ACS-SASSI

ACS SASSI는 Coherent와 Incoherent 지반 지진 운동, 외부진동 및 충격에 의한 지중 구조물과 지반과의 상호작용 유한요소 해석에 특화된
최정상급 3차원 비선형 동적 지반-구조물 상호작용(Nonlinear Seismic Soil-Structure Interaction) 해석 프로그램입니다.

ACS SASSI의 특징

ACS SASSI는 미국 Berkeley(UCB)대학의 SASSI (MS-DOS)프로그램의 모든 기능뿐만 아니라, 여러 가지 새로운 기능의 추가와 그래픽 전. 후 처리기(GUI)를 탑재한 완벽한 윈도우용 SSI해석 프로그램입니다. 또한, ACS SASSI를 사용하면 PC 상에서 복잡한 형상의 3차원 다층 매립구조물에 대한 SSI 해석을 효과적으로 정확히 수행할 수 있습니다.

ACS SASSI는 현존하는 가장 진보된 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction ; SSI) 해석 프로그램으로서 유한요소해석 방법을 적용하여 얕은 기초부터 깊은 기초, 그리고 매립된 구조물, 강체 기초, 유연한 기초, 그리고 Pile에 관한 SSI 해석을 수행하기 위하여 실행 File, 사용자 지침서와 검증 자료를 갖춘 세트로 구성되어있습니다.

ACS SASSI는 표면파와 체적파, 임의의 방향에 대한 입력운동의 비연계성과 파 진행, 독립기초를 위한 다중지지점 입력, 그리고 선형과 등가 선형을 통한 비선형 SSI 해석 등을 수행할 수 있습니다.

• 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)

  GUI를 이용하여 모델정의 및 생성, 재료속성, Soil-Layer, Seismic Function 및 하중들을 매우 쉽고 간편하게 입력할 수 있으며, 다양한 그래프와 Stress Contour 및 Vector, Displacement 등의 해석 결과를 간편하게 검토할 수 있습니다.
  또한 모델, 지층 구조, 시간이력과 지반 특성 곡선 등을 보여주며 이러한 그래픽 도구들은 응답시간이력, 전달함수 및 응답스펙트럼 등의 SSI 해석결과를 볼 수 있습니다.

• Problem 크기

  ACS SASSI는 약22,000개의 절점을 가진 유한요소 모델 까지 시험되었습니다. 이는 사실상 사용자의 컴퓨터 성능과 디스크 저장용량의 문제로 소프트웨어상의 모델 사이즈 제한은 없다고 할 수 있습니다.
  SSI 해석은 매립된 부분의 크기에 따라서 수십 ~ 수백 GB 정도의 하드디스크 용량이 필요해진다. 따라서 깊게 매립된 SSI 시스템의 해석을 위해서는 유연체적법(Flexible Volume Method)보다 새로이 도입된 유연경계법(Flexible Interface Method)의 적용을 권장합니다.

• 진동수 보간법

  복잡한 응답함수와 응력전달(TF)의 효율적인 보간 및 보간 정밀도가 향상된 새로운 보간법 추가.
  매우 어려운 응답을 계산하기 위하여 진동수 보간을 통해 얻어진 평균 보간값을 적용할 수 있습니다.

• 모델 변환 및 지진파 입력

  ANSYS(CDB file) 또는 기존 SASSI(Fixed format) 파일 변환 기능을 사용하여 모델을 불러올 수 있습니다.
  1차원 전응력 지진가속도 입력을 위한 SHAKE91 기능이 포함되어 있어, 별도의 Shake 프로그램 없이 지진가속도를 생성하고 입력할 수 있습니다.

• NQA 검증 (Nuclear Quality Assurance Program)

  ACS SASSI는 US NRC로부터 NQA-1 Level 프로그램 인증을 획득한 프로그램입니다.
  (10 CFR50 Appendix B, 10 CFR21, ASME NQA-1-1994, ASME-NQA-1-1995 Addenda Subpart 2.7)
  ACS SASSI NQA 버전에서는 약 30개의 NQA SSI검증 파일과 200페이지의 검증 매뉴얼, 5,000개 이상의 검증 파일을 제공 합니다.

• 파라미터 단위체계

  SSI 해석에서 모든 프로그램 모듈 간에 입력 데이터의 단위가 일치하는 한 어떠한 단위체계를 사용해도 됩니다.
  * 주) SITE 와 연속하는 HOUSE 에 대한 입력데이터는 SOIL 에 사용된 것과 부합되어야 합니다.

