질문
강체링크요소 자동생성은 왜 필요한가요?
답변
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.
예를 들어, 그림 1 과 같이 연속되어 있는 2개의 지반을 모델링 하게 되면 접해있는 경계면 상의 절점번호는 서로 동일한 것을 확인할 수 있습니다.
(a) 지반 형상 (b) 지반 절점 정보
그림 1. 경계면 요소 생성 전 지반 정보
‘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.
그림 2. 경계면 요소 생성 후 지반 정보
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).
(a) 경계면 요소 절점 정보
(b) 지반-경계면 요소 모식도
그림 3. 경계면 요소 상세 정보
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.
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).
(a) 강체링크요소 자동생성 (b) 강체링크요소 절점 정보
그림 4. 강체링크요소 상세 정보
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.