Transcript openSees 하루만에 배우기(발표자료) (11817123 Byte)

전산구조공학회 기술강습회
>> 2010.8.20
OpenSees 하루만에 배우기
>> 이 태 형 (건국대학교 토목공학과)
이태형
 건국대학교 토목공학과 부교수
 박사: UC Berkeley 토목환경공학과
 지도교수: Khalid Mosalam
 논문: 철근콘크리트 구조부재와 시스템의 확률적 내
진성능평가
 OpenSees를 이용한 RC Frame의 지진해석 수행
 박사후연구: 교토대학 방재연구소
 지도교수: 나카시마 마사요시
 OpenSees를 이용한 Steel Frame의 지진해석 수행
2
OpenSees 하루에 정복
 OpenSees 소개
 개발의 배경
 OpenSees의 구성
 요소, 재료모델의 이해
 사용사례
 장, 단점
 모델링 실습
3
Chapter 1
OPENSEES 개발배경
4
Welcome to OpenSees
5
OpenSees is
 The Open System for Earthquake Engineering
Simulation (OpenSees) is a software framework
for simulating the seismic response of structural
and geotechnical systems.
 OpenSees has been developed as the
computational platform for research in
performance-based earthquake engineering at
the Pacific Earthquake Engineering Research
Center.
6
PEER
7
PEER Center
 NSF가 지원하는 지진연구소 (서부지역)
 참가학교
 UC Berkeley, Cal Tech, Stanford, UC Davis, UC Irvine,
UCLA, UC San Diego, USC, U Washington 등
 산학연
 Bechtel, Caltrans, PG&E, Degenkolb, RMS, SGH, URS,
WJE 등
8
개발팀
 1990년대 중반부터 개발 시작
 Prof. G. Fenves @ UCB
 Dr. Frank McKenna @ UCB
 OpenSees의 모태인 ‘G3’의 개발자
 Prof. Michael Scott @ OSU
 당시 Prof. Fenves의 박사학생
 Prof. Kincho Law @ Stanford Univ.
9
OpenSees의 모태
 기존 구조해석 프로그램의 영향
 FEAP (by Prof. Taylor @ UC Berkeley)
 FEDEAS (by Prof. Filippou @ UC Berkeley)
10
FEAP
• Finite Element Analysis Program
• Profs. Taylor, Simo, Govindjee, Armero 등
• Fortran77 으로 개발, Fortran90 으로 발전
• 방대한 이론을 바탕으로 발전
• 범용성과 확장성이 장점 (예, 성대 토목과의
RCAHEST)
11
FEDEAS
 Finite Elements for Design, Evaluation and
Analysis of Structures
 Profs. Spacone and Filippou
 건물과 교량의 동적 비선형해석을 위한
element와 material library 제공 (FEAP 기반)
 Matlab을 이용한 FEDASlab이 유용함
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OpenSees와 DRAIN
 Frame의 지진해석을 위한 프로그램
 보-기둥 요소를 중심으로 개발
 DRAIN: lumped plasticity 모델 기반
 OpenSees: distributed plasticity 모델 기반
 OpenSees가 DRAIN을 대체?
13
Chapter 2
OPENSEES 의 구성
14
What is OpenSees
 A software framework for simulation
applications in earthquake engineering using
finite element methods
 As open-source software, it has the potential for
a community code for earthquake engineering
15
Capabilities
 모델링
 구조 및 지반모델링에 적합한 보-기둥(beam-column)
요소와 연속체(continuum)요소를 제공
 다양한 일축재료(uniaxial material)모델과 단면모델
(section model) 제공: 보-기둥요소에 적용
 해석기법
 비선형해석은 다양한 수치해석알고리즘과 해석기
법이 필요
 정적/동적 비선형, 비탄성해석을 위한 다양한 수치
해석기법 제공(equation solvers, constraint handlers)
16
개발과정
 OpenSees is open-source
 웹사이트에서 프로그램구조(architecture), 소스코
드, 개발과정을 모두 제공
 공동체기반(community-based) 프로그램
 지진공학 분야 연구자들이 서로의 연구업적을 공유
 다른 연구자의 업적을 이용하여 관련분야의 발전을
가속화 하는데 기여
17
프로그램의 구성
•Tight connection
between objects
•코드의 수정이
어려움
18
구성 개념
19
OpenSees의 설계
20
Domain
21
ModelBuilder Object
22
Analysis Object
23
Mechanics
24
Tcl/Tk
Tcl scripting language
25
Tcl을 이용한 모델링
26
What is Tcl?
 Tcl is a string based scripting language
 Variables and variable substitution
 Expression evaluation
 Basic control structures(if, for, while 등)
 Procedure
 File manipulation (I/O)
 Tcl is open source → free to use (www.tcl.tk)
27
Tcl 예제
28
온라인 매뉴얼 이용
29
Tcl과 OpenSees
 OpenSees.exe는 일종의 Tcl interpreter
 Tcl에 OpenSees를 위한 명령어를 추가
 모델링: 노드, 요소, 하중, 구속 조건
 해석: 해석 파라미터 설정
 출력: 모니터할 해석결과(특정 노드의 변위, 요소의
전단력, 모멘트 등)를 지정
30
Chapter 3
OPENSEES의 재료모델
31
Material Library
 Uniaxial Materials (일축 재료모델)
 Beam-column element에 주로 사용됨: 구조공학
 ND (N-Dimensional) Materials (N축 재료모델)
 Solid-type element에 주로 사용됨: 지반공학
32
Uniaxial Materials
 강재 및 철근 모델: 4가지
 콘크리트 모델: 7가지
 일반재료모델: 6가지
 기타(유저가 개발한 모델): 22가지
33
강재 및 철근모델
 Steel01 Material
 Steel02 Material (Giuffre-Menegotto-Pinto
model with isotropic strain hardening)
 Hysteretic Material
 Reinforcing Steel Material
34
Steel01
35
Steel02
36
Hysteretic
37
Reinforcing Steel
38
콘크리트 모델
 Concrete01 Material – zero tensile strength
 Concrete02 Material – Linear tension softening
 Concrete04 Material – Popovics concrete




