해석기능
GTS NX가 제공하는 주요 해석 기능은 다음과 같습니다.
선형정적해석 (Linear Static Analysis)
선형 정적 해석은 지반 및 암반재료를 선형탄성 재료로 가정하고 정적해석을 통하여 하중에 대한 거동 특성을 파악하는 해석입니다. 지반재료가 선형탄성 거동을 보이는 시기는 하중이 재하되기 시작하여 변형률이 미소하게 발생하는 하중재하 초기단계에 국한됩니다. 그러나, 선형탄성 해석은 파괴에 대해서 고려하지 않고 응력-변형률 관계를 직선형태로 이상화하여 해석을 수행함으로써, 원지반의 응력분포나 응력 집중부의 파악 등, 간편 해석이 필요한 경우에 널리 이용되고 있습니다.
비선형정적해석 (Nonlinear Static Analysis)
모든 물리적 현상은 비선형성을 포함하고 있습니다. 지반 및 토목 구조물의 거동 역시 예외는 아니며, 비선형 정적해석은 외부 조건에 있어서 시간에 대한 변화가 무시할 정도인 경우에 대해 이러한 비선형성을 고려한 지반의 거동을 모사하기 위한 해석입니다. GTS NX에서는 다음과 같은 비선형성을 고려할 수 있습니다.
재료의 비선형성: 응력과 변형의 관계가 비선형일 때 발생합니다. 대부분의 지반 재료는 비선형성을 가지고 있습니다.
기하학적 비선형성: 변위와 변형의 관계가 선형이 아닌 경우이며, 변위가 크거나 회전 변형이 큰 경우 선형 가정에서 벗어나게 됩니다.
하중 및 경계의 비선형성: 경계면의 비선형 거동을 내포하거나, 종동력(follower force) 과 같이 변형에 따라 하중방향이 바뀌는 경우 발생하는 비선형성을 의미합니다.
시공단계해석 (Construction Stage Analysis)
시공단계 해석을 이용하여 지반의 시공과정을 수치해석으로 모사할 수 있습니다. 시공단계 해석은 여러 ‘단계(stage)’로 이루어져 있으며, 각 단계별로 하중/경계 조건의 추가 및 제거, 요소의 추가 및 제거가 가능합니다. 이러한 하중/경계 또는 요소의 변화는 각 단계의 시작점에서 적용됩니다. GTS NX에서는 다음과 같은 다양한 종류의 해석기능을 사용하여 시공단계 해석을 진행할 수 있습니다.
응력-사면 해석
시공과정에 대한 응력해석 및 사면안정 해석
침투 해석
시공단계별 정상류 해석, 시공단계별 비정상류 해석
응력-침투-사면 연계해석
시공과정에 대한 순차적 침투-응력 해석 및 사면안정 해석
압밀 해석
시공단계 성토 및 환경 변화에 대한 압밀해석
응력-침투 완전연계해석
비정상 침투현상과 이와 완전 연계된 응력해석
시공단계해석을 수행할 때 고려할 수 있는 내용은 다음과 같습니다.
요소의 추가 및 제거
하중의 재하 및 소거
경계조건의 변화
지반물성의 변화
하중 분담율 정의
시공단계별 지하수위
배수-비배수 해석
변위 초기화
응력해석 초기시공단계 (Ko 조건 고려)
재시작(Restart)
압밀해석 (Consolidation Analysis)
압밀해석은 물이 외적하중에 저항을 하는 경우 발생하는 과잉간극수압이 시간에 따라 소산되는 과정을 계산하는 해석방법입니다. 압밀해석에서는 일반적으로 경과시간에 따라 과잉간극수압은 감소하고 유효응력은 증가하는 메커니즘이 발생합니다. 그리고 시간에 따라 유효응력의 증가는 흙의 골격부 변형을 유도하고, 이러한 시간에 따른 변형의 증가는 구조물 기초부에 침하를 발생시키며, 구조물 기초부에 발생되는 부등침하 등의 영향은 구조물의 안정성에 크게 영향을 미치는 요인으로 작용합니다.
응력-침투 완전연계 해석 (Fully Coupled Stress-Seepage)
응력-침투 완전연계 해석은 정상상태의 간극수압이 유지된다는 가정이 없습니다. 따라서 비정상 상태의 침투현상과 응력해석 및 안정성을 완전 연계된 형태로 모사하는데 적합한 해석입니다. 압밀해석과 달리 침투 경계조건의 시간에 대한 변화, 경계 유량 등의 정의가 가능합니다.
즉, 응력-침투 완전연계 해석에서는 비정상 상태 침투해석의 경계조건과 구조적 하중 및 경계조건을 모두 사용할 수 있습니다.
강우에 따른 지반의 안정성 해석, 수위 변화에 대한 대규모 댐의 안정성 해석등에 적용할 수 있으며, 특히 침투경계조건 (Head/Flux)을 모두 활용하여 과잉간극수압 변화뿐 아니라, 전체 간극수압 변화를 고려한 압밀해석 수행 등 다양한 응용해석에 적합한 해석기능입니다.
정상류 침투해석 (Steady State Seepage Analysis)
정상류 침투해석은 지반 내부 또는 외부의 경계조건이 시간에 따라 변화하지 않는 경우의 해석입니다. 그러므로 해석영역에 존재하는 유입량과 유출량은 언제나 일치합니다.