ACS SASSI의 추가기능

Mainframe 상의 원래의 SASSI 프로그램과 비교해 새로워지고 추가된 기능은 다음과 같습니다.

• 시간에 따라 지진 성분간에 변화되는 상관함수 또는 비상관성을 가정하여 주어진 지반응답스펙트럼과 부합하는 3가지 성분의 지진운동 작성
• 파전달(주요 또는 전체 비선형성)에 의한 지반의 비선형 거동을 포함하는 비선형 SSI해석
• 비대칭 구조물/기초에 의한 효과를 고려할 수 있는 입력지진의 비연계성과 파 진행 효과를 고려
• 입력지진의 비연계성 해석은 평면파의 비연계성과 파 진행 효과를 고려
• 1986년 Luco-Wong 모델, 1993년과 2005년의 Abrahamson 모델 등 3개의 위상차를 갖는 비연계 모델이 제공됩니다. Luco-Wong 모델은 지반조건에 바탕을 둔 반면, Abrahamson 모델은 지반조건에 구속받지 않는 경험적 방법에 바탕을 두고 있다.
  지진운동의 Incoherent 효과는 대규모 기초 및 비틀림 편심을 갖는 구조물에 중요하다. SSI에서 지진운동의 포괄적인 Incoherent 효과는 구조물의 수평 병진 및 Rocking 운동을 감소시키고 비틀림 운동을 증가시키기 위해서이다. 비틀림 편심이 없는 구조물에 대해서 이러한 효과는 매우 중요하다.
• 임의의 수평방향을 따라가는 파전달 효과
• 교량, 댐, 터널 등의 대규모 다중 기초를 위한 다중 지진파 및 진동 데이터 입력
• 임의형상의 기초에 대해 등가의 전체 임피던스를 직접 계산, 그리고 이로부터 공학적 판단에 유용한 SSI 시스템의 유효 감쇠비의 계산
  등가의 전체 임피던스는 묘사된 기초의 동적거동에 대한 공학적 판단에 유용하다. ACS SASSI는 또한 기초운동의 유효 감쇠비를 계산합니다.
  유효 감쇠비는 구조물-지반 시스템의 거동을 해석하는데 유용하기도 하고, 기초에 대한 지반 스프링-감쇠 요소에 독립적인 조정된 진동수를 사용하는 비선형 시간이력해석 또는 SSI 모드해석 수행에 있어서 입력 지반 파라미터로도 사용될 수도 있다.
• 자유장에서의 파전달에 의해 모델 전반에 발생하는 비선형성과 SSI 효과에 의해 국부적으로 발생하는 비선형성 모두를 고려할 수 있는 등가선형 모델을 사용한 지반 비선형 SSI 해석. 국부적인 비선형은 근역의 지반요소를 사용함으로써 구현할 수 있다. SSI 해석을 위해서 ACS SASSI는 맨 처음의 반복 계산 후, 자유장의 유효지반특성을 적용하여 기초의 임피던스 행렬을 구하는 방법으로 고속 SSI 해석을 수행할 수 있다.
• 구조물에서의 대략적인 상대변위를 계산하는데 유용한 응답 가속도/변위 시간이력의 산출을 위한 적분 기능
• 응력에 영향을 주는 진동수 Cut-Off를 평가하는데 유용한 구조물 보/기둥 요소에 대한 부재력과 모멘트 전달함수의 출력

ACS SASSI의 모듈 구성

ACS SASSI는 원래의 SASSI에 비해 추가적인 몇 개의 모듈을 더 포함하여 총 13개의 상호연관된 모듈 (EQUAKE, SOIL, PILE, LIQUEF, SITE, POINT2, POINT3, FORCE, HOUSE, PINT, ANALYS, MOTION, STRESS, COMBINE)로 구성되어 있다.

새로운 기능들은 새로운 EQUAKE, SOIL, LIQUEF, PINT 모듈에 포함되어 있거나, 원래의 모듈에 삽입되어 있다.

새로운 옵션은 SASSI 사용자에 의해 쉽게 다루어 질 수 있으며 다소의 추가적인 입력 자료가 필요하다.

원래의 SASSI에 추가로 ACS SASSI는 MAIN과 PREP라는 두 개의 새로운 모듈을 제공한다.

ACS SASSI의 MAIN은 모델 정보 관리, 선택된 모듈 작동, 결과파일 표시의 기능을 수행한다.

