解析機能

FEA NXが提供する主要解析機能は次のようになります。

線形静的解析 (Linear Static Analysis)

線形静的解析は地盤や岩盤材料を線形弾性材料であると仮定して静的解析を通じて荷重に対する挙動特性を把握する解析です。地盤材料が線形弾性挙動を見せる時期は荷重が載荷されはじめてひずみが微小に発生する荷重載荷の初期段階に局限されます。しかし、線形弾性解析は破壊について考慮せず、応力-ひずみ関係を直線の形で理想化して解析を実行するため、源地盤の応力分布や応力集中部の把握等の簡便解析が必要な場合に広く利用されています。

非線形静的解析 (Nonlinear Static Analysis)

すべての物理的現象は非線形性を含んでいます。地盤や土木構造物の挙動もまた例外ではなく、非線形静的解析は外部条件において時間に対する変化が無視する程度の場合に対してこのような非線形性を考慮した地盤の挙動を描写するための解析です。FEA NXでは次のように非線形性が考慮出来ます。

材料の非線形性：応力とひずみの関係が非線形である時、発生します。大体の地盤材料は非線形性を持っています。
幾何学的非線形性：変位とひずみの関係が線形でない場合であり、変位が大きかったり回転歪が大きな場合、線形仮定で外されます。
荷重及び境界の非線形性：境界面の非線形挙動を内包したり、従動力(follower force)のようにひずみによって荷重方向が変わる場合、発生する非線形性を意味します。

施工ステージ解析 (Construction Stage Analysis)

施工ステージ解析を利用して地盤の施工過程を数値解析で描写できます。施工ステージ解析は複数の‘ステージ(stage)’で成っていて各ステージ別に荷重/境界条件の追加及び除去、要素の追加及び除去が可能となります。このような荷重/境界または要素の変化は各ステージの始点で適用されます。FEA NXでは次のような多様なタイプの解析機能を使用して施工ステージ解析が進行できます。

応力-斜面解析

施工過程に対する応力解析及び斜面安定解析

浸透解析

施工ステージ別定常流解析、施工ステージ別非定常流解析

応力-浸透-斜面連成解析

施工過程に対する順次的浸透-応力解析及び斜面安定解析

圧密解析

施工ステージの成土や環境変化について圧密解析

応力-浸透完全連成解析

非定常浸透減少とこれと完全連成された応力解析

施工ステージ解析を実行する際に考慮出来る内容は次のようになります。

- 要素の追加及び除去
- 荷重の載荷及び消去
- 境界条件の変化
- 地盤物性の変化
- 応力解放率の定義
- 施工ステージ別地下水位
- 排水-非排水解析
- 変位の初期化
- 応力解析初期施工ステージ(Ko 条件考慮)
- リスタート(Restart)

圧密解析 (Consolidation Analysis)

圧密解析は瞬間的に非排水挙動をする間隙数が外的抵抗をする場合、過剰間隙水圧が発生し、その過剰間隙水圧が時間と共に消散される過程を計算する解析方法です。圧密解析では一般的に経過時間によって過剰間隙水圧は減少し、有効応力は増加するメカニズムが発生します。そして時間に伴う有効応力の増加は土の骨格部のひずみを誘導し、このような時間によるひずみの増加は構造物の基礎部に沈下を発生させ、構造物の基礎部に発生する不等沈下等の影響は構造物の安定性に大きく影響を与える要因となります。

応力-浸透完全連成解析 (Fully Coupled Stress-Seepage)

応力-浸透完全連成解析は定常状態の間隙水圧が維持されるという仮定がありません。そのため、非定常状態の浸透現象と応力解析や安定性を完全連携した形態で描写するに適合な解析です。圧密解析とは違って浸透境界条件の時間に対する変化、境界流量などの定義が可能です。

つまり、応力-浸透完全連成解析では非定常状態の浸透解析の境界条件と構造的荷重や境界条件がすべて使用可能です。

流入、流出による地盤の安定性解析、水位変化に対する大規模ダムの安定性解析などに適用でき、特に浸透境界条件(Head/Flux)を全て活用して過剰間隙水圧の変化のみならず、全体間隙水圧の変化を考慮した圧密解析や特殊工法を適用した多様な応用解析に適合した解析機能です。

定常流浸透解析 (Steady State Seepage Analysis)

