Avenues Walk Flyover의 해석 및 설계

• 세계에서 가장 길고 많은 곡률을 가진 단일 경량 거더교량 중 하나에 대한 상세 3D 해석

• 하부 측면 브레이싱 요구 사항에 대한 조사

• 슬래브 타설 순서에 대한 하중 상승 해석

Avenues Walk Flyover는 플로리다 동부 연안 철도를 가로지르는 단일 경량 곡선 거더교량으로, 잭슨빌 남쪽의 제한된 부지에 위치한 사적 혼합 사용 개발 프로젝트에 접근을 제공합니다. GAI Consultants는 구조물에 대한 상세 3D 해석 및 비교 검토를 위해 LUSAS Bridge 해석 소프트웨어를 사용하였으며, 특히 하부 측면 브레이싱 옵션을 조사하고 슬래브 타설 건설 순서 동안 하중 상승을 줄일 수 있는 방법을 제공하였습니다.

개요

Avenues Walk Flyover는 인터스테이트 95 및 플로리다 동부 연안 철도에 의해 경계 지어진 삼각형 형태의 혼합 사용 개발 부지에 접근합니다. 교량 정렬은 접근 도로가 규정된 철도 이격 거리 요구 사항을 충족하기 위해 충분히 상승하도록 하기 위해 가능한 토지 공간 내에서 설정되었습니다. 결과적으로 발생한 심각한 곡률과 길이로 인해 기하학적 및 경제적 제약에 맞는 혁신적인 설계 및 시공 방법을 개발해야 했습니다. GAIs의 최종 솔루션은 218ft의 스팬 길이, 79ft의 폭 및 300ft의 중심선 반경을 가지고 있어 Avenues Walk Flyover는 세계에서 가장 길고 많은 곡률을 가진 단일 경량 거더교량 구조 중 하나입니다.

이 교량을 위한 스팬 및 곡률의 조합을 달성하기 위해 용량을 최적화하고 안정성을 보장하기 위한 독특한 설계 요소가 필요했습니다. 다양한 축 쏠림, 비대칭 거더 간격 및 깊이, 하부 측면 거더 브레이싱, 하중 상승 저항 베어링, 32톤의 콘크리트 균형추, 그리고 횡단적으로 단계별로 나누어진 슬래브 타설 등이 최종 설계에 포함되었습니다.

교량 개발

개념 설계는 단일 스팬과 삼 스팬 옵션을 검토하였으며, 개발자가 선호하는 저비용 단일 스팬 옵션이 선택되었습니다. 이를 위해 별도의 37ft 너비의 단일 스팬 동쪽 및 서쪽 구조물이 처음 제안되었으나, 이러한 개별적이고 협소한 곡선 구조물에서의 하중 상승 가능성이 발견되어 안정성이 더 큰 단일 73ft 폭 구조가 선택되었습니다. 다양한 축 방향 배치와 상대적 안정성/하중 상승 문제에 대한 추가 조사를 통해 최종 솔루션은 평행한 끝지지대를 사용하고 한쪽은 반지름이 있는 것으로 하중 상승 가능성을 일부 가지며, 다른 한쪽은 도로와 약 45도 비스듬하게 기운 형태가 되었습니다. 교량 슬래드를 지탱하기 위해 여덟 개의 중앙에 배치된 동일 간격의 거더를 제안했으나, 해석 결과 심각한 곡률 때문에 가장 외부의 두 거더가 내부 거더보다 4배에서 5배 더 많은 모멘트를 지탱하고 있다는 사실이 발견되었습니다. 이로 인해 GA에서는 거더 세트를 곡선의 외부로 이동시켰고, 이는 슬래브의 오버행을 줄이는 효과를 보였습니다. 이로 인해 가장 무거운 하중을 받는 거더의 하중 분포에서 10%의 유리한 감소를 가져왔습니다. 거더 간격도 조정되었습니다. 두 외부, 120ft 깊이의 거더들에 대한 간격은 고정 9ft-5in에서 8ft-0in으로 줄여졌고 다섯 개의 내부, 104ft 깊이의 거더 간격은 10ft-0in으로 증가되었습니다. 교량의 중심선 반경이 300ft이므로 4%의 슈퍼 엘리베이션이 필요하여 외곽 커브 라인이 내부 커브 라인보다 34인치 높아졌습니다. 따라서, 외부 거더는 내부 거더보다 16인치 깊이가 적기 때문에, 내부 여섯 개 위치에 대해 얕은 거더를 사용함으로써 전체 교량 높이에서 10인치를 절약할 수 있었습니다.

