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UC-1シリーズ FEM解析
 
UC-1
 3次元浸透流解析(VGFlow)
  3次元浸透流解析(VGFlow) ロードモジュール版
  3次元浸透流解析(VGFlow) プレポスト版
飽和/不飽和浸透流解析を行うプログラム
初版リリース : '04.08.20 / 最新Ver.リリース : '06.02.09
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  Q&A (製品評価や導入の際に役立つQ&Aです)
ライン

 1.システム構成

Q1−1. 「3次元浸透流解析(VGFlow)」と「VisualFEA Pre&Postprocessor」のそれぞれの機能について教えてほしい。
A1−1. 本システムは、下記の2つのプログラムで構成されています。
  (A) FEM解析Solver → VGFlow
  (B) PrePostシステム → Visual FEA

上記(A)のVGFlowとは、浸透流FEM解析のSolver(解析部)であり、上記(B)のVisual FEAによりこのSolverに対する入出力が行えます。また、本解析部は(B)のPrePost無しでのLoadModule版(入出力は数値の直接入力によるテキストベース)での使用も可能です。
一方、上記(B)のVisual FEAとはFEM解析用の汎用PrePostであり、浸透流解析以外のあらゆるFEM解析におけるメッシュジェネレータとしても利用できます。

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 2.入力及び適用範囲

Q2−1. 取り扱い可能な要素数の制限はあるか?
A2−1. 有限要素モデルを作成する際に、要素数(分割数)に制限はありませんが、作成できる要素数はマシン性能に依存します。
メッシュ分割の際にメモリを大量に使用するため、要素数が多い場合メモリ不足によるエラーメッセージを表示します。
これはマシンにより異なり、CPUが3GHz・メモリが4GBのマシンでは、節点数・要素数で10万というのがひとつの制限の目安になります。
 
Q2−2. 浸透流解析の際の土質定数(比貯留係数,残留体積含水率,飽和体積含水率)について、どの程度の数値を入力したらよいか?
A2−2. 物性値につきましては、国内における代表的な地盤における透水試験結果及び保水性試験、不飽和試験データのvanGenuchtenモデルによる同定値(α,mのみでなく、θr,θsも含む)や比貯留係数等をプログラム内蔵しております。
[Poroerty]ダイアログにて、下記の材料リストから選択することにより、地盤の飽和浸透特性(お問合せの比貯留係数,残留体積含水率,飽和体積含水率も含まれます)及び不飽和浸透特性をがダイアログ内に自動セットされますので、そちらの値をご参考下さい。
 砂
 豊浦砂
 細粒砂
 砂質土
 関東ローム
 沖積土
 粘性土
 シラス
 まさ土1
 まさ土2
 
Q2−3. 初期サクションの指定で、「河川堤防の構造検討の手引き」に則した計算を行いたい場合、どのケースを指定すればよいか?
A2−3. 「河川堤防の構造検討の手引き」においては、初期地下水位の設定上の注意点の記載程度に留められ、それをもとに具体的に初期サクションをどのような手段により規定するかまでは記載されていないものと思われます。
初期サクションの入力に際しては、飽和域および不飽和域の透水特性等を考慮の上、設計者ご自身にて設定していただく必要があります。
体積含水率等の実測値が無く、厚い不透水層等が分布するなどの特殊な間隙水圧分布でないと想定されます場合には、最も容易な手法として、直線的な間隙水圧分布として仮定する手法を採用することで良いと思われます。
  • Pore pressure with liner variation :
    飽和域・不飽和域ともに間隙水圧を直線分布で仮定
  • Pore pressure defined by table :
    深さごとの間隙水圧値を入力することにより、不飽和域については非直線的なサクションの設定が可能です。
  • Volume water content withe linear variation :
    飽和域・不飽和域ともに体積含水率を直線分布で仮定
  • Volume water content defined by table :
    深さごとの体積含水率値を入力することにより、不飽和域については非直線的なサクションの設定が可能です。
 
 
Q2−4. 降雨の解析を行うとき、実測の降雨波形を手入力するのではなくデータファイルから読み込むことは可能か?
A2−4. はい、テキスト形式であれば、読み込むことができます。

