 번째는 소성변형이 댐퍼 중앙부에 집중되어 전단파괴가 발 생하는 유형이다. 세 번째는 좌굴 한계 상태가 나타 나는 유형이다. 이 유형은 중앙부에서 큰 변위에도 저항할 수 있음에도 불구하고 좌굴이 먼저 일어나 항복하는 유형이다. 네 번째 유형은 최적화 형상에 가까운 형상으로 휨과 전단 항복이 거의 동시에 일 어나면서 취성파괴 없이 저항하였다.

    초기 형상과 최적 형상의 이력거동을 비교해 보 면 최적 형상의 에너지 소산능력이 증가했음을 확인 할 수 있었다(Fig. 11).

    앞서 개요에서 설명한 바와 같이 최적화의 중요 요소는 에너지 소산능력과 소성변형(PEEQ)의 집중도 이다. 이를 기준으로 하여 뻐꾸기 탐색 알고리즘을 통해 에너지 소산능력은 최대화하고, 소성변형의 집 중은 최소화하여 댐퍼 전체로 분산시킬 수 있는 형 상을 도출했다. 또한, 최적화 형상을 탐색하면서 생 성한 약 300여 개의 모델을 분석한 결과 최적화 모 델에 가까울수록 소성변형은 형상의 변화지점으로부 터 먼 곳에 발생하여 댐퍼의 갑작스러운 파괴 가능 성이 줄어들었다.

    3.2 유한요소해석 검증 결과

    앞서 설명한 2.2 유한요소해석 개요를 토대로 최적 형상 댐퍼를 모델링하여 상세 해석을 수행하여 제진 장치로서의 성능을 검증하였다. 해석 결과 최대 Von Mises Stress 567MPa, PEEQ 1.372, Logarithmic Strain (LE) 0.038의 값을 얻을 수 있었다(Fig. 13, 14 and 15). Fig 13에서 볼 수 있듯이 댐퍼의 전 영역에 고 르게 응력이 분포된 것을 확인할 수 있다. 이를 통 해 본 논문의 연구목적이었던 댐퍼 형상의 최적화를 통해 소성변형의 집중을 분산하는 것이 가능함을 확 인하였다. 또한, 유한요소해석 결과로부터 얻은 힘- 변위 이력그래프는 다음 Fig. 12와 같다. 이 그래프 에서 최적 형상 댐퍼는 강도와 강성의 저하 없이 안 정적인 이력거동을 나타내며 최대 약 490kN의 역량 을 확보하는 것으로 확인되었다.

    3.3 실험 검증 결과

    최적 형상으로 제작된 시편으로 2.3 실험 개요에서 서술한 바와 같이 실험을 수행했다(Fig. 16). Fig. 17 는 시편의 이력거동을 나타내는 하중-변위 곡선과 수치해석 결과를 비교한 것이고, Table 4는 최대변위 와 하중을 비교한 것이다.

    Fig. 17에서 볼 수 있듯이 최적 형상의 댐퍼는 갑 작스러운 강도, 강성의 저하 없이 안정적인 이력거 동을 나타냈다. 최대 역량은 약 300kN으로 측정되었 다. 이 값은 유한요소해석 결과와 다소 상이한 값이 다. 이러한 차이가 나타난 원인은 댐퍼와 Actuator의 볼트 연결부에서 먼저 파단이 일어났기 때문이다 (Fig. 18). 유한요소해석에서는 경계조건을 이상화시 켰으나, 실제 실험에서는 볼트를 통해 연결하였고, 볼트 연결 부분에서 지압 응력(Bearing Stress)이 발생 하여 이러한 차이가 나타난 것으로 판단된다.

