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■3차원 해석의 필요성
비선형인 지반의 변형 문제에는, 탄소성 FEM해석이 필요하다는 것은 많은 설계자들이 인식하고 있으며, 최근의 성능 검토형 설계에
의해, FEM해석을 하는 기회가 늘어나고 있습니다. [GeoFEAS2D]는 2차원 해석이지만, 본래는 말뚝 기초 문제, 흙막이공이나
터널 굴착에 의한 주변 지반으로의 영향 해석 문제, 사면 안정 해석은, 3차원적인 현상이며, 그대로 3차원 문제로써 해석해야 한다고
생각됩니다. 당사의 지반 해석 시리즈에 있어서, 해석부를 개발하고 계시는 군마대학 대학원 사회 환경 디자인 공학 전공의 우카이 선생님, 사이 선생님께서도, 3차원
해석의 유효성, 중요성에 대한 논문, 강연회등으로 널리 알려지고 있습니다.
그렇지만, 3차원 해석은, 비용면, FEM해석 특유의 수고나 어려움이 있기 때문에 검토를 하고 있지 않은 것이 실정입니다. 이것은
메쉬 분할을 포함한 모델 작성이나 해석 결과의 평가등, 프리프로세서(데이터 작성), 포스트프로세서(결과 표시)의 성능에 의존하는
부분에 있어서, 보다 더 사용하기 쉽고, 보디 더 이해하기 쉬운 툴이 요구되고 있다고 생각됩니다. 본 GeoFEAS3D는, 쉽게
알수 있도록 하는 것을 목표로써 개발에 착수해 왔습니다. 본 제품에 의해, 예를 들면, 큰 프로젝트의 경우에는, 우선, 그 전반을
2차원 베이스로 해석하고, 특히 중요한 케이스만을 3차원으로 보다 상세하게 해석을 한다고 하는 어프로치도 충분히 가능해질 것으로
생각됩니다.
■모델 작성과 메쉬 분할
프리프로세서에서는, 모델 작성, 메쉬 분할, 스테이지 설정을 합니다.
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▲터널 순차 해석 이미지 화면(Pre부)
메쉬도(좌), 하중 조건도(우)
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▲터널 순차 해석 이미지(Pre부)
좌측부터 터널을 굴착하고 있는 모델 이미지
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2차원 해석으로 취급하기 어렵다고 생각되는 굴착 진행 방향의 영향을, 3차원 모델에서는,
그대로 모델화하면 된다는 것을 알 수 있습니다.。 |
본 제품의 프리포스트는, 당사의 사양을 CESAR-LCPC를 개발한 itech사에 제시하여 개발을 진행하고 있습니다. 따라서, 기본적인 처리의 흐름은, GeoFEAS2D를 계승하고 있습니다.
■요소 라이브러리
2차원 해석에서는, 지반을 면요소로 모델화하고 있지만, 3차원 해석에서는 솔리드(입체)요소를 사용합니다. 본 제품에서는, 4면체
요소, 5면체 요소, 6면체 요소를 준비하고 있습니다. 2차원 해석에서의 면요소는, 3차원 해석에서는 판요소나 쉘요소가 되지만,
본 프로그램의 초판에서는, 판요소까지의 대응이 됩니다.
| 종 류 |
항 목 |
대응 |
비 고 |
| 면요소 |
3절점3각형요소(1차) |
○ |
판요소 |
| 4절점4각형요소(1차) |
○ |
판요소 |
| 6절점3각형요소(2차) |
○ |
판요소 |
| 8절점4각형요소(2차) |
○ |
판요소 |
| 솔리드요소 |
4절점4면체요소(1차) |
○ |
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| 10절점4면체요소(2차) |
○ |
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| 6절점5면체요소(1차) |
○ |
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| 15절점5면체요소(2차) |
○ |
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| 8절점6면체요소(1차) |
○ |
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| 20절점6면체요소(2차) |
○ |
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| 선요소 |
보1차요소 |
○ |
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| 봉1차요소 |
○ |
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| 축스프링 |
○ |
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| 전단스프링 |
○ |
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| 조인트요소 |
6절점면 조인트요소 |
○ |
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| 8절점면 조인트요소 |
○ |
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| 12절점면 조인트요소 |
○ |
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| 16절점면 조인트요소 |
○ |
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구조물요소(판요소, 보요소, 봉요소, 축방향 스프링요소, 전단스프링요소)를 정의함으로써, 지반과 구조물의 상호 작용을 표현할 수
있으며, 조인트요소에 의한 접촉면 지정도 가능하게 하고 있습니다.