교량의 시공 및 사용 중 하중에 대한 거동을 검증하기 위해 그리드 및 유한 요소 해석 소프트웨어가 사용되었습니다. 2D 그리드 해석은 주로 전체 거더 설계, 플랜지 판 최적화, 다이아프램 설계 및 베어링 설계에 대한 ‘프레임워크’ 도구로 사용되었습니다. 3D 유한 요소 해석은 LUSAS Bridge를 사용하여 상세한 설계를 수행하여 각 교량 부재에서 3D 효과를 고려하도록 하였습니다. 이는 그리드 해석으로는 불가능합니다. LUSAS를 사용하여 하중 하중 효과를 평가하고 마지막 시공 변위를 도출하였습니다. 각 차량 차선에 대한 라이브 하중이 해석되었으며, 조합 및 범위가 최악의 경우 값을 생성하였습니다. LUSAS는 또한 베어링 강성, 하부 측면 브레이싱 하중 및 횡단 슬래브 타설 시 발생할 수 있는 하중 상승을 조사하는 데 사용되었습니다. 제안된 설계의 최종 해석은 제3자가 수행하여 얻어진 결과를 검증하였습니다.

슬래브 타설 순서 해석

강철 프레임은 두 개의 지지 타워 위에 시공되었습니다. 그러나 슬래브 타설 전에 타워가 제거되었습니다. 결과적으로, 슬래브 타설로 인해 발생한 하중 상승을 극복해야 했습니다. 교량의 모든 강철 프레임이 과도력을 저항하기 위해 배치되어 있으나, 방지하기 위한 32톤의 콘크리트 균형추가 반지름 교각의 내부 가장자리 거더 옆에 배치되었습니다. 또한, 슬래브는 네 개의 내부 거더 선 위에 해당하는 첫 번째 섹션과 함께 두 개의 횡단 슬래브 섹션으로 배치되었습니다. 슬래브가 양생된 후, 나머지 섹션이 배치되었으며, 첫 번째 타설은 균형추로 작용했습니다. 교량은 하중 상승 저항 베어링과 내부 가장자리의 반지름 교각에 충족할 수 있는 하중 상승 저항 기초와 함께 시공되었습니다. 이베어링들은 모든 하중 상승 및 가장 나쁜 경우 분석 모델에 나타나는 하중 효과를 포함하여 충분한 용량을 가지고 있었습니다.

해석을 통해 각 거더에 대한 중간 스팬 하중 변위를 계산하고 비교하였습니다. 지지 타워가 제거된 후, 외부 거더의 계산된 변형률은 LUSAS 3D 유한 요소 모델에서 10.8인치, 2D 그리드 해석 모델에서 13.4인치로, 약 25%의 변동을 보여주었습니다. 이러한 차이는 그리드 해석이 측면 브레이싱 효과를 포함하는 데 한계가 있기 때문입니다. 모델들은 끝 반력 및 반지름 교각에서의 하중 상승 가능성에 대해 좋은 일치를 보였습니다. 외부 거더의 최대 하강 반력의 경우, 모든 모델은 2% 이내로 일치하였습니다.

GAI Consultants의 엔지니어인 Samuel N. Spear는 다음과 같이 말했습니다: “LUSAS는 프로젝트에 귀중한 도구로 입증되었습니다. 우리는 다양한 시공 단계와 사용 중 하중을 모델링할 수 있는 능력을 특히 즐겼습니다. 또한 LUSAS 지원팀은 모델링 지원이 필요할 때마다 질문에 대한 답변을 해주어 매우 유용했습니다.”