material
Concrete06 Material
Concrete07 – Chang & Mander’s 1994 Model
Concrete01 Material with stuff in the cracks
ConfinedConcrete01 Material
39
Concrete01
 인장강도 = 0
40
Concrete02
 인장강도≠0
41
Concrete04
 Popovics (1973)
model
 Mander (1988)
model
42
ConfinedConcrete01
43
기타 재료모델
 Elastic
 Elastic-Perfectly Plastic
 Elastic-Perfectly Plastic Gap
44
기타 재료모델(계속)
 Elastic No Tension
 간단한 지반모델에 사용
 외 다수
45
Chapter 4
OPENSEES의 ELEMENT 소개
46
Beam-Column Model I
47
Beam-Column Model II
48
Section Models
 보-기둥 요소의 단면 거동을 표현
 단면거동: 축력, 전단력, 휨모멘트와 관련된 거동
 Elastic Section
 Uniaxial Section
 Fiber Section
 Section Aggregator 외
49
Section Models
 Elastic Section
 E, I, A 값 입력 -> 탄성거동
 Uniaxial Section
 축력, 전단력, 모멘트 방향으로 각각 다른 재료모델 사용
 축력, 전단력, 모멘트 간의 상호작용을 고려할 수 없음
 Fiber Section
 Fiber 모델링을 통해 축력-모멘트 상호작용을 고려함
 Section Aggregator
 각기 다른 종류의 section model을 조합
50
Element Library








