LUSAS SPECIALIZED SITES
활용사례
[Bridge] York 새천년 기념교량의 해석개요
사장교 형태의 인도교
동해석
국부해석 및 전체해석
London에 소재한 Whitby Bird and Partner 사는 multi-disciplinary 컨설팅 엔지니어링사로 기술과 혁신에 있어 선도적인 위치에 있다. Ouse강을 가로지르는 York Millennium교에 대한 대회입상작인 설계는 자전거의 바퀴살에서 영감을 얻은 것으로, 얇은 박스 거더 상판을 지지하는 일렬로 된 케이블이 경사진 아치형태를 이루고 있다. 설계의 완전성을 입증하기 위해 LUSAS Bridge를 사용하여 선형, 기하학적 비선형, 동해석을 차례로 수행하였다.
교량은 전체 약 150m의 길이로 주 경간이 80m가 경사진 현으로 되어있다. 상판은 outriggers 방향으로 캔틸레버화 되어 있는 사다리꼴의 강재 박스거더로 구성되어 있다. 상판은 수평면을 기준으로 50도 경사진 아치로부터 연결된 직경 19mm의 스텐레스 스틸 케이블과 연결 되어있다. 케이블은 대략 중앙1m 지점에서부터 상판을 따라 이어지는 거치부에 교착되어 있으며, 마치 자전거 스포크의 한 쌍이 놓여있는 것 같은 외관을 보여주고 있다. 서쪽 편에서 보면, 긴 접속경간은 교대로부터 솟아올라 있고 주 경간에 도달하기 전에 4개의 중간 교각에 걸쳐 이어져 있다. 서쪽편 강둑에서 아치는 경사진 교각으로부터 솟아올라와 있다. 주 경간은 보트가 교각이나 콘크리트 교대에 접안하기 전에는 운항에 장애가 되지 않도록 시공 되는 것으로 주경간의 중심부는 보트가 지나다닐 수 있도록 충분히 높아야 했다. 교량은 강둑에서 제작되어 바지선을 이용하여 이동하게 될 것이다. 교량은 최종 가설 위치 바로 옆에서 시공 되었고 평평하고 넓은 보트를 이용하여 강을 가로질러 현재 교량의 위치로 이동시킴으로써 시공이 완료되었다.
선형 해석 – shell 요소를 이용한 상판의 모델링
좌굴과 항복에 대한 판응력을 얻어내기 위해서, 각 상판을 모두 Shell 요소로 이상화한 LUSAS 모델을 사용하였다. 아치는 보요소를 사용하여 모델링 되었고, 아치의 상판 끝단에서 Shell요소와 연결되었다. 시공단계별 검토를 위해 각 단계를 표현하는 3가지 모델이 사용되었다.
아치 자중, 주 경간, 케이블이 없는 상태의 아치부분
주경간 무게, 주경간, 아치와 케이블
활하중과 접속경간 자중, 교량 전체
3개의 각 모델로부터 얻어진 응력값을 가공해서 교량 상판에 발생하는 enveloped stress를 얻어내었다. 모델 구성의 복잡도로 인해 선형해석만 수행할 수 있었다.
아치의 비선형 좌굴 해석
좌굴에 대한 아치의 안정성을 입증하기 위해 기하학적 비선형을 고려하는 시공단계 해석모델이 사용되었다. 이 모델에서 각 해석단계마다 새로운 구속조건들이 활성화되는데 이것이 시공의 진행상황을 표현하는 것이다. 이러한 비선형 시공단계별 해석을 수행하는데 있어 시간을 절감하기 위하여 교량 상판과 아치는 등가의 단면상수를 가지는 빔 요소로 모델링 하였다.
동해석(Dynamic analysis)
보행자 하중에 대한 교량의 동적응답이 영국 시방서 BS5400의 제 2장 부록 C의 요건에 따라서 해석되었다. LUSAS 동해석 모델로부터 고유치를 얻어내고, 진동수에 대한 가속도의 진동수 응답 함수를 교량의 여러 지점에 대해 수직으로 편진되는 단위응력에 대해 계산되었다. 가속도는 영국 시방서 BS5400 제 2장에 기술된 바와 같이 0.6(fo)에서 0.5으로 허용 가능한 최대값과 비교하였다. 게다가 풍하중하에서 아치의 상태에 대한 동해석도 실시되었다. mass와 스프링 보강재와 Rayleigh 감쇠계수를 사용한 Tuned Mass Damper를 표현하는 조인트 요소가 추가적으로 사용되었다. 응답시간에 대한 변위그래프가 얻어졌으며, 결과적으로 아치의 댐핑을 조절하는데 TMD가 사용되도록 설계되었다.
” LUSAS를 사용함으로써 설계에 대한 총체적 철학과 엔지니어링의 경계를 확대하고자 하는 Whitby Bird and Partners의 이념이 실행될 수 있었다. 컴퓨터 모델을 통해 이전에는 자신있게 설계되기 힘들었던 아주 가늘고 우아하며 비용절감이 가능한 구조물의 설계가 가능하였다. 또한 아치를 경사위치로 시공하는 과정에서 추가 발생하는 응력으로 문제가 생기지 않도록 하기 위하여 여러 시공단계에 대한 복잡한 시공 전략들을 사전에 시뮬레이션화 할 수 있었다.”