    다만, Fig. 13과 Fig. 18을 비교해 보면 수치해석 과 실험 결과 댐퍼의 변형 형상은 상당히 유사함을 확인할 수 있다. 이러한 문제점은 향후 연구에서 유 한요소 모델에 볼트 접합부를 반영하거나, 실험체의 접합부를 보강하여 개선이 가능할 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구는 전단변형메커니즘을 기반으로 하는 기존 의 강재 댐퍼가 가진 한계점을 해결하고자 수행되었 다. 기존 연구들의 한계점은 댐퍼의 특정 지점에 소 성변형이 집중되어 강재의 대부분이 무용해진다는 것이었다. 또한, 종래의 설계법 및 최적형상 설계는 기하학적 함수를 계산하여 그 과정이 복잡하고 전문 적이어서 실무에 적용하는 것이 어려웠다. 그에 반 해 본 연구에서 개발한 최적화 알고리즘을 활용한 설계법은 댐퍼 설치환경에 따른 구속조건 등을 설정 하고 단부와 중간부의 폭을 원하는 치수로 제한함으 로써 에너지 소산능력과 균등한 응력분포를 갖는 최 적의 형상을 자동적으로 도출할 수 있어, 향후 실무 적으로 적용 가능성이 높다는 장점이 있다. 다만 본 연구에서는 기존의 설계 방법과 개발된 설계 방법에 대한 결과의 비교는 이뤄지지 않았다. 향후 연구를 통해 같은 제약 조건(댐퍼의 길이, 두께 등) 하에서 도출된 변수(단부 및 중간부 폭 등)를 비교하고 각각 의 형상을 수치해석 및 실험 등을 통해 그 역량을 비교하고자 한다. 따라서, 본 연구에서는 종래의 복 잡하고 난도가 높은 댐퍼 설계법을 최근 공학적 활 용에 대해 연구가 활발한 전역 최적화 기법 중 하나 인 뻐꾸기 탐색(CS) 기법을 적용함으로써 보다 기술 자들이 실무적으로 쉽게 접근할 수 있는 방법을 모 색하고, 이를 통해 제작된 실험체와 해석모델이 실 제로 충분한 에너지 소산능력을 보유하고 있음을 확 인하였다고 할 수 있겠다. 이를 위해서 MATLAB을 통해 구현한 CS와 Abaqus, Python을 접목하여 새로 운 해에 대한 해석 및 평가, 매개변수 재탐색, 모델 업데이트의 반복과정을 자동화하여 약 300개의 모델 을 생성하고 평가하여 최적 형상을 도출하였다.

    이 과정을 거쳐 도출된 최적 형상 댐퍼에 대해 유한요소해석을 통한 수치적 검증과 실제 실험을 통 한 성능 검증을 실시하였다. 그 결과 최적 형상의 댐퍼는 안정적인 이력거동을 나타내는 것으로 확인 되었다. 또한, 응력이 특정 지점에서 집중되지 않고, 댐퍼 전반에 걸쳐 균일하게 분포하는 것으로 나타나 기존 나비형상 댐퍼의 한계를 어느 정도 극복한 것 으로 볼 수 있다. 유한요소해석과 실험 후의 댐퍼 변형 형상은 매우 유사하게 나타났으나, 수치해석에 서는 최대 역량이 약 490kN인데 반해, 실험에서는 약 300kN으로 나타났다. 이는 유한요소해석 모델링 시 이상화된 경계조건이 실제 실험에서는 고장력 볼 트로 Actuator와 연결되었고 이 부분이 댐퍼보다 먼 저 파괴됨으로 인해 발생한 것으로 판단된다. 이는 향후 연구에서 유한요소해석 모델에 볼트접합부를 반영하거나 실험체의 연결부를 보강 설계함으로써 개선이 가능할 것으로 판단된다.

    따라서, 본 연구에서 제시한 설계 방법으로 강재 댐퍼의 최적 형상을 설계하는 것이 가능하며, 이는 다양한 형태의 공학적 최적 설계에 대한 해법으로 제시될 수 있는 가능성을 확인하였다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 건설기술연구사업의 지원 (20SCIP-B146946-04)에 의해 수행되었습니다. 본 연 구 지원에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

    KOSACS-12-5-17_F1.gif
    Pseudo Code of the Original Cuckoo Search
    KOSACS-12-5-17_F2.gif
    Flowchart of Cuckoo Search
    KOSACS-12-5-17_F3.gif
    Geometry of Steel Damper
    KOSACS-12-5-17_F4.gif
    Optimization Flowchart
    KOSACS-12-5-17_F5.gif
    Material S tress-Strain i n A B AQUS M odel
    KOSACS-12-5-17_F6.gif
    Model in Abaqus
    KOSACS-12-5-17_F7.gif
    Experimental Steel Damper Specimens
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    Cyclic Loading Protocol
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    Confituration of the Test Setup
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    Size of the Optimized Damper (unit : cm)
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    Hysteresis Behavior Compoarison of the Optimized Dampers and Initial Models
    KOSACS-12-5-17_F12.gif
    Force-Displacement Diagram of Damper in Abaqus
    KOSACS-12-5-17_F13.gif
    Von-mises Stress in Damper
    KOSACS-12-5-17_F14.gif
    PEEQ in Damper
    KOSACS-12-5-17_F15.gif
    The Logarithmic Strain(LE) in Damper
    KOSACS-12-5-17_F16.gif
    Deformation of Damper during Experiment
    KOSACS-12-5-17_F17.gif
    Force-Displacement Diagram of Damper (Analysis vs. Experiment)
    KOSACS-12-5-17_F18.gif
    Deformed Shaped of Damper after Test

    Table

    Material Parameters Used in ABAQUS Model
    Material Property Used in ABAQUS Model
    Size of the Optimized Damper
    Comparison of Analysis and Experiment

