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1 地形 地質を考慮した広域解析システム BESSRA Bird's-Eye-viewed Slope analysis for Seismic Risk Assessment

2 概要 BESSRA とは? 斜面の危険度を厳密に評価するために 地形をそのままモデル化して動的応答解析を行い 斜面などが大地震時に強い地震動を受けて急激に運動を活性させる危険性を事前に予測します GIS を介して地域全体の地形をある一定の大きさのサブストラクチャに分割して個々の FEM 解析を行うことにより 高度な計算機環境 ( 大容量メモリ 超高速計算機など ) を構築しなくても 既存の PC 環境で解析ができます [ 長所 ] BESSRA とは? 解析対象のサブストラクチャ化により 既存の PC 環境を使った解析ができ 新たな投資費用が少ない 構成モデル :UW モデル 弾完全塑性モデル 地盤の地震応答特性を簡易かつ精度よく再現できる 2 次の六面体アイソパラメトリック要素 (20 節点 減退積分 ) の搭載 局所的な塑性ひずみの集中に追随しやすい 1 次の 8 節点要素に比べて 鋭い尾根部の地震動増幅や斜面滑動など高次な変形を精度よく再現できる 製品構成と著作権 BESSRA: 群馬大学の若井明彦教授より開発された広域 3 次元解析ソルバー midas GTS for BESSRA: 地震時の広域 3 次元解析の専用プリポスト midas GTS Wizard for BESSRA : 地震時の広域 3 次元解析の専用ウィザード 2

3 概 要 広域地形のサブストラクチャ化 GIS情報を介して地域全体の地形をある一定の大きさのサブストラクチャに分割して 個々のFEM解析を行います 主な擁壁の亀裂等 主な路面の亀裂等 [GIS情報 標高データなと] 顕著な斜面 地盤変状 解析対象とする領域全体を小さな領域 (サブストラクチャ)に自動的に分割 コア領域 緩衝領域 緩和領域を含む 有限要素分割 1個のサブストラクチャ 解析対象とする領域の外周部に 緩和領域を付加してメッシュ分割 個々の小さな領域毎に 3次元動的弾塑性FEM解析を実行 [ 広域地形のサブストラクチャ化 ] 3

4 概 要 BESSRAのシステム構成 GISの標高データを用いて地表面を作成します さらに 地層別の材料分布をレイヤーとする 地層パターンを用いて 3次元FEM用のメッシュ データを作成します GIS 情報 地表面標高分布 地層パターン分布 地表の標高情報から地表面作成 - 国土地理院のGIS情報から得られる クラスター標高データを用いて地表面作成 - 地表等高線の3次元DXFデータを用いて GTSの地表作成ツールから地表面作成 地層構成による地層パターンの定義 - 地層パターン 地層別に同じ材料分布を持つ 地層構造セット 材料データ (UWモデル 弾完全塑性モデル) 地層パターンA 地層パターンB 材料１ 材料２ 材料３ 3次元動的弾塑性FEM [ システムの全体構成 ] 材料４ 入力基盤 4

5 機能特徴 midas GTS for BESSRA 地震時の広域３次元解析専用のプリ ポスト 専用ウィザードを用いて作業段階別にデータ作成 1) 2) 3) 4) 3次元FEMの地盤モデル作成 地表と地層の定義 解析データのサブストラクチャファイルの作成 解析実行 結果確認 最大値結果のコンター図 時刻歴応答グラフ BESSRA解析データ作成用 の専用ウィザード ワークツリー 段階切り替え ボタンを 利用して 順番に解析 データを作成していく プロパティ ウィンドウ 5

6 機能特徴 ウィザードを使った作業段階別のデータ作成 段階切り替え 作業段階別の解析データ作成の手順 1 段階 : 地表と地層の定義 2 段階 : 解析領域の定義 4 段階 : 解析制御 実行 解析実行 20 節点のアイソパラメトリック要素 コーナー 2 地表面定義 地層定義 コーナー 1 全体の解析領域定義 6

