샌프란시스코-오클랜드 베이 교량 동쪽 주교 해체

활용사례

샌프란시스코-오클랜드 베이 교량 동쪽 주경간 해체

1930년대 강철 교량 트러스 및 캐스터 설계 해체의 첫 번째 단계
축정된 구조 모델링을 통한 기존 구조의 모든 개보수 반영
LUSAS를 사용한 세부 단계별 해체 해석을 통한 안전한 구조 제거

샌프란시스코-오클랜드 베이 교량의 새로운 동쪽 주경간과 해체 전의 오래된 동쪽 주경간 모습.

2013년 샌프란시스코-오클랜드 베이 교량의 새로운 동쪽 주경간이 건설된 이후, 오래된 동쪽 주경간의 해체 첫 단계에는 캐스터 트러스 주경간의 조각별 제거가 요구되었습니다. 구조의 복잡성으로 인해, Foothills Bridge Co. (Phase 1의 계약자 엔지니어)는 LUSAS 교량 해석 소프트웨어를 사용하여 고객인 Silverado Contractors, Inc. 및 California Engineering Contractors, Inc.를 위해 완전한 엔지니어링 해체 순서를 모델링하고 개발했습니다.

배경

샌프란시스코-오클랜드 베이 교량은 1936년 개통 당시 세계에서 가장 긴 교량이었습니다. 이는 두 개의 연속 서스펜션 교량으로 이루어진 서쪽 경간과 예르바 부에나 섬을 통과하는 터널, 주요 캐스터 트러스 및 수많은 트러스 경간으로 형성된 동쪽 경간으로 구성되어 있습니다.
1989년 7.1 규모의 지진 이후, 동쪽 경간의 일부가 붕괴되어 캘리포니아 교통국이 전체 교량에 대한 내진 평가를 실시해야 했습니다. 조사 결과, 서쪽 경간에는 내진 보강 작업을 수행해야 한다고 결정되었지만, 동쪽 경간은 필요한 내진 설계 기준을 충족하기 위해 재건하는 것이 장기적으로 비용 효과적일 것이라는 결정이 내려졌습니다.
11년의 시공 기간을 거쳐, 자가 앵커 서스펜션 구조 및 프리캐스트 세그먼트 콘크리트 비아둑을 포함한 새로운 동쪽 경간이 2013년 9월에 교통에 개방되었습니다.
이 오래된 교량의 동쪽 경간 해체 작업은 2013년 10월에 시작되었습니다. 해체의 첫 번째 단계는 동쪽 주경간의 해체를 포함하며, 두 번째 단계에서는 주경간 동쪽에 위치한 504‘(153m)와 288‘(88m)의 트러스 경간을 해체하게 됩니다. 세 번째 단계에서는 모든 기둥, 말뚝 및 기초를 제거할 것입니다.

교량 시공

오래된 동쪽 주경간은 강철 캐스터 트러스 교량으로, 플레이트 및 압연 부재로 구성된 조립식 트러스 및 브레이싱 부재로 이루어져 있었습니다. 코드와 더 큰 대각선부재는 상자 모양으로 제작되었고 사방에 단단한 플레이트가 적용되었습니다. 더 가벼운 부재는 라이싱 앵글 및/또는 바를 사용하여 격자 구조로 되어 있습니다. 주경간은 약 2,416‘(736m) 길이로, 두 개의 주요 교량 기둥 사이에 1,400‘(428m)의 클리어 스팬을 가지고 있었습니다. 교량은 두 개의 데크로 구성되어 있으며, 원래 구성에서는 상부 데크가 양방향 자동차 교통을 가져갔고 하부 데크는 기차와 화물 트래픽을 수용했습니다. 1960년대에는 기차 트래픽을 교량에서 제거하기 위해 교량 데크가 개조되었습니다. 개조 후 상부 데크는 모든 서부 방향 교통(샌프란시스코 방향), 하부 데크는 모든 동부 방향 교통(오클랜드 방향)을 수용했습니다. 또한 1989년 로마 프리에타 지진 이후 피해를 복구하고 미래의 내진 성능을 개선하기 위해 추가 개조가 실시되었습니다. 지진 이후 수년이 지나면서 모든 현대 내진 설계 요구 사항을 준수하기 위해 교량을 개조하는 것이 비용적으로 비경제적일 것이라는 결론이 내려졌고, 이는 새로운 교량을 건설하고 기존 동쪽 경간을 해체하는 결정에 기여했습니다.

오래된 동쪽 주경간 해체를 시뮬레이션 하는 LUSAS 모델을 통한 전반적인 해체 순서.