ACS SASSI의 PREP는 모든 SASSI 모듈들에 대한 데이터를 다룰 수 있는 전처리 모듈로서 그래픽, 광범위한 체크, 도움말 체계를 포함하고 있는 사용자편의 방식이다.

ACS SASSI의 기능

• 지반과 구조물의 이상화 및 모델링

  • 부지는 Rigid Base 또는 반무한 탄성 혹은 점탄성 Half-Space 위의 반무한 탄성 또는 점탄성의 수평방향 지반층상으로 구성
  • 절점들을 연결하는 표준 2차원 또는 3차원 유한요소를 사용하여 구조물을 체계화
  • 구조물상의 각 절점들은 6개까지의 변위자유도를 가질 수 있다. 사용자는 과제의 규모를 축소시키기 위해 하나 이상의 자유도를 삭제할 수 있다.
  • 구조물과 공유하는 절점에 연결된 표준 평면변형도 요소 또는 3차원 솔리드 요소를 사용하여 굴착지반지역을 이상화시킬 수 있다.
  • 기초 내부를 포함한 기초의 모든 절점에서 함수와 구조물간의 상호작용이 발생.
  • 모든 상호작용 절점들은 병진자유도를 갖는 지반층상 접촉면에 위치한다. 절점 병진운동은 구조물의 회전운동으로 변화된다.
  • 분포질량행렬을 사용한 보요소 및 집중질량행렬을 사용한 평판요소의 경우를 제외하고 질량행렬은 50%는 집중질량, 50%는 분포질량으로 가정한다.
  • 복잡한 계수를 사용한 재료감쇠는 진동수에 독립적이며 , 요소 간에 변화될 수 있는 유효감쇠비를 이끌어낸다.
  • ACS SASSI에 포함된 모델링 기능을 사용하여 간단한 모델을 직접 생성할 수 있습니다.
  • 매우 복잡한 모델의 경우, 다른 구조해석 프로그램이나 CAD 프로그램의 Geometry(Node. Member, Element)데이터를 이용하여 간편하게 모델을 생성 시킬 수 있습니다.
  

• Coherent & Incoherent 지진 운동

  대규모 기초 또는 비틀림 편심을 갖는 구조물에 대한 3가지 Incoherent 지진운동 입력 (EPRI reports)
  (AS, SRSS, Simulation Incoherent Approaches)
  1) Luco-Wong Model (1986)
  2) Abrahamson Models (1993, 2005, 2006, 2007a, 2007b) - all sites & all foundations

  

  [Coherent vs. Incoherent Seismic Soil Motions for 500ft x 500ft]

• 파전달 효과 및 다중 지진파 입력

  • 임의의 수평방향을 따라가는 파전달 효과
  • 교량, 댐, 터널, 원전 시설물 등의 대규모 기초의 SSI해석을 위하여 각각의 지점에 서로 다른 지진파 및 진동 데이터를 입력
  • 이 다중 지진파 입력은 motion incoherency와 직접 파전달 옵션과 함께 사용이 가능
  

  [Multiple Seismic Motion Inputs]

• 동적 하중재하

  • 시간에 따라 지진 성분간에 변화되는 상관함수 또는 비상관성을 가정하여 주어진 지반응답스펙트럼과 부합하는 3가지 성분의 합성
  • 가속도 생성
  • 경사진 체적파와 표면파의 임의적인 3차원 중첩에 의한 지진환경 구성
  • 가속도시간이력
  • Coherent 또는 Incoherent 지반운동
  • 지진하중에 더하여 충격하중, 파동하중, 구조물에 직접 작용하는 기계의 회전과 같은 외력 또는 모멘트의 가력도 가능
  • FFT 변환 기법에 의한 Transient 시간 이력. 임의형상의 기초에 대해 등가의 전체 임피던스를 직접 계산, 그리고 이로부터 공학적 판단에 유용한 SSI 시스템의 유효 감쇠비의 계산
  • 구조물에서의 대략적인 상대변위를 계산하는데 유용한 응답 가속도/변위 시간이력의 기준선보정
  • 응력에 영향을 주는 진동수 Cut-Off를 평가하는데 유용한 구조물 보/기둥 요소에 대한 응력 전달함수의 출력
  

  

  [Incoherent Seismic Motion]

