런던 스타디움 지붕 시공 해석

활용사례

런던 스타디움 지붕 시공 해석

세계에서 가장 긴 켄틸레버 지붕으로 여겨지는 구조물에 대한 시공 해석 분석
비선형 기법을 이용한 압축 트러스, 기둥, 케이블 네트 및 지붕 강재의 모델링 및 해석
지붕 설치 동안 구조물의 영구 작업 구성원 및 안정성 확인

런던 스타디움

COWI(이전의 Flint & Neill Limited)는 주 계약자 Balfour Beatty에 의해 런던 올림픽 스타디움의 원래 지붕 해체 및 새로운 장경 지붕 구조물의 건설을 위한 시공 해석 서비스를 제공하기 위해 지정되었습니다. 이는 런던 유산 개발 공사가 수행한 변환 작업의 일환으로 필요했습니다. COWI는 다양한 해체 및 시공 단계를 독립적으로 검사하기 위해 LUSAS를 하청 계약자로 고용하였으며, 영구 작업을 구성하는 구조 members 및 적용 하중 하의 구조물의 전반적인 안정성의 적합성을 확인했습니다.

개요

스타디움의 혼합 용도 장소로의 이후 전환은 새로운 지붕이 필요하게 되었습니다. COWI는 원래 지붕의 해체 분석을 수행하기 위해 자체 패키지 NODLE을 사용하였으며, 해체 작업에는 조명 타워의 해체, 막 제거 및 케이블 네트 및 지붕의 하강이 포함되었습니다. 해체 작업은 2014년 2월에 완료되었습니다. LUSAS 또한 원래 지붕의 해체 분석을 수행했지만, 이 사례 연구는 교체 구조물에 대한 시공 해석 분석에 국한됩니다.


원래 건설된 런던 올림픽 스타디움.	원래 스타디움 지붕.

새 지붕은 콤바인된 강성이 있는 주 케이블 네트 구조로 이루어져 있으며, 이는 상부 지붕 프로필을 생성하고 지붕 덮개를 지탱합니다. 기존의 압축 트러스 연결부 및 기울어진 V-형 기둥은 새로운 지붕 구조물의 향상된 하중을 견딜 수 있도록 보강이 필요했습니다. 약 48,000 제곱미터의 면적을 가지며 최대 84m의 켄틸레버 길이를 가진 이 지붕은 원래의 두 배 면적과 세 배의 스팬을 가지고 있습니다.

새 지붕의 시공 순서 및 모델링/해석 요건은 다음 세 가지 명확한 단계로 이루어졌습니다:

1단계: V-기둥 보강 / 교체
2단계: 케이블 네트 설치
3단계: 후면 및 전면 지붕의 시공

런던 올림픽 스타디움과 런던 스타디움 지붕 구성

새로운 및 원래 지붕 구성.

런던 스타디움의 새로운 지붕의 주요 구성 요소

런던 스타디움 지붕의 주요 구성 요소.

전반적인 해석 및 모델링 요건

LUSAS는 건설의 중요한 단계에서 전반적인 구조 및 구조 부재의 적합성을 검증하기 위해 요구되었습니다. 이는 다음을 포함합니다:

시작 LUSAS 유한 요소 모델(역 해석에 사용)이 완성된 스타디움 지붕의 영구 상태를 반영하는 참조 응력 상태를 만족하는지 확인합니다.
V-기둥의 단계적 교체를 분석하고 다른 구조의 지역 연결을 검증하기 위한 연결부의 부재 힘의 범위를 제공합니다.
서로 다른 단계에서 지붕 구조를 분석하여 모든 구조 부재가 영구 상태에 대해 설계되었으며 제안된 시공 방법론에 대해 적합한지 확인하고 구조의 안정성을 보장합니다.
각 시공 진행 단계에서 지붕 부재 및 케이블, 압축 트러스 및 기둥 구조의 임계 부재들에 대한 내부 하중, 범위 있는 시공 하중 효과 및 사용 비율을 제공하고, 각 단계의 주요 위치에 대한 변위를 제공합니다.

