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활용사례
[Bridge] Wacker 도로의 재건축 – 단계적 설계개요
75년 이상된 고가교의 해체
두 방향으로 포스트 텐션된 고강도 콘크리트 슬라브 구조물로의 교체
불규칙적으로 지지되고 있는 deck에 대한 차량하중 최적화
Wacker 도로는 주요한 2 단계 고가교로 시카고 시내 “Loop”의 북쪽과 서쪽의 경계선에 위치해 있다. 철강재의 심한 부식과 콘크리트 덮개부의 심한 마모 때문에, 시카고 교통국은 현재 75년 이상된 고가교를 두개의 방향으로 포스트 텐션화된 고강화 콘크리트 슬라브 구조물로 교체하기로 결정했다. 첫번째 단계의 재건축은 2002년 11월에 완공되도록 계획되었고, 2단계 시공을 위해 Alfred Benesch & Company 사에서 550m길이의 교량을 설계하는데 LUSAS Bridge가 사용되었다.
개관 및 재건축 단계
Wacker 도로의 저층부는 57층 높이의 빌딩까지 차량이 접근할 수 있게 하며, 상층부는 20개의 거리가 교차되고 있고, 시카고 강을 가로지르고 있는 도개구조의 교량과 연결되어 있었다.
약 6만명의 보행자와 18만대의 자동차, 20개의 버스노선이 매일 Wacker 도로를 이용하고 있다. 재건축 프로젝트의 첫번째 단계는 4000 피트의 길이와 114피트의 넓이에 대한 것이다. 200백만달러의 건축비용이 소요되며, 건축은 2002년 11월까지 완성할 수 있도록 계획되어 졌다. 2004년 초부터 시작될 것으로 예상하고 있는 2번째 단계는 2900피트 길이, 134피트의 넓이로 200백만달러의 건축비용을 산정하고 있었다.
제 2단계(시공단계)
Alfred Benesch & Company사는 설계를 맡고 있는데, 프로젝트의 제 2단계인 약 1800피트(550미터)에 대한 설계이다. 이번 재건축 안에 대한 교차부는 3개~5개의 불규칙적으로 연속적인 경간이 12 피트에서 46.5피트까지 다양하게 구성되어 있다. 종방향으로, 약간 긴 경간을 가진 32피트의 구조물 경간이 저층 거리 교차 지점을 가로지르고 있다. 전형적으로 약 0.6m의 깊이, 약 1.2m의 넓이의 종방향 리브가 각 기둥라인을 따라 연속적으로 배치되어 있다. 몇몇 지역에서, 리브의 깊이와 넓이는 기둥 사이의 공간에 따라 증감되기도 한다. 리브 사이의 상부 슬라브는 보통 13″ 두께이고, 교축방향과 교축 직각 방향에서 포스트텐션 되어 있다. 이번 설계의 컨셉은 상부 슬라브 부분에서 응력이 지속되는 동안 양방향에서 간섭없이 포스트 텐션 텐돈을 수용하기 위하여 설계자의 많은 노력을 요구하고 있다. 이 문제는 종방향의 리브에 배치된 곡선텐돈과 슬라브에 배치된 직선텐돈을 묶음으로써 해결되었다. 이렇게 묶음으로써 종방향 텐돈의 영향을 균일하게 분포된 형태로 횡방향으로 전달하게 되었다. 이러한 방식으로, 상판은 리브와 묶여진 텐돈으로 형성된 프리스트레스 콘크리트 보로 지지되는 일방향 슬라브인 것처럼 거동하게 된다.
상판의 단면과 채택된 설계 컨셉은 몇가지 독특한 모델링과 해석과제를 제시하고 있다. 상판을 지지하고 있는 기둥의 간격이 일정하지 않아 활하중에 대한 해석에서 모델링의 복잡도가 증가한데다 도로의 중앙분리대에는 중량이 큰 조경수가 예정되어 있어서 이것 또한 모델링에 반영이 되어야 했다. 시카고 교통국은 도로위 중앙분리대와 측면 보행자로 등 어느 위치에건 조경수가 놓일 수 있다고 하였으므로, 조경수는 활화중 해석을 할 때처럼 교량 상판에 미치는 영향이 가장 큰 위치를 찾아내어 재하되도록 하였다.
모델링과 해석
1800 피트 길이의 고가교 구조물은 서로 신축이음장치로 연결된 9개의 섹션으로 구성 되어있다. 결과적으로 독립된 LUSAS 유한요소 모델이 각 단면에 대해 만들어졌다. 교량 상판의 단면은 3차원 쉘 요소를 사용하여 모델링하고, 편심을 부여함으로써 다양한 두께의 슬라브와 리브를 할 수 있었다. 교각 위의 교좌 받침을 모델링 하기 위해서 스프링 구속이 지압면적이 정의되는 경계를 따라 4개지점에 사용되었다. 이렇게 함으로써 기둥에 대한 최대 부 모멘트를 제거할 수 있었고, 한 지점에 구속을 지정한 경우와 비교하였을 때 평균 25% 감소가 되는 결과가 나타났다. 포스트 텐션은 프리스트레스 손실을 설명하고 있는 등가하중을 적용하여 모델링되었다. 이들 하중은 종방향의 텐돈의 포스트텐션 응력을 자동적으로 해석한 스프레드시트 매크로를 사용하여 생성되었다. 몇가지 정적 해석이 각 단면에 대한 사하중 및 활하중을 알아보기위해 수행되었다.
차량하중 최적화
LUSAS 에서 AutoLoader는 차량하중의 배치를 최적화하는 프로그램으로써 AASHTO 시방에 근거하여 활하중에 대한 설계 모멘트를 결정하는데 필요한 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 이 기능을 사용하면 선택된 위치에 대한 영향면 해석을 수행하여 차량 혹은 기타 하중의 배치 패턴을 얻어내고, 설계를 위한 모멘트 값으로써 발생할 수 있는 가장 큰 값들을 추출하게 된다. 이들 해석을 통해서 AASHTO HS20 트럭 하중은 현재 교량 위에서 모든 차선에 대해 수용됨을 알 수 있었다.