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| ▲입체 요소（4면체, 5면체, 6면체） |
■하중, 경계 조건
GeoFEAS는, 전응력 해석(지반의 투수 현상을 고려하지 않는 해석)을 하는 프로그램이지만, 수압을 절점하중으로써 고려함으로써
수압의 변화가 지반에 미치는 영향을 검토할 수 있습니다. 하중은, 절점집중하중, 등분포하중, 분포하중, 체적하중(자중, 정적지진하중)을
고려할 수 있습니다. 경계 조건으로써는, 단점 구속(수평롤러, 연직롤러, 고정, 핀), 다점 구속(MPC, 힌지), 강제변위를
준비하고 있습니다. 시공 스텝을 감안한 스테이지 해석에 대응하고 있으며, 스테이지마다 재료 정수의 변경, 경계 조건의 변경등의
설정이 가능합니다.
■프로세서
탄소성 지반 해석은 지반의 응력・변형 거동을 검토하는데 있어서 가장 기본이 되는 수법이지만, 해석 모델, 요소 정의나 적용 구성
모델을 적절하게 설정하는 것이 중요하기 때문에, 해석 프로그램에 다종다양한 기능이 요구된다고 생각됩니다.
GeoFEAS는, 특히 흙의 구성 모델의 충실을 도모하고, 가장 간단한 탄성 모델부터, 지반의 탄소성 거동을 표현할 수 있는 탄소성
모델까지, 13종류의 구성 모델을 준비하고, 탄성 모델에 대해서는, No-Tension해석을 할 수 있으며, 전 15종류에 대응하고
있습니다. 또한, 스테이지 해석과 전단 강도 저감법이라고 하는 해석 기능을 병용함으로써, 굴착・성토, 사면 안정, 지지력 문제등
지반에 관계하는 폭넓은 문제에 변형 해석과 안정 해석을 동시에 실행할 수 있습니다.
| 모델 종류 |
구성 모델 |
비 고 |
| 탄성 모델 |
（１）선형 탄성 모델 |
등방성 |
| （２）적층 탄성 모델 |
이방성 |
| 비선형 탄성 모델 |
（３）Duncan방식1 |
포아송비를 정의 |
| （４）Duncan방식2 |
체적계수를 정의 |
| （５）파괴 접근도법 |
전력중앙연구소 방식 |
| 비선형 모델 |
（６）Hardin-Drnevich모델 |
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| （７）Ramberg-Osgood모델 |
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| （８）우카이・와카이 모델(UW-Clay) |
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| 탄・완전 소성 모델 |
（９）Morh-Coulomb방식 |
관련 흐름칙 비관련 흐름칙 |
| （10）Drucker-Prager방식 |
관련 흐르칙 비관련 흐름칙 |
| （11）Morh-Coulomb／Drucker-Prager방식 |
비관련 흐름칙 |
| 탄소성 모델 |
（12）Pastor-Zienkiewicz모래 모델 |
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| （13）Pastor-Zienkiewicz점토 모델 |
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| No-Tension모델 |
（14）선형 탄성 모델 |
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| （15）적층 탄성 모델 |
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■포스트프로세서
포스트프로세서에서는, 모델도, 콘타도, 분포도등을 준비하고 있습니다.
(1)터널 굴착 해석：터널 굴착 해석 결과를 보십시오. 3차원 해석 결과에 의해, 안쪽 방향의 변화한 형상을 잘 알 수 있습니다.
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▲터널 굴착 문제 해석 결과
GeoFEAS3D의 Post부) |
(2)말뚝 기초 문제：말뚝 기초 문제의 해석 결과도(이미지)입니다. 말뚝 기초 전체의 1/4을 해석 모델로 한 예입니다. 콘타도는
연직방향 변위도입니다. 침하의 변화 형상을 3차원적으로 파악할 수 있습니다.
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▲말뚝 기초 문제 해석 결과
(GeoFEAS3D의 Post부) |
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포인트・뱅크
2009/02/13
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