커리 로드 교량, 보더스 철도

활용사례

커리 로드 교량, 보더스 철도

50도 각도로 기울어진 단일 경간 반통형 강교 철도 지하교량
교량의 세밀한 모델링을 통해 사용되는 지지대 수를 줄이고 특정 설계 기준에 대한 확인을 보조하였습니다.
파일 기초의 토양-구조 상호작용 모델링도 수행되었습니다.

커리 로드 교량建設 중
(이미지 제공: 네트워크 레일)

보더스 철도 프로젝트의 시공 단계는 네트워크 레일과 스코틀랜드 교통부, 스코틀랜드 보더스 카운슬, 미들로디안 카운슬, 에딘버러 시티 카운슬 및 계약자 BAM Nuttall의 파트너십으로 수행되고 있습니다. 앳킨스는 세계 유수의 엔지니어링 및 설계 컨설팅 회사로, BAM의 설계자 및 검토자로 고용되어 LUSAS 교량 해석 소프트웨어를 사용하여 프로젝트의 다섯 개의 넘어진 교량과 두 개의 지하교량 해석 및 설계를 지원하였습니다. 커리 로드 교량도 그 중 하나입니다.

개요

31마일(50km) 길이의 보더스 철도는 100년 이상 영국에서 건설된 새로운 국내 철도 중 가장 긴 노선입니다. 프로젝트의 주요 시공 작업은 2013년 4월에 시작되었으며, 2015년에 완공되면 에딘버러 시와 스코틀랜드 보더스의 트위드뱅크 마을을 45년 이상 만에 재연결하며, 혼잡한 지역 도로망에 대한 빠르고 효율적인 철도 승객 서비스를 제공합니다. 노선은 사실상 이전 웨벌리 철도 노선의 경로를 따르며, 이는 1849년경에 발주되고 1969년경에 폐지되었습니다. 이 프로젝트는 두 개의 터널과 95개의 기존 교량을 보수해야 하며, 다양한 유형의 42개의 새로운 교량을 건설해야 합니다. 이 새로운 지하교량 중 하나는 커리 로드와 글렌필드 로드 사이의 전환을 통해 단일 배럴 형상의 트랙을 지탱하고 있습니다. 이 반통형 강교는 전체 거더 길이가 39미터이며 50도라는 높은 비스듬함을 가지고 있습니다.

교량 시공

두 개의 주요 거더는 전체 높이가 2.7m이며, 상부 플랜지를 위해 60mm 두께의 판이 두 개 겹쳐져 있으며, 하부 플랜지는 55mm 두께의 판으로 구성되어 있고, 50mm 두께의 U프레임 웹 스티프너와 35mm 두께의 중간 스티프너로 보강된 38mm 두께의 웹으로 이루어져 있습니다. 운송 제한으로 인해 각 거더는 약 26.6m 및 12.4m 길이의 두 개의 길이로 제작되어 현장으로 운반되었으며, 이 수직적 지지대에서 지지받다가 용접되었습니다. 지지대에서 세 세트의 50mm 두께의 스티프너가 사용되며 이러한 위치의 거더 내부에 지역적으로 콘크리트를 채워 방수 세부 사항을 용이하게 하고, 배수를 유지하며, 필요한 강성을 제공합니다. 필러 슬래브는 356x406x287 유니버설 기둥 단면 크로스보 및 250mm 두께의 보강된 콘크리트 슬래브로 구성되어 있으며, 상제가 주 거더 웹과 스터드로 연결되어 있습니다. 끝트리머 빔은 끝 플레이트에 용접되어 있으며, 이 플레이트는 끝 지지 스티프너 사이에 용접되었습니다. 700mm 폭의 보행로가 남쪽의 거더에 연결되어 있습니다.

LUSAS를 통한 모델링

슈퍼구조물의 3D 유한 요소 모델이 LUSAS에서 개발되었으며, 쉘 요소가 주요 강재와 보강된 콘크리트 슬래브를 나타냈습니다. 크로스 거더 웹과 끝 트리머 웹도 쉘로 모델링되었으며, 상부와 하부 플랜지는 해당 단면 속성이 있는 빔으로 표현되었습니다. 지지대 스티프너와 잭킹 스티프너 사이의 보강된 콘크리트 상자는 솔리드 요소로 표시되었으며, 이들은 각각의 강재 요소에 접촉을 통해 연결되었습니다. 구조 설계는 75mph의 열차 교통 설계 속도를 기준으로 하였습니다.

