Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea ISSN:1229-3059(Print) 2287-2302(Online) 한국전산구조공학회 논문집

공장에서 부재를 선제작하고 현장으로 운송하여 조립하는 OSC (Off-Site Construction) 공법은 최근 건설 산업에서 점차 활발히 적용되고 있다. 선제작 부재간의 연결부는 기존 연속 구조물과 유사한 수준의 구조성능을 발휘하여야 한다. 예를 들어 PC 벽체 연결의 경우 벽체를 연결하는 접합부에서 충분한 강성과 강도가 확보되어야 한다. PC 벽체간 연결은 다양한 형태가 존재하며 최근 새로운 형식의 기계적이음 철물박스 연결재가 개발되었다. 본 연구는 이러한 제안된 철물박스 연결재에 적합한 제원을 결정하고 구조성능을 해석적으로 평가하였다. 이를 위하여 먼저 설계기준에 명시된 기계적이음의 요구조건에 대하여 조사하였다. 그리고 제안된 철물박스 연결재의 유한요소모델을 정립하고 앞서 조사한 기계적이음의 요구조건을 만족하는 제안된 철물박스 연결재의 주요 제원을 변수로 변수해석을 수행하여 제안된 철물박스 연결재의 제원을 결정하였다. 이후 결정된 제원을 적용한 PC 벽체에 대하여 구조해석을 수행하여 이의 구조성능을 평가하였다.

본 논문에서는 패널시스템 기반의 대표적인 2개의 중･고층 목조 건축물을 대상으로 각 건축물에 적용된 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템을 구조성능, 경제성, 내화성, 사용성, 목재 재활용성, 목재 사용량을 기준으로 비교분석하였다. 그리고 이를 바탕으로 각 건축물의 전체적인 성능향상을 위한 대안을 제시하였다. Bridport House의 CLT 바닥패널은 조립목재패널로 변경하고 Badenerstrasse Building의 콘크리트 코어는 CLT 패널 코어로 변경하면 전반적으로 성능이 향상되는 것으로 평가되었다. 본 연구에서 제안한 비교분석 틀은 중･고층 목조 건축물의 설계 시 최적 구조시스템 도출을 위한 가이드라인으로 역할을 할 것이라 기대된다.

1978년 최초로 지진이 관측된 이후, 대한민국은 2022년까지 규모 2.0 이상의 지진이 2,100회 이상 발생하는 등 지진 활동이 점차 증가해 왔다. 특히 2016년 경주 지진(M 5.8)과 2017년 포항 지진(M 5.4)과 같은 대형 지진은 대한민국이 더 이상 지진 안전지대가 아님을 분명히 보여주었다. 이에 대응하여 정부는 ‘지진방재종합계획’을 연속적으로 수립･시행하였으며, 현재는 제3차 계획이 추진되고 있다. 그러나 지금까지의 정책은 주로 구조물의 붕괴 지연에 초점을 맞춘 내진 보강에 집중되어 있었으며, 지진 발생 중이나 이후에 주요 기반시설의 기능을 유지하는 데에는 한계가 있었다. 본 연구는 이러한 대한민국의 지진 방재 정책의 발전 과정과 한계를 분석하고, 획일적인 내진 보강 방식의 한계 및 지진 격리장치와 같은 첨단 기술의 활용 부족을 지적하였다. 또한, 국내외 사례 분석을 바탕으로, 성능 기반 설계 기준, 기능 유지형 보강 전략, 복합형 내진 기술의 확대 적용 등을 포함한 개선 방안을 제시하였다. 이러한 연구 결과는 향후 지진에 대비한 국가의 회복탄력성을 높이기 위한 실질적 정책 개선 안을 제시한다.