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 3.解析モデル作成
Q3−1. グリッドに高さ(標高)を定義することはできるか?
A3−1. 本プログラムのプレポストであるVisualFEAは設計計算以外のあらゆるFEM解析を対象とした汎用ソフトとして設計されているため、グリッドについては標高等の属性の設定はできません。
本プログラムでは、[Edit]-[Stick to Grid]がチェックされた状態(デフォルト)にて描画するラインはこのグリッド点上にぴったり位置するよう描画されます。
また、[View]-[Grid Setting]によりグリッドのスケールやピッチの変更が可能ですので、描画したい線が1.0m間隔のグリッドに載らない場合には、こちらを調整するか、もしくは、[Edit]-[Stick to Grid]のチェックを外すことにより、グリッド上にない線の描画が可能です。
新規に入力もしくは、DXFインポート後に追加入力される場合には、上記の機能をご利用下さい。
   
 
Q3−2. 三次元解析を行いたいが、地盤の標高値はどの軸に設定すればよいか?
A3−2. VGFlowでは、二次元解析の場合と三次元解析の場合とで、座標軸における鉛直方向が異なります。
  • 二次元解析 → 重力項はY軸下向き
  • 三次元解析 → 重力項はZ軸下向き
そのため、三次元メッシュの作成の際には、Z軸を鉛直方向に設定するようご注意下さい。
 
Q3−3. 解析モデル作成 地表面データの作成方法を教えてほしい。
A3−3.
  1. 以下の書式の標高データファイルを準備します。
     
  2. 基準の平面メッシュを作成します。
  3. [Edit]-[Project]メニューを選択します。
  4. [Project]ダイアログで、[Surface Mesh]、[Data points]を選択し、[Read]ボタンで標高データファイルを読み込みます。
  5. 基準の平面メッシュを選択後、[Project]ボタンをクリックすると、地表面データが作成されます。

    ----*----+----*----+----*----+----*----+----*----+----*----+
    標高データファイルの書式:
    [地点数N]
    [X座標1] [Y座標1] [Z座標(標高)1]
    [X座標2] [Y座標2] [Z座標(標高)2]
    ・・・・ ・・・・ ・・・・
    [X座標N] [Y座標N] [Z座標(標高)N]
    ----*----+----*----+----*----+----*----+----*----+----*----+"

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 4.メッシュ分割
Q4−1. メッシュ作成時の、メッシュ形状の対応種類について教えてほしい。
A4−1. 本製品におけるPrePostProcessorであるVisualFEAは、FEM解析用の汎用PrePostシステム(浸透流のみでなく、流体解析や構造解析も想定)であり、メッシュ分割に際しては、あらゆる任意形状(例えば、飛行機やコーヒーカップ、内空断面のあるパイプ等)が可能であり、またあらゆる断面でメッシュを分割することも可能です。
 
Q4−2. 河川堤防の設計事例にあるような格子状にメッシュ分割したいが可能か?
A4−2. 本プログラムでは、土堤防のような台形形状に対して、オートメッシュによりFEM解析に適したメッシュ分割、もしくは、天端と基礎の分割数を等しくすることにより、放射状の規則的なメッシュ分割は可能です。
但し、各要素が全て直角から成るような格子状のメッシュ分割には基本的には対応しておりません。
格子状のメッシュ分割とされたい場合には、以下の要領で入力して下さい。

《手順》
モデルが複数の四辺形から成るよう、各線分を以下に示す要領で入力及び分割する。

 ・法面〜のり面基礎 : 切りたいメッシュ幅で線分を複数に分けて入力する。
 ・天端及び基礎地盤 : 1本の線分で入力し、切りたいメッシュ幅となるよう分割数を設定する
  

