활용사례

[Bridge] Vasco da Gama 교량과 접속교에 대한 내진 설계 (포르투갈)
[Bridge] Vasco da Gama 교량과 접속교에 대한 내진 설계 (포르투갈)

개요

  • 사장교와 교량 상판구조물

  • 파일과 지반의 상호작용

  • 내진 해석

 

영국의 선도적인 컨설팅 회사 중 하나인 Hyder Consulting사는 Vasco da Gama 교량과 포르투갈 리스본에 있는 Tagus 교량에 대한 설계를 검토하는데 LUSAS Bridge를 사용하였다. 18km 길이의 교량은 선박 해협위 420m 경간의 사장교와 연속적인 콘크리트 교량 상판 구조물로 이루어져 있다. 60m 아래의 강바닥 기반암 밑에는 퇴적물이 있으며 이 퇴적물 위에 광범위하게 뻗어있는 지반이 모든 교량 구조물을 지지하고 있다. Lisbon은 1774년에 발생한 지진에 의해 파괴되었고 그 결과 또 다른 지진이 발생하였을 때의 피해를 최소하기 위해 교량에 대한 모든 부분이 설계되었다.

Hyder Consulting사는 기초와 다양한 상부구조물에 대한 내진 반응을 계산하기 위해 LUSAS 프로그램을 사용하였다. 내진 반응 해석을 하기 위해, 접속교 각 단면에 대한 모델링을 하였으며 초기 2차원 파일/지반 상호해석 모델 또한 만들었다. 파일/지반 상호작용은 전체 교량과 교량 상판 구조물에 영향을 미치는 파일 두부로부터 전달되는 진동을 결정하는데 있어 가장 중요한 요소였다.

하부구조물의 해석에서는 지반 침식이 가장 중요하게 고려되었고 따라서 정확한 결과를 얻기 위해 여러 번 해석을 반복하여 수행하였다. 2차원 요소는 constraint equation을 사용하여 전단 변형만을 고려하도록 하였다. 고유 진동수와 지반의 깊이별 특성에 대한 mode shape를 결정하기 위해 고유치 해석이 수행되었다. 그 다음 스펙트럼 응답 해석이 이루어졌는데 기반암에 가속도/진동수 곡선을 입력하는 방식으로 지진을 이상화하여 지반 모델 전체에 진동을 부여하였다. 지반 깊이에 따른 지반 진동의 결과로부터, Hyder사는 어떠한 깊이에서든 파일에 실리는 힘과 모멘트를 결정하고 초기의 설계를 검토해 볼 수 있었다. 지반의 깊이에 따른 특성 모델링을 통하여 Hdyer사는 교각위 다른 위치에 대한 지반의 깊이별 특성 해석을 추가적으로 수행할 수 있었다.

사장교와 교량 상판의 해석에서 지진 하중에 의한 가동단 조인트의 진동을 알아본 것은 수행된 많은 검토사항중의 하나일 뿐이다. 이와 같은 교량 구조물을 모델링하기 위해서 3차원 쉘로 모델링된 상판을 제외한 3차원 보 요소가 전반적으로 사용되었다. 조인트 요소를 사용하여 가동단과 고정단을 표현하는 연결부를 모델링하였고 파일 강성을 표현하기 위해 스프링 지지 조건이 사용되었다.

교량의 처짐 형상과 강성을 결정하기 위해 사하중(dead load)에 대한 비선형 정적해석을 한 후, 고유 진동수와 모드 shape를 결정하기 위한 stress-stiffened 모델의 고유치 해석이 이루어졌다. Hyder사는 파일 강성에 관한 지진 데이터를 사용한 스펙트럼 반응 해석을 통해 동적 진동값, 가속도 값, 힘과 모멘트를 얻어냄으로써 검토를 마무리 할 수 있었다.

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