키즈 브릿지

• 구불구불한 강철 통거더 교량의 상세한 구조 해석 및 비선형 유한요소 해석을 통한 강철 접합부 해석

• 시공 단계 모델링 및 부재 크기 최적화

• 디자인 검증을 위한 보행자 유도 진동의 상세한 평가

AECOM은 주요 도로 호주에 의해 퍼스 아동 병원과 인접한 공원을 연결하는 곡선형으로 화려한 교량의 상세 설계를 수행하기 위해 참여하였습니다. 이 교량은 적당한 예산으로 시공 가능해야 하며 다수의 이해관계자들의 우려를 해결해야 했습니다. AECOM은 이러한 도전 과제를 극복하기 위해 LUSAS Bridge 분석 소프트웨어를 사용하기로 결정하였습니다.

개요

시각적으로 매력적인 키즈 브릿지는 퍼스 아동 병원과 QEII 의료 센터 캠퍼스에서 서호주에서 가장 많이 방문되는 곳인 킹스 파크로의 안전하고 직접적인 접근을 제공합니다. 매우 제한된 부지 특성으로 인해 총통거더 디자인이 사용되었으며, 이는 구불구불한 정렬을 수용하기 위한 효율적인 솔루션을 제공하였습니다. LUSAS를 사용한 상세 구조 해석과 인간 유도 진동의 상세한 평가는 설계 팀이 교량 길이에 걸쳐 기둥 수를 줄일 수 있도록 하였습니다. 그 결과, 사용자에게 생동감 넘치는 색상, 부드러운 곡선, 긴 개방된 경간, 자연 소리를 증폭하는 내장 스피커, 프로그래밍 가능한 조명 및 나무 꼭대기 산책로가 마련된 상징적인 설계가 탄생하였습니다.

교량 설명

전체 교량 길이는 약 217m로, 이 중 170m가 고가 구조로 이루어져 있으며, 각 끝단에는 30m 및 17m의 접근 경사로가 있습니다. 고가 구조는 여섯 개의 연속 경간으로 구성되어 있습니다. 윈드롭 애비뉴를 오버하는 두 개의 주요 경간은 약 38m 길이이며, 나머지 접근 경간의 최대 경간 길이는 약 29m입니다. 정렬은 8개의 뚜렷한 수평 곡선과 윈드롭 애비뉴에 대한 수직 곡선을 포함하고 있습니다. 상부 구조는 1200mm 깊이에 400mm 폭의 제작된 강철 박스 거더로 구성된 통거더 디자인으로 되어 있습니다. 박스 거더는 250mm 깊이의 RHS 크로스 빔과 강화를 위한 강판으로 보강되어 있습니다. 125mm 두께의 콘크리트 데크는 강화된 강판 및 박스 거더와 함께 복합적으로 작용합니다. 데크는 고유의 포트 베어링 위에서 지지됩니다. 통거더 디자인이 선택된 이유는 마감 표면 아래의 상부 구조 깊이를 줄여 전체 교량 길이와 킹스 파크 내의 청소 및 교란량을 줄였기 때문입니다.

기둥은 제작된 강철 박스 섹션으로 구성된 역 U-프레임입니다. 기둥의 박스 섹션은 바닥에서 300mm에서 400mm까지 줄어들며, 맨 상단의 수평 부재는 폭이 일정합니다. 기둥은 대부분 콘크리트 보도 기초 위에서 지지되며, 중앙 기둥은 말뚝 위에서 지지됩니다. 교대(교량의 양 끝)는 콘크리트 L자형 옹벽으로 구성되어 있습니다. 교량 형태는 접근 경사로의 옹벽까지 이어지며, 전체 교량과 접근 경간의 형태 일관성을 제공합니다. 옹벽은 박스 섹션에서 안으로 들어가 이 특징을 강조합니다.

전형적인 단면도

LUSAS를 이용한 모델링

AECOM은 LUSAS Bridge를 사용하여 구조를 모델링하고 필요한 동적 및 좌굴 해석을 수행하였습니다. 비대칭 박스 거더, 크로스 거더 및 기둥을 나타내기 위해 빔 요소가 사용되었고, 콘크리트 데크, 강화된 데크 판 및 보도 기초를 모델링하기 위해 쉘 요소가 사용되었습니다. 각 요소의 올바른 편심을 보장하기 위해 오프셋이 사용되었습니다. 지반의 강성은 스프링으로 모델링되었습니다.