 ・法面内 : 1本の線分で入力し、向かい合う辺でメッシュ高が同値となるよう分割数を設定する。
  
 
Q4−3. 浸透流FEMで、メッシュ分割で堤高の10分割するという考えは、対象とする堤防の規模により解析精度上問題はないのか?
A4−3. 堤体に対するメッシュ分割につきましては、水位変動を有す部分であり、メッシュはより細かく切る方が解析精度は向上します。
『10分割程度に分割』するのではなく、『最低でも10分割以上』にするべきということです。
なお、この『最低でも10分割以上』というのは、普通堤防に対する規定であり、規模はせいぜい堤高10m程度の規模であり、これは一つのメッシュを最低でも1.0m以下にするべきということで解釈すべきでしょう。
堤高が15m以上の止水構造物や高盛土に対しては、より分割数を小さく設定すべきと考えます。
 
Q4−4. 国土地理院の50mメッシュ標高データを利用して、地表面データを作成したいが可能か?
A4−4. 本システムのPrePostProcessorであるVisualFEAの投影(Project)機能を用いることで、地表面データ、すなわち「基準の平面メッシュを標高データに投影した面メッシュ」が作成可能です。
 
Q4−5. メッシュ分割後、領域を分けることは可能か?
A4−5. Autoメッシュの場合には、必ずしも領域を分けたいラインに対してメッシュ分割がされるわけではありませんので、一旦当該箇所のメッシュを解除した後、領域を切りたい箇所に線分を追加した上で、再度メッシュ分割をして下さい。

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 5.解析機能
Q5−1. 浸透流FEMにおける、定常解析と非定常解析とは何か?
A5−1. 地下水面がフラットで動水勾配が無い場合には静水圧状態にあり、土中水の挙動は時間変化の無い状態にあります。
また、地下水面において動水勾配がある場合においても、山側からの供給量と谷側での拡散とがバランスした平衡状態においては、土中水の挙動は経時変化を呈しません。
この状態が定常状態であり、これをシミュレートすることを定常解析といいます。
また、河川水位のように天候や上流ダムの運用により水位変化を伴い、土中水が平衡状態にない状態が非定常状態であり、これをシミュレートすることを非定常解析といいます。
 
Q5−2. 災害対策等で山岳部へ盛土を設け(盛土が堤防のように機能すると想定)、そこにゲリラ豪雨のような集中的な降雨があった場合に盛土背面にどの程度水が溜まるかを計算することは可能か?
A5−2. 解析対象により、VGFlowの他に雨水流出解析プログラム xpswmmが別途必要となる場合がございます。各製品にて解析対象とできる現象について、ご説明します。
  • VGFlow
    有効降雨に対する地下水流出現象のシミュレーションを対象としており、降雨に対する表面流出現象は取り扱いません。
     支配方程式 : Richards式(二次元解析、三次元解析)
     解析対象   : “土中水”の飽和/不飽和浸透現象
     数値解法   : FEM(有限要素法)
  • xpswmm
    実降雨に対する表面流出現象のシミュレーションを対象としており、地下水流出については、Horton式やGreenAmpt式による一次元の初期損失としての計算及び浸透施設等を対象とした一次元の飽和/不飽和浸透での扱いになり、二次元あるいは三次元の浸透流解析は取り扱いません。
     支配方程式 : SantVenant式(一次元解析、二次元解析、1D-2D連動解析)
     解析対象   : “表面水”の表面流出現象,
     数値解法   : FDM(差分法)
  • ご検討のシミュレートされたい現象
    降雨に対する盛土背面にどれくらい湛水するかのシミュレーションが目的である場合には、現象が“表面水”となりますため、xpswmmが必要となります。
    一方、VGFlowでは、与条件としてxpswmmによる“表面水”の解析結果となる外水位を与えた場合における盛土内及び基礎の“土中水”の地下水流出現象をシミュレートすることが可能です。そのため、ゲリラ豪雨に対する盛土及び基礎の浸透破壊やパイピング破壊等の地下水流況の解析が目的である場合には、VGFlowが必要となります。
 
Q5−3. 建造物の施工により、変化した地下水位を確認することは可能か?
A5−3. 本プログラムは、Richards式からなる飽和-不飽和浸透流支配方程式を有限要素法により、数値解法するものであり、適切な浸透特性や境界条件を与えることにより、土中水の挙動をシミュレートできますので、その用途としては、お問合せのような、建造物の施工に伴う地下水影響解析を行えます。
ステージ解析機能はございませんが、施工前後における解析モデルを作成し、施工前の現況における地下水位の実測をベースに、適切な浸透特性等を設定し、施工後のモデルに適用することにより、その施工に伴う地下水影響解析が行えます。施工後のモデルに対しては、例えば、施工中の土留め壁などは、[Assing]-[Seepage Property]にてCutoffにより、浸透が不連続となるような二重節点としてモデル化できます。
 