Zero-length element (스프링요소)
Truss element
Beam-column element
Joint element (beam-column joint 모델링)
Link element
Bearing element
Quadrilateral element: Quad, Shell 등
Brick element 외
51
Beam-Column Element
 Elastic
 Beam With Hinges
 Displacement-Based
 Force-Based
 Flexure-Shear Interaction Displacement-based
52
Beam With Hinges
 소성힌지 모델링에 사용
53
nonlinearBeamColumn
 Displacement-Based & Force-Based
 Distributed plasticity model
 소성힌지 모델보다 보의 소성화현상을 실제에 가깝
게 모사
54
Chapter 5
OPENSEES 사용 사례
55
Testbed Project(1999-2002)
 OpenSees의 테스트를 위해 4가지 구조물 선정
 State-of-the-art 비선형모델링 사용
 OpenSees의 수치해석적 성능평가
 Feedback을 통해서 OpenSees의 개발방향을 설
정
 각 테스트베드 당 3편 정도의 SCI논문이 발표
56
Testbeds
57
Testbeds
58
Testbed: UC Science Building
59
UCS Building Models (2D)
nonlinearBeamColumn element
Quad element for shear panel
zeroLength element for soil spring
60
UCS Building (3D)
Modeling by T.-H. Lee
Visualization by OpenStudio (Dr. J. Park)
61
Hybrid Test Group
 Takahashi (교토대)와 Fenves (UC Berkeley)
 Nakashima (교토대)
 Tsai (NTU, 대만)
62
Hybrid Test (교토대-UCB)
63
Hybrid Test (교토대-UCB)
64
42.05m
Hybrid Test (Nakashima’s Lab)
37.75m
Tm=0.622 sec
Tt=0.645 sec
40m
72.9m
65
Hybrid Test (Nakashima’s Lab)
ABAQUS
M1,M2
P
OpenSees
Experiment
66
Hybrid Test (Nakashima’s Lab)
SRC Column
Concrete
Steel Bars
Steel Pipe
67
학술연구 사용사례 1
 모델링기법에 따른 해석결과의 차이 연구
68
학술연구 사용사례 1
69
학술연구 사용사례 2
 지진하중에 의한 교량의 거동 연구
 모델링기법에 따른 해석결과의 차이 연구
70
학술연구 사용사례 2
71
학술연구 사용사례 2
72
학술연구 사용사례 3
 UCS Testbed 연구팀
 비구조요소의 내진성능 평가
73
학술연구 사용사례 3
74
학술연구 사용사례 3
75/75
75
학술연구 사용사례 4
 T.-H. Lee and K. M. Mosalam,
 “FOSM 방법을 이용한 철근콘크리트 프레임의
중요부재 판별법”
 8th National Conference on Earthquake
Engineering, EERI, San Francisco, 2006
76
학술연구 사용사례 4
77
Chapter 6
OPENSEES의 장,단점
78
장, 단점
 Numerical performance
 Expandability (확장성)
 Trouble shooting (문제해결 능력)
 Maintenance (유지, 보수)
 User Interface
79
Numerical Performance
80
Numerical Performance
 최신이론을 이용한 solver, algorithm 적용
 고난이도의 비선형 문제도 해결 가능
 수치해석적으로 안정적이고 견고함(robust)
GOOD !
81
확장성
 재료나 요소를 추가 및 수정하기 수월함
 단, 공식 library에 추가되려면 core developer들의 엄
정한 심사를 거침
 Free to use > 사용자의 수가 급격히 증가함
 사용자들 간의 커뮤니케이션이 활발
GOOD !
82
문제 해결 능력
 프로그램 사용 상의 문제가 생겼을 때 어떻게?
 Ask OpenSees core developters ANY TIME and
you will be answered SOON!
 커뮤니티 포럼을 이용하여 다른 사용자들에게
자문을 구함
GOOD !
83
유지, 보수
 매년, PEER Center에서 OpenSees 워크샵이 열림
(무료)
 초보 사용자를 위한 교육과 고급 사용자들의 토의
세션이 있음
 PEER Annual Meeting에 OpenSees를 위한 세션
이 따로 있음
 교수, 대학원생, 연구원, 엔지니어들이 모여
OpenSees의 문제점, 개발방향에 대해 토의
GOOD !
84
User Interface
Midas
Very BAD
!
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User Interface의 개선(1)
 OpenSees Navigator
 Matlab 기반 OpenSees 전용 pre- and post-processor
 프레임구조 모델링 가능
 UCB 대학원생이 개발하여, 졸업 후 개선이 어려움
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User Interface의 개선(2)
 BuildingTclViewer
 Silvia Mazzoni 개발(OpenSees core developer)
 OpenSees의 사용성을 크게 향상
 비전문가에 의한 GUI로 개선의 여지가 많음
 2부에서 자세히…
87
Still Not Enough !
88
장, 단점 요약
 Numerical performance
 확장성
 문제 해결 능력
 유지, 보수
 User Interface
GOOD
GOOD
GOOD
GOOD
NOT Good !
89
Chapter 7
OPENSEES 사용하기
90
Download
91
OpenSees 실행파일
Tcl/tk 인스톨파일
92
Installation
 먼저 Tcl/Tk를 인스톨
 반드시 C:\Program Files\Tcl에 인스톨
93
OpenSees 실행
 Tcl/Tk 인스톨 확인
 윈도우7에서는 인스톨안됨 ㅠㅠ
 다운로드 받은 OpenSees.zip파일을 풀면
OpenSees.exe 파일이 생성됨
 OpenSees.exe파일을 원하는 위치에서 실행시
키면 OpenSees 실행준비 완료!!
94
Resource for Users
95
User Documentation
96
시작하기
97
Command Manual
 Modeling Commands
 요소, 재료모델, 하중과 관련
 Analysis Commands
 해석기법과 관련
 Output Commands
 해석결과 모니터링, 출력과 관련
 Miscellaneous Commands
98
Resource for Users
99
Example Manual
100
Resource for Users
101
유저 게시판
102
일반사용자
게시판
103
오픈시스 개발과 관련된 게시판
104
Tcl script
105
106
Chapter 8
OPENSEES 직접 해 보기
107
모델링과 해석
 모델링
 노드, 요소, 지점조건, 하중
 해석
 정적/동적
 선형탄성/비선형비탄성
108
모델링 명령어
 BasicBuilder
model Basic –ndm ndm? <-ndf ndf?>
 모델링 명령어
 node, mass, fix
 element, section, uniaxialMaterial
 load, pattern etc.
109
Recorder Objects