비정상류 침투해석 (Transient Seepage Analysis)
비정상류 침투해석은 정상상태의 경계조건을 적용하더라도 시간차에의해 유입량과 유출량이 다르게 나타날 수 있습니다. 즉, 정상류 침투해석과 다른 점은 경계조건이 시간에 따라 변화하는 점과 체적함수비(volumetric water content)가 필요하다는 점입니다. 지하수위가 상승 또는 하강하는 경우, 상승속도 및 하강속도와 밀접한 영향 요소로 불포화영역의 함수비와 공극률 등이 필요합니다.
고유치해석 (Eigenvalue Analysis)
고유치해석은 구조물 고유의 동적 특성을 분석하는데 사용되며, 자유진동해석(free vibration analysis)이라고도 합니다. 고유치해석을 통해 구해지는 구조물의 주요한 동적 특성은 고유모드(또는 모드형상), 고유주기(또는 고유진동수), 그리고 모드기여계수(modal participation factor) 등이며, 이들은 구조물의 질량과 강성에 의해 정해집니다.
응답스펙트럼해석 (Response Spectrum Analysis)
응답스펙트럼 해석법은 모드별 시간응답의 절대 최대값인 스펙트럼데이터를 모드중첩의 원리를 이용하여 조합하는 해석기법입니다. 모드별로 최대값이 발생하는 시간의 동시성을 고려하지 않고 절대 최대값만을 조합하기 때문에 모달 선형시간이력해석법의 근사해라고 볼 수 있습니다. 대신, 모드별로 상관관계를 고려하여 모드조합을 수행하여, 동시성에 대한 오차를 보정합니다.
선형시간이력해석 (Time History Analysis)
시간이력 해석은 구조물에 동적하중이 작용할 경우에 구조물의 동적 특성과 가해지는 하중을 사용하여 임의의 시간에 대한 구조물 거동(변위, 부재력 등)을 동적 평형방정식의 해를 이용하여 계산하는 것입니다. 시간이력 해석을 위해 모드중첩법(modal superposition method)과 직접법 (direct method)을 사용하고 있습니다.
선형 해석의 특성상, 비선형성은 고려되지 않습니다. 비선형 재료를 사용한 경우, 등가의 선형탄성 재료로 변환되어 해석이 수행됩니다.
비선형시간이력해석(Nonlinear Time History Analysis)
시간이력해석에서도 지반 및 토목 구조물의 비선형성을 고려할 수 있습니다. 비선형 정해석과 마찬가지로 재료의 비선형성, 기하학적 비선형성, 그리고 하중 및 경계의 비선형성을 모두 또는 선택적으로 고려하여 해석을 수행할 수 있습니다.
일반적으로 대부분의 지반은 재료비선형 성질을 가지고 있기 때문에, 지반에 대한 동적응답은 비선형 시간이력 해석을 통해 정확한 모사가 가능합니다.
등가선형해석 (Equivalent Linear Analysis)
구조물이 건설되기 이전의 지반상태에서 지진입력에 대한 지반의 응답을 구하는 것을 자유장(free field)해석이라고 합니다. 자유장 해석은 설계응답스펙트럼을 결정하기 위한 지표면 진동예측, 액상화 평가를 위한 동적 응력과 변형률 산정 그리고 지반 또는 토류구조물의 불안정을 초래하는 지진하중의 결정 등에 주요 사용됩니다.
사면안정해석 (Slope Stability Analysis)
성토사면, 굴착사면의 안정해석은 지반공학에서 가장 빈번하게 다루어지는 문제들 중에 하나입니다. 사면은 중력에 의한 자중의 위치에너지를 항상 가지고 있는 상태이며, 여기에 간극수압, 재하중, 지진, 파력 등의 외력이 작용하면 사면의 안정은 크게 영향을 받습니다. 이때 자중 및 외력에 의해 발생되는 사면 내부의 전단응력이 사면 토질이 갖고 있는 전단강도보다 크게 되면 사면파괴의 파괴가 발생합니다. 이와 같은 전단응력과 전단강도에 따른 사면파괴에 대한 안정성을 안정계산에 의하여 검토하는 것을 사면안정 해석이라 합니다. GTS NX에서는 유한요소방법으로 사면안정 해석을 수행하는 방법인 강도감소법(strength reduction method)과 한계평형법에 근거한 응력해석법(stress analysis method)을 사용할 수 있습니다.
비선형 시간이력해석 + SRM
일반적인 강도 감소법(SRM)에 의한 사면안정해석은 정적인 상태에 대한 안정성 평가에 사용할 수 있습니다. 하지만 사면은 지진과 같은 동적 하중 상태에 대하여 더 취약할 수 밖에 없습니다. 동적인 평형상태에서는 지반은 자중에 뿐만 아니라, 진동에 의한 관성력에 의하여 응력이 발생하게 됩니다.
GTS NX에서는 이러한 동적 평형상태에 대한 사면안정해석을 수행할 수 있습니다. 사면 안정해석은 강도 감소법을 기초로 하며, 2차원뿐만 아니라, 축대칭, 3차원 문제에도 적용 가능합 니다.
비선형 시간이력 해석 중 입력된 시간에 대해 그 시점의 지반 응력상태를 기초로 사면안정성을 계산할 수 있습니다.
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