질문 質問
강체링크요소 자동생성은 왜 필요한가요?
剛体リンク要素の自動生成はなぜ必要ですか？
답변 回答
SoilWorks에서 ‘경계면 요소’를 생성하는 방식에는 크게 5가지가 있으며, 생성 방식의 차이만 있을 뿐 실제 경계면 요소의 계산 방식이나 거동 특성은 동일합니다. 특히, SoilWorks의 경계면 요소는 접촉면 거동을 나타내기 위한 ‘Contact Element’의 일종으로 절점과 절점을 연결하는 방식을 취하고 있기 때문에 경계면 요소를 적용하게 되면, 경계면 요소의 양 옆에 존재하는 재료에서는 절점이 분리된다는 점을 인지해야 합니다.
SoilWorksで[境界面要素]を生成する方法は大きく5種類あり、生成方法の違いだけで、実際の境界面要素の計算方法や挙動特性は同じです。特に、SoilWorksの境界面要素は接触面挙動を表すための「Contact Element」の一種で、節点と節点を接続する方式をとっているため、境界面要素を適用すると、境界面要素の両側に存在する材料では接点が分離されることを認識する必要があります。
예를 들어, 그림 1 과 같이 연속되어 있는 2개의 지반을 모델링 하게 되면 접해있는 경계면 상의 절점번호는 서로 동일한 것을 확인할 수 있습니다.
例えば、図1のように連続している2つの地盤をモデル化すると、接している境界面上の節点番号は互いに同じであることが確認できます。
(a) 지반 형상 (a)地盤形状 b) 지반 절점 정보(b)地盤節点情報
그림 1. 경계면 요소 생성 전 지반 정보
図1.境界面要素生成前の地盤情報
‘지반 1’과 ‘지반 2’ 경계면에 미끄러짐 거동을 모사하고자 ‘모델 > 요소 > 경계면요소’의 ‘요소경계로 생성(요소망)’ 방식으로 경계면 요소를 생성한 후의 지반 절점 정보는 그림 2 와 같습니다. ‘지반 1’의 우측 경계의 절점번호는 그대로 이지만, ‘지반 2’의 좌측 경계의 절점번호는 변경되어 연결되어 있던 두 지반이 분리된 것을 확인하실 수 있습니다.
'地盤1'と'地盤2'の境界面に滑走挙動を模擬するため、'モデル > 要素 > 境界面要素'の'要素境界で生成(要素網)'方式で境界面要素を生成した後の地盤節点情報は、図2のようになります。 地盤1'の右側境界の節点番号はそのままですが、'地盤2'の左側境界の節点番号は変更され、接続されていた二つの地盤が分離されたことが確認できます。
그림 2. 경계면 요소 생성 후 지반 정보
図2.境界面要素生成後の地盤情報
상세 확인을 위해 표를 통해 경계면 요소들의 절점정보를 확인해 보면 그림 3(a) 와 같습니다. 경계면 요소 [51]은 절점 [1, 2, 67, 68]을 갖고 있으며, 절점 [1, 2]는 ‘지반 1’에 존재하는 절점이지만 절점 [67, 68]은 ‘지반 2’에 존재하는 절점으로 확인 되었습니다. 즉, 경계면 요소를 생성함에 따라 기존 요소들은 분리되었지만 분리된 각 절점들은 경계면 요소와 연결이 되었다는 것을 알 수 있습니다(그림 3(b) 참조).
詳細確認のため、表を通じて境界面要素を確認すると、図３（a）のようになります。境界面要素[５１]は節点[1,2,67,68]を持っており、節点[1, 2]は'地盤1'に存在する節点ですが、節点[67, 68]は'地盤2'に存在する節点として確認されました。 つまり、境界面要素を生成することで、既存の要素は分離されましたが、分離された各節点は境界面要素と連結されたことが分かります(図3(b)参照)。
(a) 경계면 요소 절점 정보
(a) 境界面要素節点情報
(b) 지반-경계면 요소 모식도
그림 3. 경계면 요소 상세 정보
(b) 地盤-境界面要素模式図
図3.境界面要素の詳細情報
지반과 경계면 요소를 해석에 동시에 사용하게 되면 모든 절점은 연결되어 있기 때문에 문제가 발생하지 않습니다. 그러나 경계면 요소를 고려하지 않는 원지반 상태에서는 지반 사이에 절점이 분리되어 있어 해석 시 에러가 발생합니다.
地盤と境界面要素を同時に解析に使用する場合、すべての接点は接続されているため、問題は発生しません。しかし、境界面要素を考慮しない原地盤状態では、地盤の間に節点が分離されているため、解析時にエラーが発生します。
즉, 분리된 지반 절점을 ‘강체링크요소(Rigid Link Element)’를 사용하여 연결 시켜야 합니다. ‘X-Z’ 2차원 평면에서는 [DX, DZ]에 대해 구속하고, 지반은 회전 자유도가 없기 때문에 회전에 대한 구속조건은 설정하지 않습니다. 이런 강체링크요소는 ‘모델 > 요소 > 링크’ 기능으로 사용자가 직접 분리된 지반 절점을 선택하여 연결시켜야 하지만 경계면 요소를 생성하는 단계에서부터 자동적으로 생성되도록 편의성을 제공하고 있습니다(그림 4(a) 참조).
つまり、分離された地盤節点を「剛体リンク要素(Rigid Link Element)」を使用して連結させる必要があります。 X-Z」2次元平面では[DX,DZ]に対して拘束し、地盤は回転自由度がないため、回転に対する拘束条件は設定しません。 このような剛体リンク要素は「モデル > 要素 > リンク」機能でユーザーが直接分離された地盤節点を選択して連結させる必要がありますが、境界面要素を生成する段階から自動的に生成されるように利便性を提供しています(図4(a)参照)。
(a) 강체링크요소 자동생성 （a）剛体リンク要素の自動生成 (b) 강체링크요소 절점 정보（b）剛体リンク要素節点情報
그림 4. 강체링크요소 상세 정보
図4.剛体リンク要素の詳細情報
그림 4(b)는 강체링크요소의 절점 정보입니다. 각각 분리된 ‘지반 1’의 절점과 ‘지반 2’의 절점을 연결시켜주고 있는 것을 확인할 수 있습니다. 이렇게 생성된 강체링크요소는 경계면 요소를 적용하기 전 단계에 지반 연결을 위해 정의하고, 경계면 요소를 적용하여 미끄러짐 거동을 모사하는 단계에서는 제거하여 분리된 지반 절점들을 한시적으로 묶어주는 역할로 사용합니다. 추가적으로 지반과 구조부재 사이에 경계면 요소를 생성하는 경우에도 지반은 절점이 분리되기 때문에 원지반 상태를 모사하기 위해 강체링크요소로 지반을 연결시키는 작업이 필요합니다.
図4（ｂ）は剛体リンク要素の節点情報です。それぞれ分離された[地盤1]の接点と[地盤２]の接点を連結させていることが確認できます。このように生成された剛体リンク要素は、境界面要素を適用する前の段階で地盤接続のために定義し、境界面要素を適用してスリップ挙動を模擬する段階では、除去して分離された地盤節点を一時的に結びつける役割として使用します。さらに地盤の構造部材の間に境界面要素を生成する場合にも、地盤が節点が分離されるため、原地盤の状態を模擬するために剛体リンク要素で地盤を接続する作業が必要です。