Node recorder
EnvelopeNode recorder
MaxNodeDisp recorder
Drift recorder
Element recorder
EnvelopeElement recorder
Display recorder
Plot recorder
110
모델링 예
111
Analysis Command
112
Analysis Command








Analysis command
Integrator command
Algorithm command
Constraints command
System command
Numberer command
Test command
Analyze command
113
해석 예
 정적 비선형해석
(Load control)
constraints transformation
system BandGeneral
test NormDisplncr 1.0e-6 6 2
algorithm Newton
integrator LoadControl 0.1
analysis Static
analyze 10
 동적 비선형해석
(Newmark)
constraints transformation
numberer RCM
test NormDisplncr 1.0e-6 6 2
algorithm Newton
integrator Newmark 0.5 0.25
analysis Transient
analyze 2000 0.01
114
실습 예제
115
Elastic Cantilever Column(1)
 Static Pushover
 횡방향 하중-변위 관계를 규명하기 위해, 특정 위치
에 횡하중을 점점 증가하면서 재하하는 해석법
116
Elastic Cantilever Column(1)
 예제파일: Ex1a.Canti2D.Push.tcl
117
Elastic Cantilever Column(1)
$transfTag
$jNode
$A
$E
$Iz
$iNode
$eleTag
118
Elastic Cantilever Column(1)
 Output 정의
정적:하중계수
동적: 시간
119
Elastic Cantilever Column(1)
$nodeTag
$FY
 pattern
 Plain
 Uniform excitation
 Multi-support excitation
120
Elastic Cantilever Column(1)
 축력해석
 test: 해의 수렴도 측정 (비선형
해석시 중요)
 integrator (비선형해석 기법)
 load control, displacement, Min.
unbalanced displ. norm., Arc-length
 analysis: Static, Transient
 analyze: 해석수행
 loadConst: time reset
121
Elastic Cantilever Column(1)
 수평전단력 해석(pushover)
 기존의 analysis command 유지
 해석 명령어 수정
 integrator: DisplacementControl
 2번노드, x방향, 0.1씩 증가
 1000 step 해석
122
Elastic Cantilever Column(1)
 실행하면…
…
 Now what?
 출력파일 검토
123
Elastic Cantilever Column(1)
 엑셀, Matlab등을 이용하여
그래프로 출력
124
Elastic Cantilever Column(2)
 지진해석
 시간이력해석
 지진파 가속도를 하중으로
하여 구조물의 변위, 속도,
가속도 등을 해석
125
Elastic Cantilever Column(2)
 축력하중 해석까지 동일
$nodeTag
변수이름
$patternTag
Rayleigh damping
설정
126
Elastic Cantilever Column(2)
해석명령어 삭제
Newmark 방법
동적해석
dt: 해석시간 간격
127
Nonlinear Cantilever(1)
 축방향 탄성거동
 비선형 휨거동
 M-φ 곡선으로 정의
 Uniaxial Inelastic Section
128
Nonlinear Cantilever(1)






set ColMatTagFlex 2 (material tag)
set MyCol 130000. (기둥의 항복 모멘트)
set PhiYCol 0.65e-4 (단면의 항복곡률)
set EIColCrack [expr $MyCol/$PhiYCol] (균열단면의 휨강성)
set b 0.01
uniaxialMaterial Steel01 $ColMatTagFlex $MyCol $EIColCrack $b
129
Nonlinear Cantilever(1)


uniaxialMaterial Steel01 $ColMatTagFlex $MyCol $EIColCrack $b
uniaxialMaterial Elastic $ColMatTagAxial $EACol
set ColSecTag 1

section Aggregator $ColSecTag $ColMatTagAxial P $ColMatTagFlex Mz

set NumIntgrPts 5

element nonlinearBeamColumn 1 1 2 $NumIntgrPts $ColSecTag $TranfTag

130
Nonlinear Cantilever(2)
 축방향 탄성거동
 비선형 휨거동
 Fiber section 정의
131
Nonlinear Cantilever(2)
132
Nonlinear Cantilever(2)
133
오픈시스 실행방법 1
 Cmd 창에 명령어 직접 입력 (interactive)
134
오픈시스 실행방법 2
 OpenSees prompt에서 input 파일을 실행
135
오픈시스 실행방법 3
 Batch mode로 실행
136
Bonus Chapter
GUI FOR OPENSEES
137
GUI’s
 buildingTcl & buildingTclViewer
 openSees Navigator
 nvStructural
138
BuildingTcl 사용하기
 BuildingTcl 인스톨
 installation file 다운로드
 “C:/Program Files/BuildingTcl”에 압축파일을 푼다
 BuildingTclInstall.bat 실행 > 인스톨
 buildingTclViewer.bat를 실행!!
139
140
nvStructural
 OpenSees 전용 pre & post processor
 상업용 프로그램
 학생(학교)을 위한 무료버전 제공
141
142