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활용사례
다울리시 역 교량
다우리시 역 보행자 교량
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영국의 주요 기차역에 설치된 최초의 섬유강화 폴리머(FRP) 복합재 교량의 설계 및 해석
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완공 후 이 보행자 교량은 최초의 2급 등록 FRP 교량이 되었습니다.
토니 기와 하청업체 옵티마 프로젝트스가 설계하고, 파슨스 브린커호프에 의해 제3자 확인을 받은 다우리시 역 보행자 교량은 부식이 심각한 강철 교량의 거의 동일한 경량 섬유강화 폴리머(FRP) 대체 구조물입니다. 이것은 영국의 주요 기차역에 설치된 최초의 FRP 복합재 교량이며, 또한 최초의 2급 등록 FRP 교량으로 주목할 만합니다. 구조물은 원래 강철 구조물의 특성을 미학적으로 재현하지만, 네트워크 레일은 고객에게 훨씬 더 가볍고 내구성이 뛰어난 솔루션을 제공하여 전체 수명 비용 절감 효과를 가져올 것으로 기대하고 있습니다. 토니 기는 LUSAS Bridge 해석 소프트웨어를 사용하여 설계를 도왔습니다.
개요
다우리시 역은 1830년 이사바드 킹덤 브루넬에 의해 설계되었으며 2급 등록 건물입니다. 극도로 가혹한 해안 환경에 위치해 있어 1937년에 재건축된 17.5 미터(57′-4″) 길이의 덮인 강철 보행자 교량이 수년 간 점진적으로 열화를 겪었습니다. 2004년의 상세 점검에서 여러 부위에서 부식이 발견되었습니다. 2010년의 추적 점검에서는 구조물이 더욱 열화되었음을 확인했으며, 2011년의 최종 연구에서는 기둥/교차 기둥 연결부에서 심각한 부식이 발견되었습니다. 상세한 해석 결과, 구조물이 부재의 부식으로 인하여 규정된 하중을 수송할 수 없으며, ‘새 것’ 상태에서조차도 교량은 상판의 수평 안정성을 제공하는 U-프레임에서 강도와 강성이 부족하여 부적합하다는 것이 확인되었습니다.
비싼 같은 유형의 수리 방안 및 완전한 새로운 강철 대체 방안이 고려되었으나, 극단적인 해안 환경으로 인해 네트워크 레일은 전적으로 섬유 강화 폴리머(FRP) 대체 구조물을 설치하기로 결정했습니다.
오래된 부식된 강철 보행자 교량
(사진: 네트워크 레일)
역 위치와 이전 강철 보행자 교량 및 해양의 근접성
구조 형태
새로운 교량 구조물은 전적으로 FRP 재료로 제조되었으며, 이전 교량과 모든 면에서 유사합니다. 동일한 거리 span을 가지며, 1.8 미터 너비의 보행로를 지지하고, 광폭의 이연 선반이 있는 같은 스타일의 지붕으로 덮여 있습니다. 이전 강철 교량의 기둥은 틀에 조립된 리벳된 부재로 구성되었으며 명확하게 볼 수 있는 X-브레이스 세부사항이 있었고, 이는 부식 패턴으로 인해 강조되었습니다. 이 세부사항과 리벳된 구조는 구조의 ‘특성’의 핵심 부분으로 식별되었으며, 계획 및 등록 건물 기관과의 논의에서 이러한 특징들이 어떤 교체 구조로도 보존되어야 한다고 결정되었습니다. 그 결과 구조물에는 모조 리벳 머리가 결합되어 있거나, 어떤 경우에는 결합된 조인트에 대한 백업으로 머리가 돔형인 구조용 볼트가 장착되었습니다.
부재 대부분은 필요한 구조적 속성을 달성하기 위해 유리 섬유 보강재와 방화성 폴리에스터 수지를 사용하여 프롤루션 처리되었습니다. 주요 구조와 난간 모두 1.66 미터 깊이의 측면 기둥으로 구성되어 있으며, 각각은 폼 코어 전단 웹으로 형성되어 있으며, 방화성 에폭시 수지와 이축 유리 섬유 보강물로 필름 주입에 의해 성형되었습니다. 기둥 플랜지는 상단 및 하단에 프롤루션화된 각재 및 플레이트로 마감되었습니다. 17.5m 길이의 프롤루션 부품은 이러한 플랜지를 제조하는 데 사용되었으며 조인트의 필요성을 피하였습니다.전단 보강재는 프롤루션화된 플레이트로 구성되어 있으며, 등판 아래에서 전단 각형 부재와 연결되어 추가적인 측면 지원을 제공합니다.
데크는 경량 ‘Composolite’ 프롤루션 패널로 형성되며, 기둥 사이를 가로질러 걸쳐 있습니다. 데크는 기둥에 결합되어 있으며, 수평의 바람 하중 저항을 위한 전단 패널도 형성하여 데크 아래에 대각선 지지대가 필요하지 않게 하였습니다. 데크는 교량의 끝에서 2.7 미터로 끝나며, 이는 계단 공간을 위한 것입니다. 이러한 돌출부는 측면에서의 큰 바람 하중을 견디기 위해 측면 지지판(아래 이미지에서 녹색으로 표시됨)이 기둥의 외부에 장착되었습니다.