전형적인 교량 개발 모델

50도 기울기의 반통형 강교 덱에 대한 네트워크 레일 기준 도면은 8개에서 10개의 지지대가 사용되도록 지시하고 있습니다. 이 ‘기준’ 설계에서 각 주요 강재 거더는 두 개의 큰 지지대에 앉고, 각 끝 트리머는 끝 트리머 길이에 따라 2개 또는 3개의 지지대에서 독립적으로 지지받습니다. LUSAS를 사용하여 앳킨스는 끝 트리머를 주요 거더에 연결함으로써 사용되는 지지대 수를 10개에서 4개로 줄일 수 있음을 보여주었으며, 이는 최종 설계에 채택되었습니다.

모델 기하학 및 메쉬 배열

메싱의 세부사항, 끝 트리머 빔 표시

선형 고유값 해석이 네트워크 레일 표준 NR/L2/CIV/003/F1993에 따라 수행되었습니다. 이 문서는 BS EN 1993: 유럽 표준 – 강구조물 설계에 의해 허용된 선택 가능한 개방 옵션/선택에 대한 네트워크 레일의 지침을 제공합니다. 따라서 CAT II 점검하에 2차 해석을 허용하지 않으며, 10보다 큰 중요한 하중 계수가 필요합니다.

하중 계수 모델링

트랙 게이지의 최대 비틀림은 BS EN 1990:2022+A1:2005 A2.4.4.2.2에 따라 변위 윤곽 플롯을 사용하여 정확하게 검증되었습니다. 트랙과 구조물 간의 상호작용은 EN1991-2:2003 조항 6.5.4.6.1에 따라 단일 덱에 대해 주어진 변위 기준을 사용하여 간소화된 계산 방법으로 고려되었습니다.


특정 설계 조합에 대한 변위 윤곽 플롯

또 다른 3D LUSAS 모델은 말뚝 기초를 해석하였습니다. 두꺼운 쉘 요소가 교대, 측벽 및 파일 캡을 모델링하였고, 빔 요소가 파일 그룹을 모델링하였습니다. 수평 스프링 값은 “Foundation Analysis and Design 5th Ed”, Joseph E. Bowles에 따라 결정되었습니다. LUSAS 기술 지원 팀의 추가 지침을 받았습니다.


말뚝 기초 모델링, 기차 제동 하중으로 인한 변위 표시

모델링 및 해석 작업을 종합하여, 앳킨스의 수석 엔지니어 드. 파비앙 롤레는 다음과 같이 말했습니다: “어떠한 우발 하중 및 덱 비틀림 한계를 고려한 수퍼구조물 및 하부 구조 상호작용 해석을 수행하는 것은 2D 또는 3D 그릴리지 모델을 사용할 경우 매우 번거롭고, 이전 기준에 따라 많은 추가적인 수작업 계산이 필요합니다. LUSAS를 사용하여 전체 3D 유한 요소 모델을 생성함으로써 설계를 신속하고 효율적으로 완료하고, 높은 정확도로 단면 크기를 최적화할 수 있었습니다.”

보더스 철도의 시공은 2015년 여름에 완료될 예정이며, 노선은 같은 해 9월에 개통될 예정입니다.

우발 하중 및 덱 비틀림 한계를 고려한 수퍼구조물 및 하부 구조 상호작용 해석을 수행하는 것은 2D 또는 3D 그릴리지 모델을 사용할 경우 매우 번거롭고, 이전 기준에 따른 많은 추가적인 수작업 계산이 필요합니다. LUSAS를 사용하여 전체 3D 유한 요소 모델을 생성함으로써 설계를 신속하고 효율적으로 완료하고, 높은 정확도로 단면 크기를 최적화할 수 있었습니다.”

드. 파비앙 롤레, 수석 엔지니어, 앳킨스