요크 밀레니엄 교량

활용사례

요크 밀레니엄 교량

케이블 지탱 아치 구조
선형, 비선형 및 동적 해석
단계별 시공 점검

Whitby Bird and Partners(현재 Ramboll의 일부)는 기술 혁신의 최전선에 있는 다학제적 엔지니어링 컨설팅 회사였습니다. 그들의 요크 밀레니엄 교량에 대한 경쟁 우승 설계는 자전거 바퀴의 스포크에서 영감을 받았으며, 경사 아치와 그에 레이디얼하게 정렬된 케이블이 얇은 상자 보도를 지지하고 있습니다. 설계의 무결성을 입증하기 위해 LUSAS Bridge를 사용하여 일련의 선형, 기하학적으로 비선형, 동적 해석을 수행했습니다.

개요

교량의 총 길이는 약 150m로, 80m의 경사 주경간을 포함하고 있습니다. 보도는 외팔보 형상의 강철 트라페조이달 박스로 구성되어 있으며, 외팔부가 달려 있습니다. 보도는 수평에 대해 50도 기울어진 아치에서 19mm 직경의 스테인리스 강줄로 매달려 있습니다. 줄은 약 1m 간격으로 보도의 측면을 따라 잘라져, 자전거 스포크 세트를 연상시킵니다. 서쪽에는 긴 접근 경간이 자주를 지나서 4개의 중간 기둥을 거쳐 주경간에 도달합니다. 서쪽 기슭에서 아치는 경사진 기둥에서 시작됩니다. 주경간은 강을 가로질러 필요 navigational 확장을 이루기 위해 상승한 후 동쪽 기슭의 경사진 기둥과 콘크리트 교대에 착륙합니다. 교량은 강둑에서 시공되어 발사 바지를 통해 위치로 조정됩니다.

보 및 쉘 모델로서 교량 보도의 선형 해석

선형 해석

가닥 및 항복 점검을 위한 판 응력을 추출하기 위해, 모든 보도 판을 쉘 요소로 개별적으로 표현하는 일련의 LUSAS 모델이 개발되었습니다. 아치는 보 요소로 모델링되어 끝에서 보도와 메시는 이루어졌습니다. 세 가지 모델이 시공의 각 단계를 나타내기 위해 사용되었습니다:

아치 자중, 주경간, 케이블 없는 아치
주경간 자중, 주경간, 아치 및 케이블
실제 하중 및 접근 경간 자중. 완전한 교량.

각 모델에서 얻은 응력은 총 응력 외피를 부여하기 위해 서로 중첩되고 필요에 따라 계수화되었습니다. 해당 시점의 하드웨어로 인해 이러한 모델의 계산 복잡성으로 인해 오직 선형 해석만 수행할 수 있었습니다.

비선형 좌굴 해석

아치의 좌굴에 대한 안정성을 입증하기 위해 기하학적으로 비선형 단계적 시공 모델이 사용되었습니다. 이 유형의 모델은 시공 순서를 나타내기 위해 적절한 하중 증가에서 지지를 활성화합니다. 해석 속도를 높이기 위해 보도와 아치는 동등 단면 보 요소로 모델링되었습니다.

오른쪽: 기하학적으로 비선형 좌굴 해석을 위한 동등 단면 보 모델

동적 해석

보행자 하중에 대한 교량의 동적 반응은 BS5400 Part 2 Appendix C의 요구 사항에 따라 해석되었습니다. Eigenvalue는 동적 LUSAS 모델에서 얻어졌으며 교량의 다양한 지점에서 수직으로 맥동하는 단위 하중에 대한 주파수 응답 함수가 계산되었습니다.

가속도는 BS5400 Part 2에 명시된 0.6(fo) ^0.5의 허용 외피와 비교되었습니다. 추가로, 바람 하중에 대한 아치 거동에 대한 동적 해석이 수행되었습니다. 조인트 요소가 추가되어 조정 질량 감쇠기(TMD)를 나타내는데, 질량, 스프링 강도 및 레일리 감쇠 계수를 사용하였습니다. 변위와 응답 시간 간의 플롯이 생성되었고 TMD가 아치의 ‘감쇠’를 제어하기 위해 설계되었습니다.

LUSAS Bridge는 구조가 매우 경제적으로 설계될 수 있게 해주었습니다. 판에서 응력을 추출할 수 있어 보도 단면을 정확하게 설계하고 평가할 수 있었습니다. Des Mairs, 프로젝트 책임자는 “LUSAS를 사용함으로써 설계 철학 전체와 엔지니어링의 한계를 넘으려는 Whitby Bird and Partners의 철학을 달성할 수 있었습니다. 컴퓨터 모델링 덕분에 이전에는 자신 있게 설계할 수 없었던 매우 가벼운, 우아하며, 비용 효율적인 구조를 제공할 수 있었습니다. 복잡한 조립 전략도 다양한 단계에서 해석할 수 있어 아치가 최종 경사 상태에 떨어지는 결과로 추가 응력이 ‘고정되지’ 않도록 보장할 수 있었습니다. 이 사건을 통해 구조가 의도한 대로 작용하도록 하기 위한 선행값이 결정될 수 있었습니다.”

교량은 2000년 가을 보행자와 자전거 교통을 위해 개통되었습니다.

“LUSAS를 사용함으로써 설계 철학 전체와 엔지니어링의 한계를 넘으려는 Whitby Bird and Partners의 철학을 달성할 수 있었습니다. 컴퓨터 모델링 덕분에 이전에는 자신 있게 설계할 수 없었던 매우 가벼운, 우아하며, 비용 효율적인 구조를 제공할 수 있었습니다.”

Des Mairs, 프로젝트 책임자, Whitby Bird