7 機能特徴 解析実行と結果確認 分割したデータを複数の PC で解析した後 結果を統合して全体の結果を確認します 結果表示のための専用ウィザードから 最大値のコンター図 着目点の時刻歴結果が確認できます サブストラクチャファイル生成 解析実行 結果確認ウィザード 結果表示 ソルバー入力データ サブストラクチャ 1 サブストラクチャ2 サブストラクチャ199 複数の PC で解析実行 最大値のコンター図表示 サブストラクチャ 200 着目点の時刻歴応答グラフ 7

8 BESSRA 結果を利用した 地盤詳細解析 ~ MIDAS 製品との連携

9 BESSRA 結果を利用した地盤詳細解析 詳細解析による追加検討 広域解析後の危険領域に対して 3 次元 2 次元の詳細解析を行い斜面の安全性検討 山岳地域の上部工 ( 例えば 鉄塔 ) の地震時の安全性検討 山岳トンネルなどの安全性検討 ( 施工時や地震時 ) 広域解析結果詳細解析 結果確認山岳トンネルの応力確認 上部工 ( 鉄塔 ) の応力検討 BESSRA の結果 解析データの活用 3 次元解析 - 危険領域のFEM 格子データを取り出し 詳細解析用のメッシュデータを作成 - 危険領域の地表面を取り出し 詳細解析用の3 次元地層形状を作成 メッシュ作成 2 次元解析 - 危険領域から2 次元断面形状を作成し 2 次元解析ソフト上で形状を読み込む 9

10 地盤詳細解析 BESSRAとMIDAS製品との連携 BESSRA (3次元広域) 着目領域 広域解析結果 詳細メッシュの抽出 SoilWorks (2次元) データ連動 midas GTS (3次元) 詳細メッシュ生成 ジオメトリデータの連携 共同開発中の材料モデル(2014年リリース予定) UWモデル UW軟化モデル 弾完全塑性モデル 斜面安定解析 地盤変形解析 10

11 midas GTS 解析機能 静的解析 線形/非線形弾性解析 弾塑性解析 応力-浸透連成解析 施工段階解析 排水/非排水解析 圧密解析 浸透流解析 定常/非定常解析 UNSAF方式(飽和 不飽和特性) 動的解析 固有値解析 応答スペクトル解析 時刻歴解析 斜面安定解析 円弧すべり法 せん断強度減少法 等価線形解析 11

12 midas GTS 幾何形状作成 サーフェイス作成 任意のポイントを選択 任意の 2~4 カーブを選択 Coons パッチ ソリッド形状作成 仮想グリッドを作成 グリッドパッチ 標高を指定 ポイントパッチ トリム ガイドカーブ スイープ 分離 輪郭 Top View 12

13 midas GTS メッシュ作成 3 次元マップドメッシュ 押し出しメッシュ 投影 (2D 3D) 基準フェイス (Auto) 投影面 ガイドカーブ スイープ時の倍率 (1/4) スイープ (2D 3D) フルマッピング 直角スイープ 13

14 midas GTS 3 次元地盤解析データの作成例 モデル作成中完成モデル 地盤メッシュ完成形状 吹き付けコンクリートトンネルメッシュ生成 CAD 施工段階による地盤とトンネルソリッドトリム地表面生成ソリッド分割分割された施工段階モデルファイル読込みメッシュ生成ソリッド分割ソリッド生成地盤生成地層分割トンネル 地盤メッシュ生成 14

15 SoilWorks SoilWorksとは SoilWorks 製品コンセプト 軟弱地盤パッケージ SoilWorksと連携 (モデル 初期応力) 直観的な操作環境-すぐに使える CADデータよりCopy & Paste 多彩なメッシュ生成機能 FLIP LIQCA 等価線形 地盤 変形 液状化判定 圧密 斜面 Soil Works 浸透 + UWモデル 圧密 関口-太田モデル 非線形動的(2014年に搭載予定) UW UW軟化モデル 弾完全塑性モデル FLIP, LIQCAのプリポスト 非線形動的 2014年 UW軟化 モデル 地盤解析トータル ソリューション 15

16 SoilWorks 解析機能 地盤変形解析 盛土 切土 掘削 段階施工 浸透流解析 斜面安定解析 隣接構造物の影響検討 せん断強度低減法 定常 非定常 極限平衡法に基づいた応力法 飽和-不飽和特性(UNSAF) 円弧すべり LIQCA 液状化解析 圧密解析 1次元圧密 関口-太田モデル 修正Cam Clay 動的解析 PRE-POST for FLIP, LIQCA 液状化判定 等価線形 Shake, Flush 2014年に搭載予定 UW UW軟化モデル 弾完全塑性モデル 16

