복합 구조 데크 시스템의 평가

• 40톤 하중을 위한 이전에 실패한 데크 시스템의 재평가
• 모델 업그레이드 및 요소 활성화/비활성화를 포함한 선형 정적 해석
• 이전에 제안된 재활 보강 계획 대비 시간 및 비용에서의 상당한 절감

Tony Gee and Partners는 런던의 Neasden Lane Overbridge의 하중 및 응력 분포에 대한 해석 연구를 위해 LUSAS Bridge를 사용하였습니다. 이 교량은 두 개의 역사적으로 구별되는 데크 시스템으로 구성되어 있으며, 하중 분담 메커니즘을 설치하여 복합적으로 작용하도록 제안되었습니다. 네트워크 레일 프레임워크 계약 BG3 프로그램의 일환으로 40톤 하중에 대해 UK 코드 BD 21/01에 따라 교량 상부 구조에 대한 재평가가 요구되었습니다. 그 결과, 평가에 따라 이전의 보강 제안에 비해 시간과 비용의 상당한 절감 효과가 있었습니다.

개요

Neasden Lane Overbridge의 상부 구조는 거의 65년 간격으로 시공된 두 개의 구별되는 데크 시스템으로 구성되어 있으며, 이들은 복합적으로 작용하도록 의도되었습니다. 1896년경 시공된 원래의 데크 시스템은 12.9m 폭의 데크를 형성하기 위해 760mm 간격으로 배치된 16개의 강철 Hobsons 빔[HBs]으로 구성되어 있으며 양쪽에 보행로가 있습니다. 1960년경 원래의 데크 시스템은 철강柱부재[UCs]로 구성된 두 번째 데크 시스템을 설치하여 보강되었습니다. 두 시스템 간의 하중 전달을 위해 상부 플랜지와 HBs의 소프릿 사이에 독점적 패킹이 삽입되어 두 개의 데크 시스템이 ‘복합’으로 작용하도록 했습니다. HBs의 보강은 오래된 빔이 더 현대적인 교통에 의해 발생하는 하중을 지탱할 수 없다는 전제 하에 시행되었습니다.

교량 단면도

이전 검사

1990년대 후반, 상태 조사 및 검사 후, 교량 상부 구조는 UK 코드 BD21에 따라 평가되었고, 강도가 부족하다는 결과가 나왔습니다. 조사 및 평가 보고서는 HBs의 상태가 양호하고 가시적인 문제가 없음을 나타냈으나, 이전의 평가에서는 HBs가 하중을 지탱하지 못하고, 모든 하중이 더 최근의 UCs로 구성된 데크 시스템에 의해 지탱된다고 가정했습니다. 실패한 평가 이후에는 광범위한 보강 작업이 예상되었습니다. 구조물이 분주한 도심 환경에 위치해 있기 때문에, 작업 수행 시 철도 및 도로 교통 관리로 인한 상당한 비용이 우려되었습니다.

상세 재검사

2002년, Tony Gee and Partners는 교량의 상세 상태 조사를 수행하고 보강 작업의 범위를 축소할 가능성을 조사하라는 의뢰를 받았습니다. 과거 보고서 및 아카이브 자료를 검토하고 추가 조사가 필요한 영역을 식별하였습니다. 유연한 내시경 장비를 사용한 교량 검사는 매우 놀라운 결과를 가져왔습니다. 하중 전달을 위한 패킹이 부분적으로 누락되었거나 변위가 있는 것으로 확인되었습니다. 그 결과, 이전 보고서와 평가와는 대조적으로, 두 개의 데크 시스템 간의 접촉이 거의 없었고 모든 정적 및 동적 하중은 구형 Hobsons 빔에 의해 지탱되고 있었습니다. 설치된 UCs는 자중 외에는 거의 하중을 지탱하지 못하는 것으로 보였습니다.

