사례 연구

두바이 메트로 경전철 프로젝트를 위한 교량 하부 구조물의 내진 해석

• 콘크리트 교량 구조물의 2D 및 3D 모델링

• AASHTO LRFD에 따른 내진 해석

• 내진 및 수정된 BS 5400 하중 조합에서 얻은 말뚝 및 교각 설계 모멘트

두바이 메트로 경전철 계획의 적색선과 녹색선은 국제 건설사 컨소시엄에 의해 설계-시공 계약으로 건설되고 있습니다. 세계적인 엔지니어링 및 설계 컨설팅 회사 중 하나인 Atkins는 두바이 래피드 링크(DURL) 컨소시엄의 주요 토목 건설사의 선임 설계사로서, 프로젝트의 토목 공사에 대한 완전한 다학제 설계 및 프로젝트 관리를 수행하고 있습니다. Atkins는 LUSAS Bridge 해석 소프트웨어를 사용하여 프로젝트의 다양한 구조물에 대한 해석 및 설계를 지원했으며, 여기에는 교량 하부 구조물의 내진 해석이 포함되어 교각 및 말뚝 단면 설계 및 보강에 사용될 최대 휨 모멘트를 도출했습니다.

적색선은 제벨 알리 항구에서 시내 중심부를 거쳐 알 라쉬디야까지 총 52km를 운행합니다. 이 길이 중 약 42km는 고가 교량 구조물입니다. 녹색선은 알 쿠세이스에서 시내 중심부를 거쳐 알 자다프까지 총 24km를 운행합니다. 이 길이 중 약 16km는 고가 교량 구조물입니다.

개요

적색선과 녹색선의 교량은 U자형 단면의 단순 지지 단경간 사후 긴장 프리캐스트 덱과 고정 및 자유 가이드 슬라이딩 포트 베어링에 지지되는 2경간 및 3경간 연속 덱의 조합으로 구성됩니다. 대부분의 교량 경간은 표준 28m, 32m 또는 36m 길이이며 일반적으로 직경 1.75m 또는 2m의 단일 원형 철근 콘크리트 기둥에 지지됩니다. 플레어드 교두가 덱을 지지합니다. 시공 속도를 위해 대부분의 단일 교각은 직경 2.2m 및 2.4m의 보어드 모노파일에 지지됩니다. 단경간, 복경간 및 역 간의 교두는 프리캐스트 구조물입니다(현장 타설 콘크리트 충진 및 사전 긴장이 필요함). 단선 및 3경간 연속 교량 구조물의 교두는 전적으로 현장에서 시공되며, 이러한 구조물에는 대형 직경 보어드 파일이 사용되었습니다. 대부분의 덱 단면은 갠트리로 조립되지만, 교각 및 말뚝 설계의 경우 갠트리에서 발생하는 임시 시공 하중은 잠재적인 내진 하중으로 인해 발생하는 하중보다 일반적으로 덜 부담스러운 것으로 나타났습니다.

시공 프로그램에 따라 설계 초기 9개월 동안 1200개 이상의 고유한 기초 설계를 완료하여 교량 건설을 중요 경로에서 벗어나게 해야 했습니다. 처음에 시공을 앞서 나가기 위해 자동화 및 보수적인 설계 방법을 사용했지만, 시간이 허락함에 따라 아직 건설되지 않은 기초의 설계를 최적화하기 위해 보다 정교한 계산이 도입되었습니다. 교량 설계는 BS 5400 및 관련 표준을 기반으로 했으며, 내진 설계에는 AASHTO LRFD 교량 설계 사양이 사용되었습니다. LUSAS Bridge를 사용하여 경간 유형에 따라 교량 단면의 2D 및 3D 모델링이 수행되었습니다.

처음에 LUSAS에서 2D 횡단 및 종단 모델이 생성되어 단순 지지 단경간 구조물을 모델링했습니다. 이를 통해 첫 3개의 모드 형상에 대한 고유 진동수를 얻어 AASHTO LRFD 설계 응답 스펙트럼과 함께 사용하여 말뚝 및 교각 단면 설계를 위한 가속도 값을 생성했습니다. 횡단 모델의 경우 보 요소가 말뚝, 교각 및 횡보를 나타냈습니다. 말뚝 모델링은 등가 캔틸레버 방법을 사용하여 수행되었습니다(탄성 스프링을 가진 보로 지반/구조물 상호 작용을 모델링하는 대신). Atkins 지반 공학 팀에서 제공한 적절한 정적 및 동적 값이 사용되었습니다. 탄성 베어링은 적절한 강성을 가진 조인트 요소로 모델링되었습니다. 설계 기준 보고서에 따라 단일 선로에 작용하는 열차의 무게는 열차의 질량 중심에 적합한 질량과 수직 편심을 가진 조인트 요소로 표현되었습니다. 2m에서 20m까지의 다양한 교각 높이와 1.75m 및 2m의 교각 직경이 조사되었습니다. 유사한 모델링 기법을 사용하여 구축된 종단 모델은 일련의 36m 길이 교량 경간을 평가했습니다. 이 모델에서는 보 요소가 덱 부재를 나타냈으며, 경간의 실제 질량과 중첩된 고정 하중의 추가 질량을 나타내기 위해 등가 질량 밀도를 사용했습니다.

