IFS 클라우드 케이블카 

• 영국 최초의 도시 케이블카로 다수의 상을 수상한 프로젝트

• 유로코드에 따른 주요 강철 타워의 3급 설계 점검

• 케이블카 역 및 인접 압축 타워 설계

IFS 클라우드 케이블카(구 에미레이트 항공 케이블카)는 영국 최초의 도시 케이블카로, 런던의 템스 강을 가로지르는 최신 교량 중 하나입니다. 1.1km 길이의 교량은 로얄 그리니치 반도와 로얄 빅토리아 도크를 연결하며, 동부 런던의 장기적인 재개발 계획의 일환입니다. 런던 교통청이 주요 계약자인 메이스에 설계 및 시공 계약을 부여했습니다. 구조 설계는 세 개의 주요 타워 설계를 담당한 부로 해폴드와 역 및 인접 압축 타워 설계를 맡은 AECOM(구 URS) 간에 나뉘어 수행되었습니다. AECOM은 LUSAS Civil & Structural 해석 소프트웨어 및 LUSAS 컨설팅 서비스를 통해 주요 타워의 설계에 대한 3급 점검을 수행했습니다.

개요

세 개의 주요 타워의 높이 및 위치는 여러 현장 제한 사항에 의해 결정되었습니다. 주요 남부 및 북부 타워는 선박에 대해 충분한 항행 확보를 제공하기 위해 충분히 높아야 했습니다. 이상적으로는 남부 타워가 강이 아닌 곳에 위치했으면 했으나, 남부 역의 개발 구역이 고정되어 강에 매우 가까운 위치에 있었습니다. 이로 인해 타워의 위치는 시스템의 가장 가파른 실용적 상승률에 의해 결정되었으며, 결과적으로 타워는 강에서 선박 항로로부터 약간 떨어진 곳에 위치하게 되었습니다. 북부 타워는 육상에 위치하며 향후 케이블카와 같은 위치의 강을 가로지르는 곡선형 터널의 루트를 수용하기 위해 배치되었습니다. 북부 중간 타워의 높이는 런던 시티 공항의 비행 경로에 걸리지 않아야 하며, 그 위치는 기존의 도크랜즈 경량철도 노선 및 도로망의 존재로 인해 결정되었습니다.

주요 타워

450톤의 남부 및 북부 주요 타워는 각각 85m 이상의 높이로 설계되었습니다. 이들은 반시계 방향으로 비틀리며 상승하는 40mm 두께의 강판 리본 네 개로 구성되어 있습니다. 이러한 리본은 원형 강관(CHS)으로 만든 헬리컬 브레이스로 내부에서 보강되어 서로 반대 방향으로 비틀어집니다. 두 타워는 바닥에서 10m의 직경으로 시작하여, 약 53m 높이에서 타원형으로 변형되며, 이후 구조 프레임을 지지하는 목재 종축 구조를 운반하는 두 개의 팔로 갈라집니다. 각 타워의 중간 협소한 부분에는 비틀림 하중 저항을 제공하기 위해 다섯 개의 비틀림 링이 추가로 장착되어 있습니다. 각 타워에서 리본과 헬리컬 연결 유형 두 가지가 사용됩니다. 타워의 밑부분 근처에서 리본 뒤에 위치한 CHS의 길이는 강판으로 상자 형태로 포장되어 있으며, 타워 중간부에서는 큰 직경의 CHS 드럼에 부재를 고정하고 볼트 조인트에 수평 스플라이스 플레이트를 사용합니다. 320톤의 북부 중간 타워는 더 높은 주요 타워와 유사한 디자인이지만 직경 5.67m와 높이 60m로 더욱 작으며, 타워는 세그먼트로 제작되어 결합된 후 위치에 수직으로 들어올려 조립되었습니다.

남부 타워의 기초	남부 타워의 상단

모델링 방법론

구조의 구성으로 인해 각 타워는 비틀림에 유연하게 반응합니다. 이들은 각 타워의 상부가 0.003 라디안의 회전 제한이 설정된 도플마이어의 케이블카 설치 기준에 맞춰 회전 변위를 제한하기 위해 리본과 헬릭스 연결의 모멘트 고정을 필요로 합니다. AECOM은 타워의 전반적인 설계를 점검하기 위해 각 타워에 대한 글로벌 해석을 수행하여 서비스 한계 상태에서의 전체 변형 한도 준수를 확인했습니다. 타워 해석을 위해 LUSAS 지오메트리 모델이 맞춤형 IGES 가져오기를 통해 만들어졌습니다. 모든 구조 구성 요소에 대해 쉘 요소를 사용할 수 없으므로, 상부 팔의 머리, 리본 및 헬리컬 연결 보강은 두께가 있는 쉘로 모델링되었으며, 헬리컬 CHS 및 기타 모든 부재는 두꺼운 빔 요소로 표현되었습니다. 타워의 리본과 헬리컬 연결이 이와 같이 모델링될 때 타워의 동작을 올바르게 포착할 수 있도록 각 연결 유형에 대한 세부 지역 교정 연구가 수행되었습니다.

