2021年8月20日金曜日

減衰の種類

減衰の種類について、復習です。
https://phreeqc.blogspot.com/2019/05/blog-post_29.html

 減衰定数(減衰比)h[無次元]
・臨界減衰係数㏄=2√(mk)で粘性減衰係数cを無次元化。h=c/cc=1では振動しない。
・理論的に求めることができない。観測に見合うよう導入。
・RC構造構造物:h=5%程度、鋼構造物:h=1~2%程度、地盤:h=5~30%程度

減衰(力)[N]の主な種類
・空気や液体の抵抗に起因する粘性減衰(viscous damping):F=cv、粘土の高い液体は2乗減衰:F∝v2
・構造・材料内部の摩擦に起因するクーロン減衰(coulomb damping)
・応力-ひずみループから求める履歴減衰(hysteric damping)
・構造物から地盤へ伝播する地下逸散減衰(radiation damping)

解析で利用される減衰
・ダッシュポット:粘性減衰係数マトリックスc[N・s/m=kgm/s2・s/m=kg/s]*速度ベクトル
・レーリー減衰:c[kg/s]=減衰係数α*質量マトリックス+減衰係数β*剛性マトリックス
・複素剛性:構造減衰:iG*剛性マトリックス*変位

イマイチ、すっきりしていません。もう一歩なんですが。良い資料を見かけたら整理しましょう。

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20211218 追記
個別要素法での減衰を整理しました。少しすっきり。
https://phreeqc.blogspot.com/2021/12/dem_18.html

2021年8月9日月曜日

FLAC3D その3

FLAC3D の動的解析における境界条件です。

まずは「その2」の Local nonviscous damping を利用する方法↓。
A Local Damping Scheme For Nonreflecting Boundary Conditions In Surface Wave Modeling
https://www.earthdoc.org/content/papers/10.3997/2214-4609-pdb.190.sur03

次いで、Document の説明から2種。丁寧に説明されています。
Dynamic Modeling Considerations — FLAC3D 7.0 documentation (itascacg.com) 

動的解析の Quiet Boundaries(吸収境界)

In dynamic problems, however, such boundary conditions cause the reflection of outward propagating waves back into the model, and do not allow the necessary energy radiation. The use of a larger model can minimize the problem, since material damping will absorb most of the energy in the waves reflected from distant boundaries. However, this solution leads to a large computational burden. The alternative is to use quiet (or absorbing) boundaries. Several formulations have been proposed. The viscous boundary developed by Lysmer and Kuhlemeyer (1969) is used in FLAC3D. It is based on the use of independent dashpots in the normal and shear directions at the model boundaries. The method is almost completely effective at absorbing body waves approaching the boundary at angles of incidence greater than 30°. For lower angles of incidence, or for surface waves, there is still energy absorption, but it is not perfect. However, the scheme has the advantage that it operates in the time domain. Its effectiveness has been demonstrated in both finite-element and finite-difference models (Kunar et al. 1977). A variation of the technique proposed by White et al. (1977) is also widely used.

Dynamic analysis starts from some in-situ condition. If a fixed boundary is used while generating the static stress state, this boundary condition can be replaced by quiet boundaries; the boundary gridpoints will be freed, and the boundary reaction forces will be automatically calculated and maintained throughout the dynamic loading phase. However, changes in static loading during the dynamic phase should be avoided. For example, if a tunnel is excavated after quiet boundaries have been specified on the bottom boundary, the whole model will start to move upward. This is because the total gravity force no longer balances the total reaction force at the bottom that was calculated when the boundary was changed to a quiet one.

Free-Field Boundaries

The boundary conditions at the sides of the model must account for the free-field motion that would exist in the absence of the structure.
In order to apply the free-field boundary in FLAC3D, the model must be oriented such that the base is horizontal and its normal is in the direction of the z-axis, and the sides are vertical and their normals are in the direction of either the x- or y-axis. If the direction of propagation of the incident seismic waves is not vertical, then the coordinate axes can be rotated such that the z-axis coincides with the direction of propagation. In this case, gravity will act at an angle to the -axis, and a horizontal free surface will be inclined with respect to the model boundaries.