    Reference

    1. Banjuradja (2018), “Experimental and Numerical Studies on the Nonlinear Responses of Welded Wide Flange Fuses,” Master Dissertation, University of British Columbia, Canada.
    2. Cha, Hu. (2021), “Optimal Design of Butterfly Shaped Damper Using Cuckoo Search Algorithm,” 2021 Korean Society of Advanced Composit Structures.
    3. Chan, R. W. and Albermani, F. (2008), “Experimental Study of Steel Slit Damper for Passive Energy Dissipation,” Engineering Structures, Vol. 30, No. 4, pp. 1058-1066.
    4. Cho, H. M. and Hu, J. W. (2020), “Performance Evaluation of Cyclic Load of Re-centering Damper System Using Super-elastic Shape Memory Alloy and Polyurethane,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 11, No. 2, pp. 53-61.
    5. Deng, K ,. Pan, P. , Sun, J. , Liu, J. , and Xue, Y. (2014), “Shape Optimization Design of Steel Shear Panel Dampers,” Journal of Constructional Steel Research, Vol. 99, pp. 187-193.
    6. Farzampour, A. (2019), “Evaluating Shear Links for Use in Seismic Structural Fuses,” Doctoral Dissertation, Virginia Tech, United States.
    7. Farzampour, A. and Eatherton, M. R. (2019), “Yielding and Lateral Torsional Buckling Limit States for Butterfly-shaped Shear Links,” Engineering Structures, Vol. 114, pp. 258-268.
    8. Farzampour, A. , Eatherton, M. R. , Mansouri, I. , and Hu, J. W. (2019), “Effect of Flexural and Shear Stresses Simultaneously for Optimized Design of Butterfly-shaped Dampers: Computational Study,” Smart Structures and Systems, Vol. 23, No. 4, pp. 329-335.
    9. Hu, J. W. (2014), “Investigation on the Cyclic Response of Superelastic Shape Memory Alloy (SMA) Silt Damper Devices Simulated by Quasi-static Finite Element (FE) Analyses,” Materials, Vol. 7, No. 2, pp. 1122-1141.
    10. Hu, J. W. , Cha. Y. W. , Farzampour, A. , Mirzai, N. , and Mansouri, I. (2021), “Experimental Study on the Optimized Design of Butterfly-shaped Dampers,” Smart Structures and Systems, Vol. 27, pp. 795-801.
    11. Hu, J. W. , Noh, M. H. , and Ahn, J. H. (2018), “Experimental Investigation on the Behavior of Bracing Damper Systems by Utilizing Metallic Yielding and Recentering Material Devices,” Advances in Materials Science and Engineering, Vol. 2018, pp. 1-15.
    12. Kim, Y. J. , Park, J. H. , Hwagn, J. H. , and Ahn, T. S (2017), “Experimental Study of Hysteretic Steel Damper for Deformation Capacity,” 2017 Architectural Institute of Korea.
    13. Lee, T. H. , Kim, S. H. , Kim, B. K. , Oh, S. H. , and Choi S. M. (2019), “Lateral Cyclic Loading Experiment for Seismic Performance of Two-Storied RC Structure Frame Retrofitted with External Steel Rod Damper,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 10, No. 4, pp. 24-32.
    14. Lee, C. H. , Ju, Y. K. , Min, J. K. , Lho, S. H. , and Kim., S. D. (2015), “Non-u niform Steel Strip Dampers Subjected to Cyclic Loadings,” Engineering Structures, Vol. 99, pp. 192-204.
    15. Lee, S. J. (2014), “Surrogate-Based Improvement on Cuckoo Search for Global Constrained Optimization,” Korean Journal of Computational Design and Engineering, Vol. 19, No. 3, pp. 245-252.
    16. Lee T. W. and Park S. E. (2020), “Optimum Design of Seismic Steel Frame Model Considering the Panel Zone and Viscous Dampers,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 11, No. 4, pp. 34-41.
    17. Lee, C. H. , Woo, S. K. , Ju, Y. K. , Lee, D. W. , and Kim, S. D. (2015), “Modified Fatigue Model for Hourglass-Shaped Steel Strip Damper Subjected to Cyclic Loadings,” Journal of Structural Engineering, Vol. 141, No. 8, 04014206.
    18. Oh, S. H. , Choi, S. M. , Ryu, H. S. , Kim, Y. J. , and Choi, K. Y. (2019), “Static Loading Test for Performance Evaluation of Dual-Frame Type Seismic Retrofit System,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 10, No. 4, pp. 38-47.
    19. Yang, X. S. , and Deb, S. (2009), “Cuckoo Search via Levy Flights”, Proceeings of World Congress on Nature & Biologically Inspired Computing, Coimbatore, India, pp. 210-214.
    20. Yhim, S. S. (2015), “Numerical Analysis Study on Damping Performance of Cable Damper,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 6, No. 2, pp. 97-104.
    21. Yoon, B. S. (2011), “Metaheuristics that Mimic Natural Phenomena,” 2011 The Korean Operations Research and Management Science Society. dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeld=NODE07170001