지붕의 가로 프레임은 T-형 단면을 형성하기 위해 서로 맞물린 프롤루션 각형 조각으로 제작되며 결합된 조인트와 볼트 조인트로 유지됩니다. 지붕 프레임은 프롤루션 박스 섹션으로 형성된 세로 purlin을 지지하며, 이는 표준 웨이브형 커버 패널을 지지하고 동시에 기둥 상단에 가로 제약을 제공합니다. 교량의 양쪽 끝에는 측면 및 비틀림 강성을 증가시키기 위해 훨씬 더 강력한 가로 프레임이 포함되어 있습니다. 교량 양쪽 끝의 계단 유닛은 계단 트레드, 상승부 및 측면 패널이 포함된 단일 FRP 성형물로 이루어져 있으며, 교량 기둥의 하단 플랜지에서 매달려 있습니다.
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LUSAS 절반 모델은 개발 과정 중의 기하학적 속성을 보여줍니다. |
LUSAS를 사용한 모델링
구조물 설계를 지원하기 위해 다양한 구성 요소에 적합한 등방성 및 이방성 재료를 사용하여 여러 LUSAS 모델이 생성되었습니다. 토니 기의 이안 스미스 이사는 다음과 같이 요약하였습니다. “우리는 대칭 조건을 사용하여 중간 스팬에서 강도 / 처짐 평가를 수행하기 위해 절반 구조 모델을 사용하였으며, 고유값 자연 주파수 및 좌굴 해석을 위한 약간 단순화된 모델을 사용하였습니다. 계단에 대해선 계단 성형물의 강도 / 처짐 해석(계단 중심선의 대칭을 가진 절반 모델 사용)과 전체 계단 성형물의 동적 기본 주파수 모델을 필요로 했습니다.”
교량은 ‘정상’ 유로코드 보행자 교량 하중을 견딜 수 있어야 하며, 설계자와 네트워크 레일 간의 기준이 합의되었습니다. 많은 승객들이 기차에서 내린 후 동시에 교량을 사용할 수 있기 때문에, 전체 ‘하중 모델 4′(5 kN/m2 분포 하중)가 적용되었습니다.
유로코드에서의 난간 하중은 당시에 잘 해결되지 않았으므로, 이는 도로 제어 시스템을 위한 요구사항을 명시한 구 стар법(TD19/06) 등에서 가져온 것이었습니다.
바람 하중은 개념적으로 간단한 코드 준수 상황이었으나, 이 장소는 노출되어 있으며 바람 하중이 상대적으로 큽니다. 단순한 공기 역학적 안정성 검토에서 수직 또는 비틀림 와도 진동을 유도하는 임계 바람 속도가 설계 평균 바람 속도의 1.25배 이상이라는 점을 지적하여 보다 세부적인 조사가 필요하지 않았습니다. 그러나 이러한 유형의 경량 교량은 기차의 수송 하중으로 인한 공기 역학적 하중에서 동적 응답에 잠재적으로 취약하므로, 기차 전단 가속도의 영향을 모델링하는 여러 시간 영역 해석을 수행하여 참조했습니다.
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| LUSAS 절반 모델은 빔 요소(색상으로 구분된 자홍색)의 윤곽과 쉘 요소(색칠 된 녹색) 및 대칭 지지점을 보여줍니다. |
다우리시 역 보행자 교량 완공 후
설계, 확인 및 승인.
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교량에 사용된 재료가 여전히 네트워크 레일에서 “신규”로 간주되었기 때문에, 철저한 설계 및 검토 프로세스가 구현되었습니다. 토니 기와 파트너스는 승인 원안 문서를 준비하고 디자인 및 설계/검토 인증서를 작성하도록 지명되었습니다. 하청업체인 옵티마 프로젝트스가 수행한 설계 작업은 토니 기에 의해 검증되었으며, 파슨스 브린커호프에 의해 ‘카테고리 3’ 독립적 검토가 완료되었습니다. 네트워크 레일의 자체 계획 및 등록 건물 전문가들은 수리보다는 교량 교체를 정당화하는 등록 건물 동의서를 얻는 과정을 관리했습니다. 결과적으로 생성된 보행자 교량은 원래 강철 구조의 특성을 진정으로 재현하며, 동시에 이전보다 무게가 가볍고 내구성이 뛰어난 솔루션을 제공합니다. 네트워크 레일은 유지 보수 비용 절감으로 인한 상당한 전체 수명 비용 절감 효과를 예상하고 있습니다. |
보행자 교량 내부 모습 |
“LUSAS는 우리가 하는 모든 구조 해석의 첫 번째 선택 도구입니다.
비표준 작업을 수행하는 경우, 우리는 특정 시장 세그먼트에 국한되지 않는 일반적인 유한 요소 해석 패키지가 필요합니다. LUSAS는 이 역할을 충족하며, 아직 토목 공학 규정에 잘 정의되지 않은 재료로 분석하고 설계할 수 있게 해줍니다.”
이안 스미스, 이사, 토니 기와 파트너스