LUSAS에서의 모델링

해체 절차를 모델링하기에 앞서, 현재 서비스를 받고 있는 구성에 대한 단일 글로벌 모델을 정확한 부재 단면과 중량을 사용하여 생성해야 했습니다. 1930년대 제작 도면에 대한 철저한 검토는 캘리포니아 교통국이 제공한 것으로, 이는 섹션 속성, 부재 중량 및 바닥의 중량을 제공합니다. 사용 가능한 원래 설계 도면에는 원래 설계자의 부재 응력과 기둥 반력에 대한 응력 시트가 포함되어 있습니다. 이러한 정보는 LUSAS 모델을 ‘기준’화할 수 있게 하여 교량 부재의 응력과 반력을 신뢰할 수 있는 예측이 가능하게 합니다. 기준화가 완료된 후, 여러 개조가 이루어진 모델로 업데이트되었습니다. 여기에는 바닥 하중의 수정 및 바닥 시스템의 업데이트가 포함되었습니다. 처음에는 시공 순서가 모델의 출력에 큰 영향을 미치지 않을 것 같았습니다. 그러나 시공 순서를 더 자세히 연구한 결과, 구조물의 여러 단계에서 교량의 여러 위치에서 잭킹이 이루어져 부재의 정확한 맞춤을 보장하고 교량의 변형 모양이 올바르도록 하였습니다. 이러한 잭킹은 모델에서 고려되어야 할 잠겨있는 시공 응력을 발생시켰습니다. 이 조립 순서를 모델링하는 것은 정확한 모델 개발에 매우 중요했습니다.

교량 해체

제안된 해체 순서는 교량의 건설 순서를 대체적으로 반대로 진행하는 것이었으며, 캘리포니아 교통국은 교량 조립 절차에 대한 상세 설명을 제공하여 해체 절차에서 조립의 미세한 부분을 모델링하도록 하였습니다. 모든 해체는 일반적으로 교량의 하부 데크에 위치한 유압 크레인과 굴착기를 사용하여 수행되었습니다. 모델의 각 해체 단계에서는 장비의 위치 및 트러스 부재의 제거를 고려하였습니다.

LUSAS가 특히 유용했던 해체 순서의 주요 사항은 다음과 같았습니다:

중간 해체에서의 “컷” 수행.

임시 트러스 부재 및 지역의 긴장 해방 장치가 필요한 위치 식별.

앵커 경간에서 일시적인 지지 타워 및 임시 트러스 부재가 필요한 시점 식별.

중간 해체에서의 “컷” 수행

교량은 두 개의 절반이 중간으로 연장되는 방식으로 구성되었으며, 각 주요 기둥에서 700 피트(214m)씩 반대 방향으로 반걸치된 상태였습니다. 상부 코드와 하부 코드의 잭들이 교량의 위치를 조정하여 두 개의 절반이 정렬되어 연결될 수 있도록 하였습니다. 교량이 연결된 후, 서스펜디드 계획은 두 끝의 상부 코드로드를 해제함으로써 해체가 가능하게 되어 교량이 설계된 형태로 이완할 수 있었습니다. 이 해체는 576피트(176m) 길이의 서스펜디드 경간이 서로 갈라진 반대 방향의 팔에서 단순히 매달리게 되는 결과를 낳았습니다. 계약자는 원래의 엔지니어링 조립 순서를 크게 반대로 간헐적으로 제거하기로 결정했습니다. 이를 위해서 주경간은 먼저 이완된 “부풀려진” 상태에서 두 개의 독립적인 캐스터로 변환한 후, 해체하기 위해 중간 지점에서 절단해야 했습니다. 이 주경간의 절단 과정을 엔지니어들은 “컷”이라고 불렀습니다. Foothills Bridge Co.의 교량 엔지니어인 Nathan Miller는 다음과 같이 설명합니다: “이 작업을 수행하기 위해서는 서스펜디드 경간의 양 끝에서 상부 코드를 다시 연결하여 서스펜디드 경간이 캐스터의 연장선이 되고, 그런 다음 힘을 해제하여 하개선의 급속한 긴장의 줄어듦을 방지하여야 했습니다. 이 작업은 LUSAS를 사용하여 이 조립 흐름을 모델링하여 계약자가 요구되는 힘과 예측된 힘에 대한 신뢰도를 제공할 수 있었습니다.” 서스펜디드 경간의 각 끝에서 상부 코드에 가해져야 할 힘에서 약 2,000,000 파운드(8900kN)의 힘이 가해지면 약 5″(125mm)의 이탈이 발생합니다. 또한 하부 코드에도 각 트러스에 250,000 파운드(1100kN)의 힘으로 소량의 긴장이 해소되었습니다. 교량 잭킹은 LUSAS에서 잭킹 힘을 적용하고 관련 교량 부재를 활성화하여 이 힘(및 변위를 유지)하는 형식으로 모델링되었습니다. 상부 코드 잭킹 동안 관찰된 교량 이탈은 LUSAS 모델의 예측과 상당히 부합하여 계약자에게 “컷” 작업 수행에 대한 높은 신뢰도를 제공했습니다.