定常流浸透解析は地盤内部や外部の境界条件が時間に伴って変化しない場合の解析です。そのため、解析領域に存在する流入量と流出量が常に一致します。

非定常流浸透解析 (Transient Seepage Analysis)

非定常流浸透解析は定常状態の境界条件を適用したとしても時間差によって流入量と流出量が異なる場合があります。つまり、定常流浸透解析と異なる点は境界条件が時間によって変化すう点と体積含水比 (volumetric water content)が必要という点です。地下水位が上昇または下降する場合、上昇速度や下降速度と密接な影響要素で不飽和領域の含水比と空隙率などが必要です。

固有値解析(モード解析) (Eigenvalue Analysis)

固有値解析は地盤/構造物固有の動的特性を分析するに使用され、これを通して地盤/構造物の固有モード(モード形状)、固有周期(固有振動数)、モード寄与係数(modal participation factor)等を得ることができます。これらは構造物の質量と剛性によって決まります。

応答スペクトル解析 (Response Spectrum Analysis)

応答スペクトル解析法はモード別の時間応答の最大絶対値のスペクトルデータをモード重ね合わせの原理を利用して組合わす解析法です。モード別に最大値が発生する時間の同時性を考慮しないで最大絶対値のみを組合わすので線形時刻歴(モード)解析の近似解とみられます。代わりに、モード別の相関関係を考慮してモード重ね合わせを行い、同時性に対する誤差を補正します。

線形時刻歴解析(モード/直接積分) (Time History Analysis)

時刻歴解析は構造物に動的荷重が作用する場合に構造物の動的特性と加えられる荷重を使用して任意の時刻に対する構造物挙動(変位、部材力など)を動的平衡方程式の解を利用して計算するものです。時刻歴解析のためにモード重ね合わせ法(modal superposition method)と直接積分法(direct method)を使用しています。

線形解析の特性上、非線形性は考慮されません。非線形材料を使用した場合、等価の線形弾性材料に変換されて解析が行われます。

非線形時刻歴解析 (Nonlinear Time History Analysis)

時刻歴解析でも地盤や土木構造物の非線形性が考慮できます。非線形静的解析と同様に材料の非線形性、幾何学的非線形性、そして荷重や境界の非線形性を全てまたは選択的に考慮して解析が行えます。

一般的に多くの地盤は材料非線形の性質を持っているので地盤に対する動的応答は非線形時刻歴解析を通して正確な描写が可能です。

2D 等価線形解析 (Equivalent Linear Analysis)

構造物が建設される以前の地盤状態で地震入力に対する地盤の応答を求めるのを自由場解析(free field analysis)というが、自由場解析は設計応答スペクトルを決定するための地表面振動予測、液相化評価のための動的応力とひずみの算定そして地盤または土類構造物の不安定を招来する地震荷重の決定等に主に使用されます。

斜面安定解析(SRM/SAM) (Slope Stability Analysis)

盛土斜面、掘削斜面の安定解析は地盤工学で最も頻繁に捉えられる問題の中の一つです。斜面は重力による自重の位置エネルギーを常に持った状態であり、ここに間隙水圧、再荷重、地震、波力などの外力が作用すると斜面の安定は多く影響されます。この時に自重及び外力によって発生する斜面内部のせん断応力が斜面土質が持っているせん断強度より大きくなると斜面破壊の破壊が発生します。このようなせん断応力とせん断強度による斜面破壊に対する安定性を計算することを斜面安定解析といいます。GTSNXでは有限要素法で斜面安定解析を実行する方法であるせん断強度低減法(Strength Reduction Method: SRM)と限界平衡理論に基づいた斜面応力法(Stress Analysis Method: SAM)が使用できます。

非線形時刻歴解析 + SRM

一般的なせん断強度低減法(SRM)による斜面安定解析は静的状態に対する安定性評価に使用できます。しかし、斜面は地震のような動的荷重状態に対して脆弱であるしかありません。動的な平衡状態では地盤は自重にだけでなく振動による慣性力によって応力が発生します。

FEA NXではこのような動的平衡状態に対する斜面安定解析が行えます。斜面安定解析はせん断強度低減法を基にして2次元のみならず、軸対称、3次元問題にも適用可能です。非線形時刻歴解析中入力された時間についてその時点の地盤応力状態を基に斜面安定性が計算できます。