Vp,Vsの計算方法は SPH でも同様の計算をしていました。そうすると、初期定常の計算時から動的なポアソン比、剛性等を入力する必要があるのでしょう。静的な値で初期定常を行っていると、動的な値へ切り替えた際に定常状態が崩れます。

また、放射状の波を扱う際は、吸収境界が良さそうですね。張替えのサンプルはコチラ↓

http://docs.itascacg.com/flac3d700/flac3d/zone/test3d/Dynamic/ShearWaveFreeFieldBoundModel/ShearWaveFreeFieldBoundModel.html

; Set Initial Conditions
model gravity 10
; Set Boundary Conditions - Roller boundaries
zone face apply velocity-normal 0 range group 'West2' or 'East2'
zone face apply velocity-normal 0 range group 'Bottom'
; Static equilibrium
model dynamic active off
model solve convergence 1
; dynamic
zone face apply-remove range group 'Bottom'  ; Remove velocity boundary
zone face apply quiet range group 'Bottom' ; Add quiet boundary
zone dynamic free-field on ; Free field boundaries
; Solve to time 0.015
model dynamic active on
model solve time-total 0.015


2021年8月8日日曜日

FLAC3D その2

 FLAC3Dの続きです。

減衰は Local nonviscous damping が静的でデフォ。これ、初めて聞いた減衰だったのですが、古くから使われているようです。
↓の文献のように、動的では反射を吸収する境界として利用されているようです。手元のモデルで底に敷いたり外したり検討していたのですが、当たりでした。
A Local Damping Scheme For Nonreflecting Boundary Conditions In Surface Wave Modeling
https://www.earthdoc.org/content/papers/10.3997/2214-4609-pdb.190.sur03

The absorption coefficient α is a constant ranging from 0 to 1 and describes the degree of energy dissipation.
Therefore, local damping seems to be interpreted as energy dissipation by an internal friction mechanism. The magnitude of coefficient α in equation (2) is dimensionless. Therefore, it is independent of properties or boundary conditions and can be set to vary from one grid point to another
(Cundall, 1987).

As an empirical approach to find proper value of the coefficient, we compare results of the presented scheme for a given value of α with those obtained from viscous damping similar to Shin (1995) and from the spatial filtering scheme by Cerjan et al. (1985)

静的でもこの機械的減衰が必要なのは、動的な支配方程式を解いて収束結果を得ているため。大きめの減衰(静的では0.8がデフォ)を入れた方が早く収束するということです。

レーリー減衰については、FEM 等と扱いが同様です。
Dynamic Modeling Considerations — FLAC3D 7.0 documentation (itascacg.com)
 

Thus, for many dynamic analyses that involve large-strain, only a minimal percentage of damping (e.g., 0.5%) may be required.

動的解析では、他にレーリー減衰、人口粘性、ヒステリティックな減衰が実装されていました。 前2つは Local nonviscous dampingと併用できるとありますが(実際、併用できていましたが)、最後は書かれていませんし試していません。

次は境界条件。


FLAC3D

Itasca 社 の FLAC3D の Document を読み直していました。

FLAC3D は 陽解法を用いた Lagrangian finite-volume プログラムです。
https://www.itascacg.com/software/flac3d 

陽的、Lagrangian。当然なのですが、計算の大まかな流れはSPH と同様でした。
http://docs.itascacg.com/flac3d700/flac3d/docproject/source/theory/theoreticalbackground/formulation.html?node2125

  1. 速度(→速度勾配テンソル)→ひずみ勾配テンソル、スピンテンソルを算出
  2. せん断剛性+ひずみ速度テンソル→偏差応力テンソルの共回転微分(ヤウマン微分)+スピンテンソル→コーシー応力のヤウマン応力速度を算出
  3. 塑性化判定
  4. 運動方程式を解いて加速度を算出。重力加速度、地震加速度、補正(レイリー減衰、人工粘性)→速度、変位を算出→ステップ1へ

ひずみ勾配テンソル等を求めるのに tetrahedral shape で 有限体積近似 を利用するのが FLAC3D、 粒子配置を利用するのが SPHと理解。文献では差分法と書かれていたのですが、FLAC(2D)のことでした。2D と3D で採用している空間の離散化手法が異なるようです。ただし、運動方程式の加速度の算出(時間方向)は3Dでも差分近似を利用しています。時間方向だけ差分というのは他でもよく見る手法です。

回転を考慮するヤウマン応力速度を利用するかどうかはスイッチで切り替え可能(large-strain mode)。SPH はタイムステップ毎に近傍粒子を更新しますが、FLAC3Dでは初期のコネクトを保存しており更新しません。ある程度 volume がつぶれると精度が悪化するのは変わらないようです。

陽解法なので全体剛性マトリックスを解く必要がありません。解自体は必ず得ることができます。1回の計算時間は少なくて済みますが、初期定常でも動的な挙動を解いて収束値を探しているため、案外、同じくらいになるのかも。並列化はしやすいと思います。