타당성 연구

교량 검사 후, 비공식적인 계산이 이전보다 더 만족스러운 하중 공유 방식을 조사했습니다. 주로 두 배체계 간에 미리 결정된 위치에 특별히 설치된 잭을 배치하고 이를 사전에 계산된 하중으로 팽창하는 방안을 포함했습니다. 목표는 오래된 시스템에서 새로운 시스템으로 하중의 일정 부분을 전달하고, 두 데크 시스템 간에 동적 하중에 대한 ‘복합’ 상호작용을 보장하는 것이었습니다.

LUSAS를 통한 모델링

복잡한 성격을 고려하여 초기부터 클라이언트인 Birse Rail과 합의하에 강력한 유한 요소 프로그램을 활용하여 제안된 계획의 해석 연구를 수행하는 것이 필수적이라고 결정되었습니다. LUSAS Bridge는 다양한 구조 부재의 단순화된 단일 요소 모델에서부터 상부 구조의 상세한 3차원 공간-쉘 모델링까지 모든 해석 단계에 사용되었습니다. 강철 Hobsons 빔은 3D 쉘 요소로 모델링되었고, UCs는 3D 빔 요소로 모델링되었습니다. 쉘 요소를 사용함으로써 오래된 데크의 실제 형상을 모델링하고, 다양한 하중 하에서 HBs의 응력 분포를 이해하는 것이 가능했습니다. 이 접근 방식은 HBs의 공통 인장 플랜지에 대한 상호작용을 모델링할 수 있게 해주어 그릴리지(Grillage) 타입 분석에서 이상화하기 어려운 것이기도 하였습니다. 모든 해석은 선형 탄성 영역에서 수행되었으며, 다양한 하중 및 하중 전달 제약 하에 응력 분포의 상한 및 하한 가능성의 조사를 목표로 하였습니다. 이와 관련하여 잭 설치에 의해 제공되는 동적 하중 전달 메커니즘 모델링에 특히 주의가 기울여졌습니다. 분석 과정에서 여러 제안된 재활 작업의 특성을 포함하기 위해 모델은 점진적으로 업그레이드되었습니다.

Tony Gee and Partners의 수석 엔지니어 Sameer Khan은 다음과 같이 말했습니다: “해석 연구의 강조점은 프로젝트의 제약 내에서 다양한 가능성을 탐색하는 것이지 반드시 하나의 고유한 해결책을 제시하는 것이 아닙니다. 이와 관련하여 LUSAS는 우리가 원하는 다양한 모델링 가능성을 제공하는 효율적인 FEA 도구를 제공하였습니다. 기존 모델을 업그레이드하여 새로운 특성을 포함하거나 기존의 요소를 비활성화하는 것이 빠르고 간단했습니다. 추가로 결과 처리 기능이 특히 데크의 중요한 영역을 식별하는 데 유용했습니다.”

결론

해석 연구 결과, 두 데크 시스템이 일정 수준의 하중 공유를 달성할 수 있으며 최소한의 보강 작업으로도 상부 구조를 40톤 하중을 지탱할 수 있도록 강화할 수 있음을 확인했습니다. 해석 연구는 이전의 실패한 평가 이후 예상되었던 보강 작업이 상당히 축소될 수 있음을 입증하였고, 이에 따른 시간 및 비용 절감 효과가 있었습니다.

“해석 연구의 강조점은 프로젝트의 제약 내에서 다양한 가능성을 탐색하는 것이지 반드시 하나의 고유한 해결책을 제시하는 것이 아닙니다. 이와 관련하여 LUSAS는 우리가 원하는 다양한 모델링 가능성을 제공하는 효율적인 FEA 도구를 제공하였습니다. 기존 모델을 업그레이드하여 새로운 특성을 포함하거나 기존의 요소를 비활성화하는 것이 빠르고 간단했습니다. 추가로 결과 처리 기능이 특히 데크의 중요한 영역을 식별하는 데 유용했습니다.”

Sameer Khan, 수석 엔지니어, Tony Gee and Partners