지반 해석 (Geotechnical Analysis)

일부 구조해석 소프트웨어와 달리, LUSAS Civil & Structural plus 및 LUSAS Bridge plus 소프트웨어 제품은 적절한 지반공학, 비선형, 동적, 열/필드 소프트웨어 옵션과 함께 사용될 경우, 지반 전용 해석 도구와 일반 구조공학 해석 도구를 폭넓게 제공하여 하나의 모델에서 지반과 구조물을 동시에 2D 또는 3D 유한요소 모델링할 수 있습니다.

각 모델 내에서 다중 해석을 수행할 수 있으며, 최신 선형 및 이차 요소 라이브러리, 고급 재료 모델, 선형 및 비선형 접합(joint) 모델을 통해 다양한 지반–구조 상호작용 문제를 해결할 수 있습니다.

모델링

• LUSAS 모델은 점, 선, 면, 체적를 지칭하는 Feature 기반 모델 방식으로 생성됩니다.
  LUSAS Modeller의 핵심 기능인 연계성(associativity) 에 의해, 모델 형상이 변경되면 할당된 하중, 지점, 메시 및 기타 속성이 자동으로 갱신됩니다.
• CAD 가져오기/내보내기 기능을 통해 DXF 파일의 점·선 데이터, IGES/STEP 인터페이스를 통한 점·선·면·체적, STL을 통한 삼각형 표면 데이터를 가져올 수 있습니다.
  CAD 스타일의 도면 도구를 사용하여 복사, 회전, 축척, 변환, 돌출 등의 다양한 모델링 작업이 가능합니다.
• 2D 모델링에서는 지형 점 데이터를 이용해 스플라인을 생성하고 이를 스윕하여 지층을 정의할 수 있습니다.
  경계 점과 선으로 면을 정의하고 이를 스윕하여 토체를 생성할 수 있으며, 구조물과 지반 요소를 그룹화하여 모델링할 수 있습니다.
  3D 모델링에서는 평면 또는 곡면을 스윕하여 다중 체적을 생성하고, 교차 및 차집합 명령으로 체적을 분할하거나 공동(void)을 만들 수 있습니다.
• 사각형/삼각형 요소를 이용한 자동 2D 메시, 사면체/오각기둥/육면체 요소를 이용한 자동 3D 메시 기능으로 모델링 속도를 크게 향상시킬 수 있으며, 다양한 메시 세분화 기법도 제공합니다.
• 임의의 지반 형상에 대해 K₀ 값을 포함한 초기 응력 상태를 계산하여 적용할 수 있습니다.
• 지반 구성 모델로는 Mohr–Coulomb, Modified Cam-Clay, Tresca, Von Mises, Drucker–Prager, Duncan–Chang, Hoek–Brown 모델을 제공합니다.
• 선택된 재료에 2상 재료 물성을 추가하여 비배수/완전 포화 및 배수/불포화 다공성 매질의 변형과 느린 압밀 과정을 모델링할 수 있으며, 부분 배수 재료에 대해 배수 및 채움 곡선도 정의할 수 있습니다.
• 수위가 알려진 경우 자유수면(phreatic surface) 레벨을 정의하여 간극수압을 산정할 수 있으며, 공극률과 투수계수를 기반으로 해당 위치 사이의 수위와 압력을 계산할 수 있습니다.
  또는 파이조미터 측정값이나 시추공 데이터에 기반하여 간극수압을 정의할 수도 있습니다.
• 지반 물성의 깊이 방향 변화를 지반 프로파일로 정의하면, LUSAS가 정의된 위치 사이를 보간하여 적용합니다.
• 비선형 스프링을 사용하여 능동/수동 토압 조인트를 모델링할 수 있으며, 인터페이스 메시를 통해 지반과 구조물을 연결할 수 있습니다. 접촉의 발생/소실 및 주면 마찰도 고려할 수 있습니다.
• 3D 모델에서 말뚝군 위에 놓인 파일캡을 표현하기 위해 물성 행렬(matrix) 을 지정할 수 있습니다.
• 삼선형(능동/수동) 토압 조인트 재료 위자드는 깊이에 따라 물성이 변하는 구간별 선형 조인트 재료 속성을 생성하여 다양한 지반–구조 상호작용 문제의 모델링을 단순화합니다.
  수분 존재로 인한 물성 변화나 지층을 표현하기 위해 여러 속성을 정의할 수 있습니다.
• Mohr–Coulomb 또는 Hoek–Brown 재료 모델로 표현된 지반에 대해 Φ–c 저감 해석을 수행하여 지반 안정성과 안전율을 평가할 수 있습니다.
• 충격 또는 시간이력 해석을 위한 시간 의존 하중과 비반사 경계를 사용하여, 서브모델 외부로 에너지를 전달함으로써 보다 현실적인 응답 및 간섭 효과를 모델링할 수 있습니다.
• 해석을 중단하지 않고 여러 시공 단계에서의 안전율을 검토하기 위해 분기 해석(branched analysis) 을 사용할 수 있습니다.

적용 사례

LUSAS는 선형, 비선형, 내진, 폭발, 좌굴, 충격 및 열/필드 해석을 포함하여 토목, 구조 및 교량 공학 전 분야에서 사용됩니다.
단순 슬래브, 건물, 타워, 탱크, 교량부터 댐, 부두, 터널과 같은 대형 토목 구조물까지 다양한 구조물에 적용할 수 있습니다.

일반적인 지반공학 및 지반–구조 상호작용 적용 사례는 다음과 같습니다.

• 굴착/시공과 함께 가설 지지 및 잭킹 부재의 설치·제거를 포함한 시공 단계 모델링

• 성토체 및 사면 안정성 평가, 임시 굴착으로 인한 인접 구조물 안정성 검토

• 굴착부 되메우기 및 개착식(cut-and-cover) 터널 구조

• 간극수압 모델링을 포함한 침하 및 압밀 해석

• 부분 포화 다공성 매질에서의 배수 및 침투 해석
  (예: 자유수면 위치가 중요한 토댐 내부의 침투 유동)

• 재료 감쇠, 비선형 거동, 지반 소성, 경계 거동, 스프링/댐퍼를 포함한 모달 및 시간이력 동적 해석

• 말뚝 항타로 인한 인접 건물 진동 평가 및 철도 터널에서 발생하는 진동에 대한 건물 응답을 포함한 지반–구조 상호작용 해석

• 말뚝 및 말뚝군의 횡변위 해석

• 일체식 교량(Integral bridges)

종속 소프트웨어 옵션

지반 소프트웨어 옵션을 사용하려면 수행할 모델링에 따라 다음의 하나 이상의 다른 소프트웨어 옵션이 같이 선택되어야 합니다.

• 비선형 해석

• 동적 해석

• 열 / 필드 해석