각 3D 모델에 대해 고유값 해석을 통해 처음 30개의 모드 형상이 생성되었습니다. 그런 다음 AASHTO LRFD 코드에서 요구하는 95% 미만이 아닌지 확인하기 위해 각 방향에서 여기된 질량의 비율을 확인했습니다. LUSAS Interactive Modal Dynamics(IMD) 기능을 사용하고 AASHTO 응답 스펙트럼 및 관련 감쇠 값을 사용하는 CQC 조합을 지정하여 응답 스펙트럼에 대한 모든 교각 기초에서의 최대 휨 모멘트를 얻었습니다. IMD 해석 결과는 최종 설계 값을 얻기 위해 수정된 BS5400 하중 조합과 결합되었습니다. 이를 바탕으로 각 지지대에 대해 생성된 특정 힘-모멘트 봉투에 맞게 말뚝 및 교각 보강재가 설계되고 절단되었습니다.

LUSAS 출력은 SRSS 방법을 사용한 스프레드시트 계산과 추가 등가 정적 해석을 통해 검증되었습니다. 프로젝트 엔지니어인 Manuela Chiarello는 다음과 같이 설명합니다. “각 모델에 대해 각 모드가 구조물의 총 응답에 얼마나 참여하는지 확인하고 지배적인 모드에 대해서만 스프레드시트를 사용하여 SRSS 해석을 실행했습니다.” 그녀는 계속해서 “그 후 지배적인 모드의 주파수를 사용하여 AASHTO 응답 스펙트럼의 해당 가속도를 사용하여 등가 정적 해석을 실행했습니다.” 이러한 방법은 IMD 결과와 비교하여 근사치와 보수적인 결과를 제공해야 하지만, 결과 확인 및 모델링 이상 징후를 강조하는 데 도움이 되었습니다.

Atkins의 교량 엔지니어링 지역 책임자인 David A Smith는 다음과 같이 말했습니다. “우리는 합의된 시공 일정에 따라 교량 하부 구조물과 덱을 건설할 수 있도록 이 프로젝트에서 여러 설계 및 프로그램 과제를 해결해야 했습니다.” 그는 계속해서 “궁극적으로 덱과 주요 하부 구조물 부품에 프리캐스트 콘크리트 부품을 사용하고 LUSAS 소프트웨어를 설계 프로세스 지원에 사용하는 것이 교량 건설이 계획대로 진행되도록 하는 데 도움이 되었습니다.

공식 개장

적색선은 2009년 9월 9일 UAE 부통령 겸 총리이자 두바이 통치자인 His Highness Shaikh Mohammad Bin Rashid Al Maktoum에 의해 공식적으로 개장되었습니다. 총 29개 역 중 10개의 주요 역이 처음에 승객에게 개방되었으며, 나머지 역은 다음 몇 달 동안 단계적으로 개방되었습니다. 모든 적색선 역은 2010년 2월까지 운영될 예정입니다. 녹색선은 2010년 6월에 개장될 예정입니다.

Atkins가 LUSAS를 사용하여 두바이 메트로 경전철 프로젝트에서 수행한 기타 해석은 다음과 같습니다:

• 다양한 ‘무빙워크’ 및 ‘비무빙워크’ 유형의 강철 트러스 보행자 다리에 대한 해석.
• 레일 응력 및 구조물 결과력 도출 및 확인을 위한 레일 트랙/구조물 상호 작용 해석.
• 개정된 지붕 하중 구성에 대한 Abu Baker 역 로비의 재설계 점검.

“덱과 주요 하부 구조물 부품에 프리캐스트 콘크리트 부품을 사용하고 LUSAS 소프트웨어를 설계 프로세스 지원에 사용하는 것이 교량 건설이 계획대로 진행되도록 하는 데 도움이 되었습니다.”

David A Smith, Atkins 교량 엔지니어링 지역 책임자