Q5−4. 自由水面(河川、海岸などの水部)は処理することが可能か?
A5−4. プログラム解析対象としては浸透流の支配方程式(Richards式)に従う土中水のみであり、お問合せにありますような地盤面より上の表面水(土中水でなく、河川や海岸や貯水等)での乱流現象の支配方程式(例えばNavier-Stokes式等)には対応しておりません。
そのため、モデルとして設定する有限要素としては、地盤部分のみであり、お問合せにありますような地盤面より上の表面水につきましては、自由水面に応じた圧力を堤防などの境界に与えて計算するということになります。
なお、非定常解析時の初期条件の設定に際しては、お問合せにあります表面水〜土中の自由水面までを一連の水面形として与える形式としております。
 
Q5−5. 「中小河川における堤防点検・対策の手引き(案)」(http://www.jice.or.jp/teibou/index.html)に準拠した照査は可能か?
A5−5. 本製品「VGFlow」は非定常飽和・不飽和浸透流解析を行うプログラムであり、同手引きに挙げられられているコード(GW-USAF、PC-UNISSF、2D-FLOW、SAUSE、SOIL2F等)と同様、基本的には同手引きに準じた解析は可能です。
本製品「VGFlow」における同手引きへの対応の可否につきまして、その概要を以下に記します。これらの対応状況を勘案の上、ご検討下さい。
  1. メッシュ分割 → △
    本プログラムプレ部ではオートメッシュ分割を原則としておりますため、同手引きにある「要素分割の事例」にあるような格子状のメッシュ分割には基本的には対応しておりません。(ここで、基本的に非対応とは、操作上は困難ではありますが、製品ヘルプのQ&A1-3にある操作手順により、格子状のメッシュ分割を行うことも可能です。)
    個人的な見解とはなりますが、同手引きににある「要素分割の事例」にあるような格子状のメッシュ分割に関しては、解析種別によっては有意味ではありますが、浸透流解析に関しては手動でメッシュ分割を行っていた当時からの慣習的なものであり、FEMの計算精度上からの根拠によるものではないと思われますが、設計事例を踏襲するというのも一つの設計思想でありますため、設計者ご自身にてご判断下さい。

  2. 不飽和浸透特性 → ○
    不飽和浸透特性(ψ-θ曲線、Kr-θ曲線)につきましては、同手引きにあります『実務的に割り切った』図4.3.6及び図4.3.7に示すデータを添付しておりますので、そちらを入力の手間なくご使用頂けます。
    また、不飽和浸透特性については、van Genuchten式に対して同定したパラメータの入力により、van Genuchten式での解析も可能です。

  3. 降雨波形作成のための流出解析 → △
    本プログラムは非定常飽和・不飽和浸透流解析プログラムであり、流量ハイドログラフの計算には対応しておりません。降雨波形の直接入力となります。

  4. 河川水位(外水位)波形の設定 → △
    本プログラムは非定常飽和・不飽和浸透流解析プログラムであり、同手引きにあります河川水位(外水位)波形の設定を自動で行う機能はございません。設計者ご自身にて波形を作成し、作成した河川水位(外水位)波形の直接入力となります。

  5. すべり破壊(浸透破壊)の検討 → △
    本製品「VGFlow」は浸透流のみを対象としておりますため、浸透流解析を反映させたすべり破壊については別製品「斜面の安定計算」が必要となります。

  6. パイピング破壊(浸透破壊)の検討 → △
    同手引きに規定される局所動水勾配の算定機能はございません。
    局所動水勾配の算定につきましては、全水頭及び圧力水頭の節点出力値等を用いて、設計者様ご自身での手計算となります。

 >> サポートページ 3次元浸透流解析(VGFlow) Q&A集

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