17 時間 (sec) New GTS 64bit 対応の新しいフレームワーク 特徴 全ての解析が 64 ビットベースの統合ソルバーに対応 GPU(Graphic Processing Unit) のサポート ( 今後 CPU+GPU 同時使用も可能 ) 期待効果 解析種類によって 32 ビット用に制限されていた大規模モデルが 全ての解析で可能です メモリ問題で要素数 / 施工段階数を減らす手間が省けます 64 ビットシステムの場合 既存に比べて計算速度が 2 倍以上速くなります GPU を利用した場合 最大 8 倍以上の速度が向上されます 64 ビット + GPU の活用時に 最低 5 倍 ~ 最大 16 倍まで解析時間が短縮できます 5,299 sec 7.14 倍 ソリッド形状 :526 個 バージョン メモリ使用量 FPS GTS V MB 14 GTS 64bit 509 MB 25 要素数 742 sec 17

18 New GTS モデリング便宜機能 特徴 ソリッド形状同士の隣接する面を共有するようにメッシュ生成 一体挙動の接触機能を適用 ソリッドを通過するエッジを選択してインプリント (imprint) を自動生成 期待効果 3 次元データ作成に慣れていない初心者でも簡単に3 次元形状が作成できです 形状の分割 / 移動 / 除去など複雑なモデリング作業が簡略化され 作業時間が短縮されます 節点共有ができていない隣接する要素を一体挙動させる 接触 機能をサポートして モデリングが便利で 経済的な解析が可能です ( 距離に基づいた自動探索方式により 応力 / 変位などの結果の連続性を保ちます ) [ 不連続な面に接触要素を適用 ] 18

19 New GTS 高品質の6面体主体のハイブリッドメッシュ 特徴 高速4面体要素とハイブリッド要素の追加 オートメッシュ生成時にマルチスレッド(multi thread)を利用 期待効果(Benefit) 要素精度の良い6面体要素をオートメッシュから生成します (モデル外部は6面体要素中心 内部は4面体要素中心に生成) ソリッドの個数が多いほど メッシュ生成時間を大幅に短縮できます 4面体要素 132秒 29秒 ピラミッド要素 (6面体要素-4面体の連結) 6面体要素 ピラミッド要素 4面体要素 5面体要素 78% 6面体要素 要素 50万個 節点 100万個 OldGTS Analyst NewGTS Analyst ハイブリッドメッシュの構成 V [オートメッシュの生成速度比較] [ハイブリッドメッシュの要素分布例] 19

20 開発 Road Map 今後の開発計画 地盤分野製品の開発ロードマップ midas GTS for BESSRA: 操作性向上 New GTSの新しいフラットフォームに対応 midas GTS:New GTSリリース 耐震機能強化 ( 非線形動的 液状化 ) SoilWorksと連携 SoilWorks: 軟弱地盤対策 ( 液状化判定 ) 耐震分野の機能強化 多分野の設計照査機能 2013 年 2014 年 2015 年 設計照査 円弧すべりによる安全性チェック - 対応規準の追加 地震時の斜面安定性検討 耐浸食照査 耐浸透照査 多分野の照査機能追加 軟弱地盤対策 液状化判定 - 道路橋 建築基礎 河川堤防 - 簡易法 最大せん断応力法 - 地層別 要素別の FL 判定 圧密機能の強化 - 設計観点からの便宜性向上 耐震 LIQCA FLIP と連携 - モデルデータ 初期応力 非線形動的解析 - 斜面安定検討とも連携 有効応力解析 - 間隙水圧モデル 液状化検討 構造要素の非線形対応 (M-φ) 静的照査法対応 非線形動的 - UW UW 軟化モデル 弾完全塑性モデル 一般 操作性向上 - 結果の自動統合 結果確認 - 詳細解析時の連携性など New GTS - 64 ビット対応 ハイブリッドメッシュ GPU 対応など - SoilWorks とのデータ連携 BESSRA_3D 対応 20