임시 트러스 부재 및 지역 긴장 해방

두 개의 교량 절반이 분리된 후, 해체 공정 과정에서는 여러 단계를 준수해야 하였습니다. LUSAS에서 정의된 여러 하중 사례를 정의하여 다양한 장비 배치 및 트러스 부재의 제거(모델에서 비활성화) 및 임시 트러스 부재 및 지지 구조물을 설치(모델에서 활성화)를 고려하였습니다. LUSAS에서 수행된 모델링 공정은 엔지니어들이 주요 하중 경로 부재를 제거해야 하는 주요 해체 단계와 임시 부재가 설치되어야 하는 시기를 식별하는 데 도움을 주었습니다. 여러 해체 단계에서 주요 트러스 부재가 상당한 잔여 긴장을 포함하여 제거되었습니다. 기존 부재와 새로운 임시 부재 간에 갑작스럽고 통제되지 않는 힘의 이동을 방지하기 위해 지역 긴장 해방 장치가 사용되었으며, 이는 LUSAS 모델을 통해 설계된 힘과 변위를 기반으로 하였습니다.

특정 해체 단계에서 요구되는 임시 트러스 부재 및 추가 브레이싱 부재 위치.

앵커 경간의 임시 타워와 임시 트러스 부재

앵커 팔의 상부 코드는 네일바로 구성되어 있으며, 사용 시의 상태에서 상당한 장력을 받아왔습니다. 그러나 교량이 중간 지점에서 분해됨에 따라 캐스터에서의 무게가 경감되고 이로 인해 네일바의 긴장도 또한 줄어들었습니다. 따라서 어떤 점에서는 앵커 스팬의 경량이 캐스터의 무게에 비례할 때 장력이 극 dramatic하게 변화시킬 것입니다. 이로 인해 네일바는 매우 가늘며 압축 용량이 없으므로 불안정한 상태를 생성할 수 있습니다. 따라서 앵커 스팬의 네일바장력을 유지하기 위해서 임시 지지 타워가 사용되며 앵커 스팬을 지지하여 네일바에 더 많은 장력을 유도하는 방식으로 사용되었습니다. LUSAS는 앵커 스팬의 네일바 장력을 모니터링하며 특정 해체 단계에서 임시 지원 타워가 필요함을 강조합니다. 임시 타워의 잭킹/설치는 LUSAS에서 주어진 노드에 잭킹 힘을 적용하고 이를 활성화한 후 잭킹 힘을 제거하는 방식으로 모델링되었습니다. 임시 타워가 설치된 후, 트러스는 유리한 위치로 잭킹이 이루어져 장력, 임시 트러스 부재의 설계 하중 및 기둥 반력의 중요한 변수를 조화시킵니다. 해체가 주요 기둥에 접근할수록 임시 타워만으로는 앵커 스팬의 네일바 장력을 유지하기에는 불충분해지기 때문에 구조의 안정성을 만나기 위해 기존 네일바를 제거하거나 버클을 허용할 수 있도록 할 수 있었습니다.

전형적인 LUSAS 결과

서쪽 앵커 스팬의 축 방향 힘 결과 상세.

결론

Foothills Bridge Co.는 샌프란시스코-오클랜드 베이 교량의 동쪽 주경간 전체 해체 순서를 모델링하는 데 단일 LUSAS 모델을 사용했습니다. 이 모델은 장비 및 환경 하중(사망 하중 외)과 함께 설계되고 기존 트러스 부재 하중, 임시 트러스 부재 설계 하중, 임시 타워 하중 및 임시 타워 잭킹 하중을 결정했습니다. 해체 순내내 계약자가 모니터링한 힘과 교량 이탈은 LUSAS 모델이 예측한 결과와 일치하며, 이는 교량이 예측대로 작동하고 있음을 확인시켜 주어 해체 과정에서 모두가 신뢰할 수 있도록 하였습니다.