시공 단계 모델링

거더의 조인트 및 강성이 시공 단계에 따라 변동하기 때문에 정확한 시공 단계 해석이 필요하였습니다. 연속 거더는 처음에는 임시 지지대 위에 간단히 지지된 조각으로 설치됩니다. 이후 거더 조각들은 스플라이스되고 지지대는 제거됩니다. 그 다음, 거더와 복합적으로 작용하는 콘크리트 데크가 시공됩니다. 이 해석에는 콘크리트 데크 슬래브의 시간 의존적 크리프 및 수축 사항도 포함되었습니다. 

최적화된 작업 흐름 및 부재 크기

구불구불한 정렬과 매우 제한된 부지로 인해 기둥 위치를 찾는 것이 도전적이었습니다. 설계 작업 흐름은 다양한 경간 배열을 신속하게 비교할 수 있도록 하여 설계 팀이 경간을 균형 있게 조절하고 지지 부재 수를 줄일 수 있도록 하였습니다. 구불구불한 정렬은 비대칭 길이 방향 거더와 결합되어 길이 방향 거더는 각 축에 대해 설계 하중 작용을 받고 크로스 거더는 상당한 유도 하중을 받게 되었습니다. 이 작업 흐름을 통해 주요 거더 크기, 크로스 거더 크기 및 위치의 여러 조합을 분석하여 구조적 거동을 개선하고 재료량을 줄일 수 있었습니다. 

보행자 하중 평가

인간 유도 진동의 평가는 구불구불한 정렬과 급격한 곡선 및 큰 외칸탱의 탓에 결정적으로 중요했습니다. 수용 기준과 해석 방법론은 “인간 유도 진동을 위한 경량 보행자 교량 설계, JRC 과학 기술 보고서(2009)”에서 사용되었으며, AS 5100.2 요구 사항을 준수하였습니다. JRC 보고서는 유럽의 두 가지 연구 프로젝트의 결과로, 보행자 교량에 대한 인간 유도 진동에 대한 설계 규정 harmonization 및 유로코드 개발을 목표로 하고 있습니다. JRC 보고서는 교량의 수명 동안 예상되는 하중 시나리오(보행자 밀도)에 따라 각 시나리오에 따른 승인을 기초로 하여 편안한 클래스(가속도 범위)를 연결합니다. 이 교량에 대해 세 가지 하중 시나리오가 제정되었으며, 일상적인 통근 수준의 여가 하중에서부터 개교일의 군중 하중까지 포함하였습니다. 수평 진동 모드가 1.2 Hz 미만인 경우 각 지지점에서 교량을 핀으로 고정하여 제거하였습니다. 강철 기둥의 유연성은 작은 잠김 힘을 발생시켰지만, 첫 번째 측면 진동 모드를 2.5 Hz까지 밀어내기에 충분하였습니다. 

5 Hz 미만으로 발견된 여러 수직 모드가 있으며, 중요한 모드는 약 1.7 Hz 및 2.1 Hz였습니다. 각 모드와 각 설계 경우에 대한 최고 가속도는 동적 해석으로부터 도출되었습니다. 계산된 최고 가속도는 선택된 편안한 기준 내에 있음을 확인하였습니다. 교량은 개교일의 군중 하중을 포함하여 여러 하중 시나리오에 노출되었으며, 불쾌한 진동에 대한 불만이 없었습니다. 이는 해석 및 설계에서 설정한 가정을 검증하는 것입니다.

유한 요소 해석

상세 비선형 모델이 두 개 생성되어 보강 강철 접합부를 해석하고 수작업 계산을 보완하였습니다. 강철 기둥 접합부에서는 교차 거더 연결, 지지 위치 및 스피커를 수용하기 위해 대형 웹 개구부에서 가해지는 집중 하중이 크기 때문에 이를 특히 중요시하였습니다.

데크 제작	데크 조립
용접 스플라이스	데크 외칸탱

 

 

“키즈 브릿지의 설계는 특정 사이트에 대한 고유한 도전 과제가 있었습니다. LUSAS를 사용한 상세 해석과 제작자와의 협력을 통해 설계 팀은 기존의 틀을 깨고 경제적이며 시각적으로 매력적인 구조를 설계할 수 있었습니다.”

Nicholas Keage, 수석 엔지니어 및 Michael Kakulas, 부이사, AECOM

수상 경력

• 2022 서호주 엔지니어 협회 우수상 수상.
• 서호주 자산 위원회 최우수 커뮤니티 인프라 상 수상.
• 서호주 건축상 추천.
• Dulux 컬러 상 추천.

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