질문
불안정상태를 피하기 위한 경계조건 설정은 어떻게 하나요?
답변1
불안정한 상태를 피하기 위한 경계조건을 추가로 입력해야 합니다.
아래 그림과 같이 양단이 롤러인 보에 수평력이 작용한다면, 수평방항에 대한 아무런 경계조건이 없기 때문에, 아무리 작은 하중에도 무한대의 변위가 발생하게 됩니다. 이런 상태를 “불안정”한 상태라고 합니다.
해석 모델이 이런 조건에 놓이게 되면, 아래 그림과 같은 "ABNORMAL" 메시지나 "SINGULAR" 워닝 메시지를 출력하여 경고합니다.
이럴 때에는 워닝 메시지를 방지하기 위해 가상의 수평방향 경계조건을 추가로 입력해 주어야 합니다. 이때 입력하는 경계조건은 실제로 존재하는 것이 아니기 때문에 구조물에 영향을 주지 않도록(반력이 생기지 않도록) 주의하셔야 합니다.
예시를 보겠습니다. 모델에서 정의한 경계조건이 지반의 전단강성을 포함하고 있다면, 별도의 경계조건을 더 입력할 필요가 없을 것입니다. 하지만 경계조건이 지반의 전단강성을 포함하지 않는다면 지중구조물의 경계조건은 아래 그림과 같은 상태가 됩니다.
이 상태에서는 수평방향 경계조건이 없으므로, 프로그램에서는 Singular Error를 출력하고, 이런 결과는 신뢰할 수 없는 값이 출력될 수도 있습니다. 이럴 때에는 Singular Error를 방지하기 위해 가상의 수평방향 경계조건을 입력해 주어야 합니다.
많은 사용자들이 Singular Error를 방지하기 위한 경계조건으로 DX방향 Support를 입력합니다. 틀린 것은 아니지만, 좋은 방법은 아닙니다. 연직방향 하중만 있고, 구조물이 대칭일 때에는 이렇게 입력해도 무방합니다. 하지만 수평하중이 비대칭으로 작용하고, 구조물도 좌우 대칭이 아니라면, 입력한 경계조건에서 수평반력이 생길 수 있습니다. 이는 처음 의도한 구조계와 전혀 다른 상황입니다.
구조물에 최대한 영향을 주지 않으면서, Singular Error를 방지하기 위해 Point Spring Supports를 사용하는 것이 좋습니다. 이때, 강성을 최대한 작게 입력해서 구조물에 거의 영향을 미치지 않도록 합니다. 입력위치도 구조물의 가운데에 넣거나, 대칭으로 입력하는 것이 좋습니다. 2D해석에는 DX 방향만 추가하면 되고, 3차원 해석이라면 DX, DY방향에 모두 강성이 작은 경계조건을 입력합니다. 이때에도 비대칭이 발생하지 않도록 구조물의 사방에 배치하도록 합니다.
이렇게 입력했다 하더라도, 해석 후에는 반드시 반력을 확인해야 합니다. 이 경계조건들은 실제 존재하는 것이 아니기 때문에, 반력이 “0”이거나 “0”에 가까운 값으로 나와야 구조계에 영향을 미치지 않습니다.