확률론적 지진 안전성 평가(Probabilistic Safety Assessment)를 위해서 고장수목(Fault Tree) 기반 베이지안 네트워크(Bayesian Network, BN) 방법론이 제안된 바 있다. 해당 방법론은 시스템 구성요소들을 확률변수로 가정하고 변수들의 상관관계를 네트워크로 구축한 후, 변수들에 다양한 정보들을 입력함으로써 유연한 시스템 의사결정 수행이 가능하다는 장점이 있다. 그런데 이러한 시스템 평가를 위해서는 개별 요소들의 취약도 정보는 필수적이나, 플랜트 관련 설비들의 취약도 정보는 매우 한정적이다. 따라서, 우선적으로 문헌조사를 수행하였고 Federal Emergency Management Agency(FEMA)에서 전체 시스템과 더불어 다양한 구조물 및 설비들의 취약도 정보를 제공함을 확인하였다. 본 연구에서는 FEMA에서 제공하는 시스템 취약도와 개별 요소들의 취약도 정보를 기반으로 BN을 통해 도출한 시스템 취약도를 비교･분석하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 세 규모의 가스플랜트 Plot Plan을 정의하였고, 이에 대응하는 BN 모델을 이용하여 시스템 취약도를 산출하였다. 세 규모에 대해 도출한 시스템 취약도와 FEMA에서 제공한 시스템 취약도를 비교한 결과, 도출된 취약도가 보수적으로 산정됨을 확인하였고, 추가적으로 구축된 BN의 개별 설비들의 취약도 손상 상태(Damage State, DS)를 변경해가면서 시스템 취약도를 산출한 결과 역시 FEMA에서 제시한 값보다 보수적임을 확인하였다. 이는 시스템의 고장을 정의하는 DS 차이로 인한 결과이며 플랜트마다 모델링을 기반으로 하는 시스템 취약도 산출이 필요한 것으로 이해할 수 있다.

본 연구는 한국 건축･구조공학 도메인에 특화된 SAFE(Safetyoriented AI Framework for Engineering) 지식베이스와 이를 활용한 검색 증강 생성(RAG) 시스템을 제안한다. SAFE는 전문용어집, 설계 기준, 교과서, 프로젝트 보고서에서 추출한 37.7만개 스니펫을 통합하여 국내 구조설계기준(KDS)과 최신 실무 사례를 포괄한다. SAFE 기반 파이프라인은 5개 대표 과업(MMLUStruct, Struct QAKO, SPED, StructMCQA, StructCaseY/N)으로 구성된 4,200문항 벤치마크에서 전체 정확도 89.1%를 기록하여, 체인오브생각(CoT) 방식의 최고 성능 LLM 대비 3.87%p 향상 효과를 나타냈다​​. 특히 국내 기준･실무 판정 과업인 StructCaseY/N에서 94.9%의 정확도를 달성하였다​​. 절편 분석 결과, 질의당 32개 스니펫을 투입할 때 정확도와 응답 지연 간 최적 균형점이 형성되며, 그 이상에서는 성능 개선 대비 비용이 급격히 감소함을 확인하였다. 또한 질문 유형별로 최적 정보 출처가 상이함을 규명하여, 도메인 맞춤형 코퍼스 가중치 조정의 필요성을 제시하였다. 본 연구는 국내 최초의 구조공학 RAG 평가 체계를 확립함으로써, 안전 중심 AI 의사결정 지원 도구의 실무 적용 가능성을 입증하고 향후 연구의 기반을 마련하였다.

