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시공단계 해석

시공단계 해석을 이용하여 지반의 시공과정을 수치해석으로 모사할 수 있습니다. 시공단계 해석은 여러 ‘단계(stage)’로 이루어져 있으며, 각 단계별로 load/경계 조건의 추가 및 제거, 요소의 추가 및 제거가 가능합니다. 이러한 load/경계 또는 요소의 변화는 각 단계의 시작점에서 적용됩니다. midas GTS NX에서는 다음과 같은 다양한 종류의 해석기능을 사용하여 시공단계 해석을 진행할 수 있습니다.

[응력-비선형동해석]은 정해석 결과로부터 동해석의 초기응력 상태를 계산하여 내진검토를 한 번에 수행할 수 있는 시공단계세트입니다.
정해석과 동해석에 사용되는 element/경계/하중 조건을 달리하여 실제 거동을 모사할 수 있습니다. 단, '비선형동해석'은 시공단계의 제일 마지막에만 배치할 수 있고,
'응력해석'이 비선형 해석인 만큼 해석의 연계성을 고려하여 '비선형시간이력'해석을 제공합니다.

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)
예를 들어 터널의 시공단계는 아래와 같이 구성할 수 있습니다.
- 1단계 : 원지반 응력,
- 2단계 : 제1막장 굴착,
- 3단계 : 제1막장 보강 + 제2막장 굴착,
- 4단계 : 제2막장 보강 + 제3막장 굴착,
- 5단계 : 제3막장 보강 + 제4막장 굴착,
- ……… (반복) …………
위에서 1단계는 원지반응력 계산을 위한 단계입니다. 특히 지반에 대한 응력해석은 일반적으로 원지반 상태를 초기상태로 가정하므로 원지반 상태의 응력상태를 계산할 필요가 있습니다. midas GTS NX에서는 자중해석을 통해 원지반 응력을 계산할 수 있습니다.

시공단계해석 중에 추가되는 요소는 기본적으로 ‘0(zero)’인 초기 응력값을 갖습니다. 단, 프리스트레스 (prestress)가 해당 요소에 정의된 경우, 정의된 프리스트레스 응력을 초기 값으로 갖습니다. 자중이 정의된 경우, 추가되는 요소는 자중에 의한 체적력을 갖게됩니다. 추가된 요소가 Modified Cam-clay 재료모델을 사용하는 경우, 추가된 단계에서는 선형탄성 성질을 갖게되며 해당 단계의 load/경계 조건에 따라 초기 응력상태가 결정됩니다.
요소의 등장에 따라 존재하지 않던 절점이 추가될 수 있으며, 처음 등장한 절점의 변위 또한 ‘0 (zero)’이 됩니다.
요소가 삭제되면, 하중분담률이 추가로 정의되지 않은 삭제된 요소가 담당하던 내력은 더 이상 고려되지 않으며, 이에 따라 전체 응력상태가 재분배 됩니다.

시공단계 해석 중 모델링을 단순화하기 위해 하중분담율 개념을 사용할 수 있습니다. 하중 분담율을 이용하여 요소 삭제의 효과가 이후 단계에 순차적으로 적용되도록 하는 수치해석적 기법입니다. 하중분담율은 3차원모델을 2차원으로 단순화하여 모델링 하거나, 3차원 모델의 시공단계를 축소하여 해석할 때 사용할 수 있습니다.
예를들어, 굴착단계부터 연속한 3단계에 걸쳐 40%, 30%, 30%의 응력이완이 발생한다고 가정할 때, 굴착단계를 정의하고 정의된 굴착단계에서 하중분담율 옵션을 활성화 합니다. 옵션 창에서 ‘after 0, 1, 2 stage’에 각각 0.4, 0.3, 0.3의 하중분담율을 입력하면 됩니다.

시공단계해석 중에 지반교란이나 개량, 시간에 따른 경화 등을 모델링 하기 위해 지반 물성을 바꾸어야 하는 경우도 있습니다. 또한 라이닝 콘크리트의 경화나 라이닝 두께의 변화 등과 같이 중간에 구조물의 물성이 바뀌는 경우도 있습니다. 이를 위해 횟수의 제한 없이 특정 요소의 재료 물성을 바꿀 수 있습니다. 바뀐 물성은 이전 단계 요소 결과(예를 들어 변위, 응력, 변형률 등)에 연속되어 해석이 수행됩니다.
주의) 물성 변환 기능을 사용하는 경우 주의를 요합니다. 시공 단계 해석 시 굴착 후 다른 재료로 채우는 경우, 실제로 요소의 제거와 추가를 하지 않고 물성변환만을 사용하여 모델링 하는 경우가 있습니다. 이때 이전 단계 응력상태를 그대로 다음 단계 해석에 반영하기 때문에 물성변환에 의해 물리적으로 맞지 않는 거동을 하게 됩니다. 따라서 물성 변환기능은 요소를 제거하고, 다시 추가하는 단계에서 수행해야 적용해야 의도된 결과를 얻을 수 있습니다. 요소가 새롭게 추가되는 경우 내부적으로 새롭게 생성되는 요소의 응력과 변형률 및 내부 상태변수 등은 ‘0(zero)’으로 초기화 됩니다.

원하는 요소와 시공단계에 대해서만 비배수해석을 수행할 수 있습니다. 비배수 해석을 적용하기 위해서는 다음 두가지 조건을 모두 만족해야 합니다. 첫 번째로 재료 모델에서 배수 파라미터를 비배수 타입으로 설정하고, 두 번째로 시공단계의 해석제어에서 비배수 조건에 체크해야 합니다. 만약 재료 모델에서 비배수 타입을 설정하더라도 시공단계에서 비배수 해석을 체크하지 않으면 재료는 해당 단계에서 배수해석을 수행합니다. 반대로 재료 모델에서 배수 물성을 정의하고 시공단계에서 비배수 해석에 체크하는 경우도 마찬가지로 배수 거동을 보입니다. 비배수 해석을 수행하기 위해서는 재료모델의 배수 파라미터를 비배수타입으로 설정하고, 시공단계 정의시 단계별 해석제어에서 비배수 조건에 체크해야 합니다.
- 정적 선형/비선형 해석, 또는 사면안정검토와 같은 단일 해석케이스에서는 해석옵션>비배수 재료거동 허용 옵션을 체크할 수 있습니다.

최종 수정일: 2026-03-19