次は減衰。


2021年8月6日金曜日

スマート調査

昨年度から今年度にかけて、井戸調査を含む仕事が多く入っていたようです。

私は解析業務の管理に携わった程度ですが、現地担当は忙しそうでした。

台帳を見てみると、野帳に記入→EXCEL入力でした。20年以上前から変わっていません。GIS を利用していない方々でしたので、iPad 等での現地入力という選択肢をもっていなかったのかもしれません。

そういう私も、端末用のデジタルフォームを作っていないなあと思い、少し手を動かしてみました。
https://phreeqc.blogspot.com/2017/12/survey123-for-arcgis.html
 

今回は、ArcGIS Survey123 Connect を利用。EXCELで項目を追加するだけで、入力フォーマットが作成されて行きます。非常に簡単です。

1~2時間ほどでプロトタイプが完成。

で、アップロード。 

ジオリファレンスは1個のみ、とエラーを吐かれたので、修正して再度アップロード。

実際にスマホで入力してみると、想像以上に使い勝手が良い(iPadよりも)!
1タップで選択できる項目を多く配置したので、入力が楽&速い。これは後のフィルタリングで困らないためだったのですが、かなりの入力効率化につながりました。
リバースジオコーディングで位置情報から住所の入力も可能です(クレジットを消費します)。必須入力項目を指定しておけば、記入漏れを防ぐことができます。何より、帰社後の写真整理や位置図の貼り付けが不要になるのが嬉しい。しかも、入力したデータは既に GIS データになっています。これで帰社後の整理作業がほぼなくなりました。

入力の準備が終わったので、さあメンバーの追加!と思いきや、グループに現地調査員(仮)を追加できません。ん?

サポートに確認すると、デフォでは同種類のメンバーしか共有できないとのこと。組織アカウントでフォームを作成したなら、基本は同じ組織アカウントしかデータを入力・共有できない仕様。うーん、ここにきて使えない。ライセンス数分のアカウントを各班に割り当ててしまうと、他の GIS 作業がストップします。うーん。
不特定多数への完全公開は論外。残る手段は Field Worker ライセンスの購入だそうです。online では $350/yr で販売されていました。うーん、商売上手。私が担当なら買っちゃうでしょうね。

次は、入力したデータを含む台帳を印刷。
と思いましたが、ココでもクレジットを消費するそうです。これは VBA 等でスクリプトを組んだ方が自由に加工できるかも。今回はココまでかな。

他部署では、ソフトの作成・利用で現地調査の効率化・ペーパーレス化が進んでいます。設計部署でも AR を利用した現地踏査が始まっています。
「携帯端末を現地調査に使わない(使えない)」は、とっくに卒業すべき時期を迎えていたようです。


スポーツクライミング

オリンピックの新競技、スポーツクライミングをTVで観ています。

面白いですね。
難しい課題を登っていく選手。見ていてコチラまで腕が疲れそうになります。

三種目の順位の掛け算がポイントで少ないほうが優勝なんですね。知りませんでした。

競技人口、多くなるかな?


2021年8月5日木曜日

Today's Earth

https://www.eorc.jaxa.jp/water/index_j.html

"Today's Earth (TE)" は、JAXAが東京大学と共同で開発した陸上の水循環シミュレーションシステムです。河川流量や土壌水分量など、人間社会にとって極めて重要な水に関するデータの配布と可視化を通して、災害監視や水文学研究に役立てられています。 

全球と日本(詳細版)の2種類が web で公開されています。近年、陸水シミュレーションで全国を扱っている例を稀に見ますが、入力値に衛星‐データを利用しているのはココだけでは?さらに結果をオンタイムで web 上に公開されている点に驚き。先日の LiCSAR もそうですが、計算分野の処理技術には驚かされます。

データも公開されています。
wget で 14年分の daily データを3種類落としてみました。5時間程度かかりました(並列化しないといけないかな)。
データ形式は netCDF。データの並びについて説明がなかったのですが、これは気象業界の常識があるのかもしれません。
期待していたリスク値は含まれていませんでした。確率年等の数字は全国一律で表現できるので有用なのですが、残念。

1日1か所のデータを1行にまとめると、1年で5千万行を超えました。手元のPCはメモリーオーバーを吐きます。グリッド形式のまま扱うしかないかな?
大量のデータをオンタイムで提供していただけるようになったのはありがたいのですが、自身の update が追いついきません。新品に買い替えできたらよいのに。