질문
Singular 오류가 발생하고 특정 노드에서 변위가 비정상적이라는 오류가 발생 합니다.
경계조건 group의 지진 시 X방향 경계조건 누락 때문인가요? 그렇다면, 어떻게 지반반력계수를 적용해야 할까요?
답변
해당 오류는 지중구조물 모델링에서 특정방향 (X방향)에서 무한 변위가 발생하여 오류로 나타나는 경우가 많습니다.
예를 들어 양단이 롤러인 보에 수평력이 작용한다면, 수평방향에 대한 아무런 경계조건이 없기 때문에, 아무리 작은 하중에도 무한대의 변위가 발생하게 됩니다. 이러한 상태를 "불안정"한 상태라고 합니다.
해석 모델이 이런 조건에 놓여 있다면, Singular 에러 혹은 Abnormal displacement 와 같은 오류를 발생하게 됩니다.
이러한 "불안정"한 상태의 구조물은 주로 지중구조물을 설계할 때, 지반 스프링이 고려되었을 때에 발생합니다.
지반의 전단 강성을 포함 한다면 , 별도의 경계 조건을 입력할 필요가 없습니다.
다만, 지반의 전단 강성을 고려하지 않는다면, 지중구조물의 경계조건은 불안정한 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 위한 수평방향 경계조건을 입력해 주어야 합니다. 이때 입력하는 경계조건은 실제로 존재하는 것이 아니기 때문에 구조물에 영향을 주지 않도록 입력해야 합니다.
수평지반반력계수는 일반적으로 연직지반반력계수의 약 1/3 정도로 적용할 수 있습니다. 수평지반반력계수를 적용할 경우 수평방향으로 구조적 안정성을 확보할 수 있습니다.
그러나 수평지반반력계수를 적용하지 않을 경우에는 수평방향으로 적절한 절점에 수평방향 미소강성을 재하하거나 구조물이 비대칭일 경우 수평방향 하중의 차이로 인한 지지점 구속이나 보강 대책이 필요합니다.
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.