최근 건축 구조공학 분야에서도 대규모 언어 모델(LLM)을 활용한 인공지능(AI) 기술 도입이 증가하고 있지만, 한국형 구조설계 기준과 같은 지역 특화 규정을 반영하지 못하거나 잘못된 정보를 제공하는 환각 현상 등 여러 한계를 보인다. 이를 극복할 수 있는 유망한 기술로서 검색-증강 생성(RAG)이 제시되고 있으며, 본 논문에서는 한국 건축 구조공학 도메인에 특화된 RAG 시스템인 StructCPT를 개발하여 그 성능을 평가하였다. StructCPT는 한국어 기반 구조공학 지식베이스에서 질의에 적합한 정보를 실시간으로 추출하는 도메인 특화 검색기이며, 대조학습 기반의 MAXIM(Maximum Similarity Retrieval) 임베딩 기법을 이용하여 질의와 문서 간 최대 의미적 유사도를 학습한다. 실험 결과 StructCPT는 BM25, Contriever, SPECTER와 같은 기존 범용 검색 기법들 대비 정량적 평가 지표에서 일관되고 유의미한 성능 향상을 보여주었다. 특히 구조공학 전문 용어 처리와 복합적 질의에 대한 검색 정확도 및 재현율에서 월등히 높은 성과를 나타냈으며, 실제 구조공학 문제 적용에서도 높은 정확도를 달성하였다. 또한 검색 속도와 메모리 사용 측면에서도 실무 적용에 적합한 효율성을 입증하였다. 본 연구는 구조공학 분야에 특화된 최초의 RAG 시스템 개발 사례로서, 향후 도면･이미지 등 멀티모달 정보와 지식그래프 통합을 통한 추가 발전 방향을 제시하며, 안전하고 신뢰할 수 있는 AI 기반 구조공학 의사결정 지원의 기초를 마련하였다.

이 연구에서는 원전 시설물의 부지응답해석 및 지반-구조물 상호작용 해석 등 다양한 동적 문제에 효율적으로 활용할 수 있는 무작위진동이론(random vibration thoery, RVT) 방법론을 사용하여 원전 구조물에 설치된 기기의 지진취약도 분석기법을 제안한다. RVT에 기반한 해석기법은 입력지반운동의 시간이력을 직접적으로 필요로 하지 않기 때문에 우리나라와 같이 강진지진기록이 충분하지 않은 지역에서 유용한 방법이다. 입력지반운동의 파워스펙트럼밀도(power spectrum density, PSD) 함수를 사용하여 대상 지반-구조물 상호작용계의 추계학적 지진응답해석을 수행하고, 구조물 내부에 설치된 기기의 유사가속도에 대한 PSD 함수를 산정한다. 이 PSD 함수에 무작위진동 첨두응답의 확률분포를 추정할 수 있는 첨두값 계수를 적용하여 기기 유사가속도의 첨두값, 즉 구조응답스펙트럼의 누적분포함수를 추정하고, 기기의 고장 조건을 적용하여 기기 고장 확률과 취약도곡선을 산정한다. 제안한 RVT 방법론에 근거한 지진취약도 분석기법을 균질 반무한 경암 및 연암 지반에 놓인 원전 구조물에 설치된 기기에 적용하고, 응답이력 방법론에 의한 결과와 비교하여 제안한 기법의 정확성을 검증한다.

본 연구에서는 내연적 시간적분법과 비선형 정적해석에서 발생하는 선형 시스템을 효율적으로 해결하기 위한 자체 솔버 프로그램을 개발하고 이를 평가하였다. 희소행렬 연산에 유용한 반복법과 전처리기(preconditioner) 알고리즘을 구현하였으며, 자체 개발을 통해 프로그램 코드의 수정 및 활용을 용이하게 하였다. 또한 메모리 사용량 절감 및 계산 효율성 향상을 위해 CSR(compressed sparse row) 형식 기반의 행렬 및 벡터 연산을 구현하였다. 개발된 솔버 성능 검증을 위해 Voronoi-cell 격자 모델 기반 선형시스템을 대상으로 개별 반복법 알고리즘을 적용하였다. 아울러 선형/비선형 정적 구조 거동을 모두 고려하여 관련 대칭/비대칭 시스템 행렬을 도출하고 이를 활용하였다. 보의 처짐 문제를 대상으로 각 반복법의 결과를 수렴성, 계산 시간, 행렬의 대칭성 및 크기에 따라 비교 분석하였다. 이를 통해 자체 개발한 반복법 솔버의 수치적 성능을 검증하였고 내연적 구조해석 등에 수반되는 선형 시스템의 근사해 계산에 개발 코드를 효과적으로 활용할 수 있음을 확인하였다.