글래스고 중앙역의 벽돌 아치 해석

• 하중 평가를 위한 다스팬 아치 구조의 선형 탄성 해석
• 다중 균열 콘크리트 재료 모델을 이용한 단일 아치의 비선형 해석
• RA8 하중에 대한 적합성 확인

글래스고 중앙역에서 네트워크 레일은 승강장 레벨의 단기 주차장을 두 개의 추가 트랙 및 플랫폼으로 교체하여 역의 용량을 늘리고자 했습니다. 플랫폼 12 및 13 디자인 및 시공 계약에서는 1900년대 초기에 건설된 벽돌 아치 기하학을 통해 지원되는 340m 길이의 새로운 영구 트랙 두 개에 대한 지원 제공이 필요했습니다. 이 340m 중 90m는 이전에 레일 하중을 받지 않았습니다. URS는 Balfour Beatty의 설계자로서 벽돌 아치 구조의 평가를 지원하기 위해 LUSAS 교량 해석 소프트웨어를 사용하여 요구되는 RA8 하중에 대한 적합성을 확인했습니다.

개요

글래스고 중앙역은 20세기 초에 건설되었으며, A급 보호 목록에 등재되어 있습니다. 이 역은 웨스트 코스트 메인 라인의 북쪽 종착역으로서 연간 3,400만 명의 승객이 이용하며, 런던을 제외한 영국에서 가장 바쁜 역 중 하나입니다. 역 내 모든 트랙은 기존 지면에서 7~8미터 위에 위치해 있어 새로운 트랙을 위한 지지 구조는 기존 강재 구조물, 기존 조적 아치 및 일부 신설 작업으로 제공될 필요가 있었습니다. 지반적으로 이 지역은 복잡했습니다. 클라이드 강의 근접성으로 인해 다양한 깊이와 층으로 이루어진 충적 점토, 모래 및 실트가 존재하며, 강 방향에 따라 현저한 차이가 있었습니다. 이론적인 지반 강도는 낮아 기존 영구 하중에 대해 허용 가능한 지지 압력이 초과되고 있는 것으로 보였으나, 아치 구조에서 관찰된 균열이나 다른 고장을 나타내는 징후는 거의 없었습니다. 아치 구조는 100년 전에 건설된 조적이 고려했을 때 일반적으로 양호한 상태로 보였습니다. 이는 느린 시공 방법 덕분에 시공 중에 침하가 발생하여 시공이 진행되는 동안 지속적으로 보정되었기 때문에 최소한의 시공 후 침하나 균열이 남았다는 결론이 내려졌습니다.

두 개의 새 트랙 설치에는 단기 주차 슬래브와 지지 벽을 제거하고 슬래브 트랙과 영구 트랙으로 교체하는 작업이 필요했습니다. 이로 인해 하중이 약간 감소하겠지만, 실제 하중은 RA8 평가 하중으로 증가하여 화물 기차에 대한 하중이 증가했습니다. 하여 총 하중은 최대 20%까지 증가할 수 있습니다. 플랫폼 디자인 및 시공 계약의 일환으로 제안된 새로운 영구 작업은 기존 기둥들 사이의 간격을 연결하여 기초 지지력을 향상시킬 것입니다. 또한, 교량 슬래브는 기존 기둥 기초를 지지하고, 세트 기초 간에 미끄럼면이 형성되지 않도록 단일 긴 기초를 제공함으로써 추가적인 지원 역할을 할 것입니다.

LUSAS의 해석

채택된 해석 방법은 점진적인 방법이었습니다. 처음에 LUSAS에서 하중을 이해하고 그대로 하중 하부의 압력을 평가하기 위한 3D 선형 탄성 전역 고체 모델을 생성했습니다. 또한 나중의 비선형 해석에 사용할 스프링 강성에 대한 입력을 제공했습니다. 모델링하기로 선택한 기초의 영역(아래에 표시된)은 가장 적은 저항을 가지고 있는 것으로 간주되었습니다. 모델의 중심에서 보이는 빈 공간은 새로운 보강 콘크리트 작업으로 채워지겠지만, 기존 구조를 지지하지는 않을 것입니다.