모델링 및 해석

각 타워의 모델은 LUSAS에서 구축되었으며, 각각에 대한 유사한 해석 및 점검이 수행되었습니다. 남부 타워 모델링 시 약 130개의 다양한 교차 섹션 속성을 정의하고 모델 기하학에 할당해야 했습니다. 이전에 설명한 연결 민감도 연구 외에도, 전체 타워에 대한 메시 민감도 해석을 통해 정확성을 위해 최적의 빔 및 쉘 요소 수를 도출했습니다.

고유 주파수 해석은 하중 구조물의 강성도를 고려했으며, 타워 상부 지지 프레임에 적용된 케이블카 지지 시스템의 무게를 나타내는 중요한 집합 질량(남부 타워의 경우 3×12.1톤)을 포함했습니다. 이러한 해석을 통해 각 타워의 첫 번째 모드 형상은 케이블의 방향에 수직, 두 번째는 일반적으로 평면 모드, 세 번째는 비틀림 모드로 나타났습니다. 가장 불리한 설계 하중 조합에 대해 타워에 대한 글로벌 선형 좌굴 해석을 수행했으며, 2차 해석은 필요하지 않은 것으로 판단되었습니다. 그러나 이를 확인하기 위해 기하학적으로 비선형 해석을 수행하였고, 선형 해석과 비교할 때 변형의 최소한의 증가가 확인되었습니다.

타워에 대한 하중은 세 가지 주요 요소로 구성되었습니다: 각 타워 상단의 케이블카 하중, 타워 표면에 대한 직접 바람 하중 및 기타 바람에 의해 유도된 하중(기준 BS EN 1991-1-4:2005 및 NA)과 직접적인 태양 복사로 인한 온도 하중(기준 BS EN 1991-1-5:2003). 바람 하중 작용은 특히 중요하며, 플러터, 소용돌이 유출, 갤로핑 및 진동 효과를 평가하기 위해 풍동 테스트 및 상세 해석 평가가 필요했습니다. 사고 하중은 케이블카의 탈선, 케이블의 이탈, 레벨 기초의 리본에 대한 하중 손실 및 화재를 고려해야 하며, 지역적으로 감소된 영률과 항복 응력에 대한 구조의 응력 및 좌굴을 점검했습니다.

타워의 ULS 및 SLS 점검을 지원하기 위해 LUSAS와 함께 사용할 수 있는 많은 프로젝트별 VB 스크립트가 개발되어 모델을 통과하여 여러 하중 케이스에 대한 결과를 생성하고, 쉘 응력을 둘러싸며, 비틀림 모드의 진동에 대한 모드 회전 관성을 계산할 수 있도록 하였습니다. 하중이 다양하고 복잡한 배열로 인해 많은 조합 및 설계 사례를 고려해야 했습니다. 여기서 VB 스크립트가 도입되어 700개 이상의 하중 조합 및 배율 생성을 자동화하였습니다. 이 스크립트와 LUSAS 해석 결과를 결합하여 리본, 보강재, 다이어프램 및 용접의 응력을 도출하고 검증할 수 있었습니다.

대표적인 결과 플롯

X-방향의 바람 하중	케이블 하중에 의한 변형형상(과장 표시)
리본의 변형률	전체 스펙트럼 배율의 응력
리본 보강재 응력	콜라 보강재 응력
헤드 암의 응력	헤드 보강재의 응력

북부 및 남부 역과 인접 압축 타워의 모델링 또한 AECOM에서 LUSAS를 사용해 수행되었습니다. 수행된 분석의 세부 사항은 이 사례 연구의 범위를 넘어섭니다.

요약

케이블카의 34개의 곤돌라는 시간당 최대 2,500명의 승객을 양방향으로 수송할 수 있는 용량을 가지고 있습니다. 2012년 7월, 빠른 15개월의 설계 및 시공 기간을 거쳐 대중에 개방되었습니다.

프로젝트 팀

• 주 계약자: 메이스
• 건축가: 에이더스 건축사무소
• 상담 엔지니어: 부로 해폴드 / URS(현재 AECOM)
• 강재 제작자: 워슨 스틸 구조물 Ltd.
• 말뚝/기초: 솔렌탱 바키
• 케이블카 설치: 도플마이어

수상

• 2013 영국 구조 엔지니어 협회 구조상 수상: 인프라 또는 교통 구조물 부문에서 수상

• 2013 구조 강재 디자인 어워드에서 수상.