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활용사례
[Bridge] 워터게이트 교량해석(아일랜드)개요
아치 프로파일 조사
선형, 비선형 버클링 해석
구조물의 전체 모델링과 연결부의 국부적 모델링
새로운 Watergate Bridge는 아일랜드 Meath의 Trim 지역의 Boyne River를 가로지르는 교량으로 아치하단에서 최고점까지의 수직높이가 낮으며, 캔틸레버식 인도가 있는 포물선의 아치도로교이다. 설계사인 ‘Roughan & O’Donovan’은 가 설계안과 구조물 형태에 대한 선정, 교량 상판부의 선형, 기하학적 비선형 버클링 해석 그리고 복합적으로 설계된 연결부위에 대한 국부적 해석을 포함한 교량해석에 대한 모든 측면에 대해 LUSAS Bridge를 사용하여 해석을 수행하였다.
새로운 교량 경간은 35m 이고, Macalloy 행거바 두 개가 Universal Beam 부재와 연결되어 있는 뾰족한 오각형모양의 아치 현재(弦材) 구역으로 이루어져 있다. 횡방향으로 배치된 강재기둥과 다이아프램이 225mm두께의 철근콘크리트 철골구조와 함께 합성거동을 하는 슬라브를 지지하고 있다. 그것은 하중 제한을 가지고 있었고 보수작업이 어려운 형상인 이전의 복합 멀티 경간 구조물을 대체하였다.
순경간 교체 구조물은 현재 세 개의 와이드 교각과 교량 상판구조물로 인해 야기되는 상류지역의 정기적 홍수문제를 덜기위하여 요구되었다. Meath 지방의회를 위한 결과물은 마을과 그 주변지역의 유산이 될 수 있는 대표적인 근대적인 구조물이 되었다.
2차원 가설계
선택 가능한 아치 형상과 행거의 종류와 단면적 등 가설계를 위한 정보를 도출하기 위해 LUSAS를 사용한 2차원 빔 모델을 구성하였다. 이들 모델은 각 배치의 장점과 단점을 빠르게 보여준다. 아름다운 미관에 주안을 두어 높은 아치보다는 수직 행거로드에 의한 낮은 높이의 아치가 선택되었다. 그러나 이는 보다 많은 휨 효과가 아치와 종방향 부재에 발생할 수 있음을 의미하며, 또한 아치는 수평방향으로 충분히 구속될 수 없으므로 아치의 좌굴에 대한 주의 깊은 고려가 요구된다.
아치형태를 결정한 다음 과정은 종방향 연결부재에 대한 아치현(弦)부재의 상대적 단면의 크기에 대한 비교해석을 수행하는 것이었는데, 강성이 큰 아치가 판에 대하 효과를 감소시키거나 그 반대의 경우가 생기기 때문이다. 이 과정은 LUSAS의 섹션 라이브러리를 이용하여 아주 많이 단순화시킬 수 있었다. 이것은 아치에 대한 최악의 효과가 경간 내 부분적으로 재하되고 하중 밀도가 높으며 짧은 구간에 재하되는 하중으로 인해 야기된다는 것을 보여주는 영향선해석을 수행하도록 하였다.
최종적으로, 가설계의 가능한 가장 중요한 단계는 버클링 해석이었다. UK 설계코드 BS5400 제 3장은 압축부재에 대한 유효길이의 표를 제시하고 있으며, 전체적으로 다소 보수적인 경향이 있지만 설계사가 탄성 임계 좌굴 해석을 통해서 유효길이를 결정할 수 있도록 허용하고 있다. LUSAS를 통해 최초 약간의 mode shape과 유효길이의 계산이 가능하였고, 임계 좌굴 하중을 찾아낼 수 있었다.
3차원 상세해석
탄성해석은 상판은 thick shell 요소로 구성한 3차원 빔모델로 수행하였다. 활하중, 온도하중, 그리고 아치리브에 대한 충돌효과가 모두 해석되었다. 이로부터 tie beam의 인장력이 합성 콘크리트판에 영향을 미치며 결과적으로 거더의 크기가 감소되어야 하고 인장응력을 견뎌내기 위해 추가적으로 철근보강재가 필요함을 알 수 있었다. 이 때문에 tie beam으로 된 일체식 판이 설계되었고, 비틀림을 고려하여 거더를 강화하였다.
2차원 모델의 선형 좌굴 해석으로부터 임계 좌굴 하중이 과도한 것으로 평가되었고, 정확한 구속조건을 표현하는 3차원 모델로 재계산되었다. 기하 비선형 좌굴 해석을 통해 판에 대한 2차적 하중효과를 검토하였고 하중케이스로부터 등 분포하중을 경간 전체에 재하하면 아치의 측면 처짐이 최대로 야기된다는 것을 알 수 있었다. 3차원 선형해석과 비선형 해석을 통한 유효길이의 비교는 각각 12.5m와 12.7m의 매우 유사한 결과값을 주었다. 이들 결과들에 근거하여 사용되는 강재의 최대 허용 압축응력은 212N/mm2 이상이어야 한다는 결론을 얻을 수 있었다.
국부 모델링
3차원 선형 빔모델이 각각의 부재에 대한 설계를 만족시키는 것과 동시에, 좀더 상세한 국부모델이 베어링 상단의 아치와 거더의 연결부, 아치와 타이로드 연결부와 같이 복합적으로 설계된 연결부위에 요구 되어졌다. 3차원 전체 모델로부터 얻어진 힘과 모멘트는 이들 연결부가 쉽게 발견되고 경제적으로 용접될 부분의 크기를 찾아낼 수 있게끔 응력과 전단력의 분배가 허용되도록 국부모델에 적용되었다.