비선형 해석

단일 벽돌 아치에 대한 상세 해석을 위해 LUSAS의 다중 균열 콘크리트 재료 모델을 이용한 비선형 모델이 생성되었습니다. 처음에 벽돌의 특성은 CIRIA C656에서 얻어졌습니다. URS의 프로젝트 엔지니어인 Dr. Danny Boothman은 “아치가 벽돌로 구성되어 있으나, 아치에 있는 벽돌 수로 인해 균질 재료로 근사될 수 있으며, 하중 전달 메커니즘은 저강도 콘크리트와 유사하다고 생각했습니다.”라고 말했습니다. 스페이싱과 백필은 낮은 인장 강도와 높은 마찰각을 가진 모르는-쿨롱 재료 모델을 사용하여 모델링되었습니다. 경계 조건은 스프링, 자유 및 고정으로 모델링되었지만, 사용된 재료 모델은 큰 인장 응력의 축적을 예방했습니다.

단일 아치의 비선형 해석을 위한 기하학적 모델	기존 영구 하중 아래에서의 계산된 균열 패턴

중요한 입력 매개변수를 식별하고 LUSAS 콘크리트 재료 모델의 상한 및 하한 값을 제공하기 위해 많은 시간을 파라미터 민감도 연구에 소요했습니다. Danny Boothman은 “다중 균열 콘크리트 모델을 정의하는 많은 매개변수가 있었고, 일부는 다른 것들보다 더 민감하다는 것을 발견했습니다 – 특히 일축 인장 강도와 면적당 균열 에너지가 특히 그랬습니다. LUSAS 모델의 입력 매개변수는 아치에 대한 죽은 하중의 관찰된 효과에 대해 보정되었습니다. 이후 RA8 철도 하중을 나타내기 위해 추가 하중이 적용되었고 이로 인해 나타난 균열 및 변형이 구조가 RA8 하중을 지지할 수 있는지에 대한 적합성을 입증하는 데 사용되었습니다. 예상한 대로, 결과는 스프링 레벨에서 지지 강성과 같은 것들에 매우 민감했으며, 인장 강도와 같은 몇 가지 재료 매개변수도 마찬가지로 신뢰할 수 있는 값을 예측하기 어려운 부분입니다.”라고 덧붙였습니다.

RA8 하중에서의 응력	아치의 하부에서의 RA8 하중에서의 응력

요약

전반적으로 이 해석은 LUSAS의 다중 균열 콘크리트 모델을 사용하여 완료된 도전적인 평가였습니다. 기존 조건을 해석 모델의 보정 기준으로 사용하는 상대적으로 새로운 해석 방법이 사용되었으므로 결과를 입증하기 위한 더 높은 하중에 대한 하중 시험 데이터가 있었으면 좋았겠지만, 이는 불가능했습니다. 하지만 수행된 해석에서 여러 보수적인 영역이 있었으며, 이러한 접근 방식을 정당화하는 데 충분하다고 생각했습니다:

• 아치의 백업 층이 실제로는 대량 콘크리트로 발견되어 수직적으로 자가 지지된다는 사실.

• 관측 결과에 대한 유한 요소 모델의 보정 결과 모델이 보수적임을 나타내어 기존 하중에 따른 균열이 현장에서 관찰된 것보다 더 많은 균열을 예측했습니다. 이러한 보수성은 RA8 하중 아래의 적합성을 입증하기 위한 해석의 목적이 있었기에 수용 가능했습니다.

• 강화 콘크리트 슬래브 트랙의 하중 분산 이점이 무시되었습니다.

• 제3자 점검을 통해 이산 요소 모델링이 결과를 보증하고 유사한 결론에 도달했습니다.

• 플랫폼 사용은 매우 저속의 승객 열차로 제한되어 있습니다(실제로 RA8 이하). 글래스고 중앙역은 종점역이기 때문입니다.

• 레일 하중 아래에서의 벽돌 아치 모니터링도 평가 결과를 추가적으로 검증하기 위해 수행되었습니다.

프로젝트에 대해 Danny Boothman은 다음과 같이 요약합니다: “비록 이 프로젝트에 사진작가의 시각에서 주목을 받을 수 있는 신설 작업이 있었지만, 이 프로젝트의 설계/평가 관점에서 가장 중요한 것은 90m 길이의 오래된 아치 위에 새로운 철도 트랙을 정당화하는 것이었습니다.”

“이 프로젝트에는 주목을 받을 수 있는 신설 설계 작업이 있었지만, 설계/평가 관점에서 가장 중요한 부분은 90m 길이의 오래된 아치 위에 새로운 철도 트랙을 정당화하는 것이었습니다.”

Dr. Danny Boothman, 프로젝트 엔지니어, URS.