• 지반 비선형 Hysteretic 거동

  • 유연체적법을 기초로 한 부분구조법을 사용한 동적선형해석 수행
  • Seed-Idriss 등가 선형 절차를 기초로 한 반복법을 사용한 근사
  • 비선형해석을 수행
  • 자유장에서의 주요 비선형 효과 및 구조물 주변 제한된 지역에서의 2차
  • 비선형 효과를 고려
  • 파전달(주요 또는 전체 비선형성)에 의한 지반의 비선형 거동을 포함하는
  • 비선형 SSI 해석
  

  [Seed-Idriss Equivalent Linear Soil Model]

• 그래픽 후처리 기능

  • 대규모 SSI 유한요소 모델을 위한 SSI 주파수 자동 선택 기능
  • 각 방향 성분별 주파수대의 벡터 출력
  • 각 주파수대의 응답 가속도 출력(Bubble Plot)
    

    [TF Vector Plots at Given Frequency]

    

    [Spectral Acceleration at Given Frequency]

  • 응답해석 및 시간이력 해석결과의 Deformed Shape출력 및 Animation
  • 응력도 및 동적 지반 압력도 출력(Nodal/Center stresses and pressures)
  • 가속도와 변위의 시간이력 및 구조물 내의 응답스펙트럼은 방향별로 중첩된다. 시간이력의 중첩은 대수적인 합과 차가 모두 가능하다.
    

    [Relative Displacement Deformed Shape]

    

    [Maximum Seismic Soil Pressure]

  • 구조물 내의 응답스펙트럼은 가중선형법이나 SRSS 방법으로 조합되며, 15개의 응답스펙트럼에 대한 평균도 계산할 수 있습니다.
  • 최대응력, 모멘트, 하중 및 지진에 의한 최대 지반응력 등을 계산하기 위하여 X, Y 및 Z의 3축 지진입력에 대한 응답을 SRSS 방법으로 중첩

유한요소 Library

현재 ACS SASSI의 유한요소 Library 는 다음의 요소를 포함하고 있다.

• 절점 당 3 개의 병진자유도를 갖는 3 차원 Solid 요소(8 절점 brick)
  이 요소는 구조물의 모델링에 사용할 때 9 개의 Incompatible 모드를 포함할 수 있다.
• 절점 당 3 개의 병진자유도 및 3 개의 회전자유도를 갖는 3 차원 Beam요소
• 절점 당 3 개의 병진자유도 및 3 개의 회전자유도를 갖는 4 절점 Plate / Shell요소
• 절점 당 2 개의 병진자유도를 갖는 2 차원 4 절점 Plane Strain요소
• 절점 당 3 개의 병진자유도 및 3 개의 회전자유도를 갖는 3 차원 Spring요소
• 절점 당 3 개의 병진자유도 및 3 개의 회전자유도를 갖는 3 차원 Generalized 강성 / 질량행렬요소
• 절점 당 3 개의 병진자유도 및 3 개의 회전자유도를 갖는 일차원 평면 Love Wave 요소

ACS SASSI의 주요 해석 기능

• Simulation of Input Control Motion

  • Generate Response Spectrum Compatible Accelerograms
  • Use Correlated or Independent Horizontal Components

• Nonlinear Site Response Analysis

  • Compute Soil Response Under Vertically Propagating S and P waves
  • Compute Equivalent Soil Properties (for effective shear strain)
  • Assume Horizontal Infinite Layering with Bottom Baserock (viscous boundary)

• Seismic Soil-Structure Interaction

  • Assume Seismic Environment (S and P, Rayleigh and Love waves)
  • Compute Frequency Dependent Foundation Impedances
  • Solve Seismic (Linear) SSI Using Substructuring (for flexible foundations)
  • Compute Nodal Motions and Stresses/Strains in Soil and Structural FE Elements
  • Combine Response Time Histories for Different Input Directions

ACS SASSI의 적용 분야

• Civil, industrial, nuclear or hazardous facility buildings with complex arbitrary 3D geometry foundations and complex seismic or external load environments
• Underground multilevel buried structures, waste storage tanks, tunnels
• Large-size industrial under spatially varying seismic waves
• Embedded, buried structures of hazardous facilities under seismic or dynamic loads
• SSI for Concrete and earth dams, embankment, large-span concrete bridges
• Retaining structures and walls, including effects of seismic soil pressures from surface and body wave propagation, including Rayleigh waves
• Concrete massive deep foundations, including caissons, piers
• Tunnels, subway stations and buried storage facilities
• Multiple interacting neighboring constructions in dense urban areas
• Underground lifelines, pipelines under surface waves
• Dynamics from rotating machinery or fast moving loads, as vehicles, trains