모든 해석 경우에 대해 LUSAS 모델은 구조물 및 위치에 적합한 영국 표준에 따라 하중을 적용받도록 하였습니다. 일반적으로:

스타디움의 압축 트러스 및 기둥은 적절한 대규모 변위 비선형 기법을 사용하여 모델링 및 해석되었으며, 두꺼운 비선형 빔 요소에서 전단 변형을 포함했습니다.
케이블은 자중 하중을 길이 전반에 골고루 분포시키고, 케이블이 처지는 기하학적 비선형 효과를 포함하기 위해 다수의 요소를 사용하여 모델링되었습니다. 케이블 요소의 끝에서 회전을 허용하도록 해방 조치를 취하였으며, 낮은 굽힘 강성을 사용하고 비선형 조인트를 사용하여 케이블이 인장 부재로 작용하도록 하였습니다.
모든 구성 단계의 모델링 및 해석을 위해 LUSAS 비주얼 베이직 스크립팅 기능을 광범위하게 사용하여 하중 지정, 하중 조합 생성 및 설계 검증을 자동화했습니다.

1단계 – V-기둥 보강 / 교체

이는 기존의 기울어진 V-기둥을 보강하고 교체해야 했습니다.

기존의 기울어진 V-기둥 교체는 기둥 및 트러스 부재 간의 위치 및 각도 변화의 영향을 고려할 수 있도록 기하학적으로 비선형 정적 해석을 통해 시뮬레이션되었습니다. 각 기둥 교체 모델링을 위해, 먼저 제거되지 않는 인접 기둥의 하단 지지 조건을 핀 조건으로 변경하고, 프레임에 기둥을 제거하였습니다. 그 후 상단 노드에 총 강제 변위 하중을 적용하여 변형된 메쉬를 원래 위치로 되돌리는 재배치를 모사하였습니다(재배치 프로세스를 모델링). 새로운 기둥이 핀 지지 조건으로 활성화되었습니다. 재배치 강제를 제거하는 것은 단순히 부과된 변위를 제거한 다음 영구 하중을 재부과하여 원래 하중 조건을 복원하는 것입니다.

부재 저항/사용 비율은 압축 트러스의 모든 부재에 대해 BS5950-1:2000을 사용하여 계산되었습니다. 두 개의 전체 모델이 개발되었습니다; 하나는 모든 회전 축에 대해 핀 상태인 압축링의 대각선 부재를 가지며, 다른 하나는 하나의 축에 대해 핀 상태이고 다른 축에 대해 강체 고정 상태입니다. 트러스 연결 하중 범위를 요약하기 위해 완전히 핀 상태인 모델이 사용되었지만, 모든 다른 결과에 대해 하나의 고정단 조건 모델이 사용되었습니다.

얻은 결과

1단계에 대한 확인은 적절한 전단, 모멘트, 축 tension/압축 및 조합 효과에 대한 확인을 포함하였습니다. 설계 기준에 따른 모든 트러스 부재 및 하중 케이스 조합에 대한 사용 요인 그래프 및 엑셀 스프레드시트가 생성되었으며, 영구 작업의 적합성 및 기둥 교체 동안 구조의 안정성을 확인하였습니다.

2단계 – 케이블 네트 설치

텐션 링은 압축 트러스의 내측 상부 조인트에 설치된 스트랜드 잭을 사용하여 들어 올려졌습니다. 이어서 하부 방사 케이블을 수압 잭을 사용하여 설치하고 스트레스를 주었습니다. 텐션 링을 미리 정의된 기하학으로 끌어당기기 위해 임시 속박 구조물도 설치되었습니다.

런던 스타디움 지붕의 2단계 해석을 위한 LUSAS 모델

2단계 해석을 위한 LUSAS 모델.

모델링 및 해석

케이블 네트와 텐션 링 연결부의 초기 배치 위치는 2단계 분석의 여러 항목 중 하나로 결정되었습니다. 지붕 기하학과 사용될 부재 연결부의 검토에서 후면 지붕(3A 단계)의 시공 모델링 시 역구성을 같은 접근 방식이 필요함을 알게 되었습니다. 따라서 들어 올려지고 스트레스를 주는 분석은 스트레스 단계의 끝부터 시작하여 케이블 네트 시스템을 내리면서 연결부가 지지대 수준 및 지면에 안정할 때까지 진행되었습니다. 비선형 매끄러운 접촉 성질을 가진 조인트 요소가 중간 노드 및 텐션 링 노드간의 접촉을 모델링하기 위해 사용되었습니다.

V-기둥의 기반은 스트레스를 주는 단계 동안 핀으로 모델링되었습니다. 스트레스를 주는 단계가 끝날 때 기둥의 하부 볼트는 완전히 조여졌으며, 이들은 스트레스를 주는 단계와 지붕 강재 시공 단계 동안 번역 및 회전에서 완전히 고정된 것으로 모델링되었습니다. 상방 방사 케이블(URC), 하부 방사 케이블(LRC), 전면 방사 케이블(FRC), 텐션 링 및 들어 올리기 장치 피드 스레드는 LUSAS에서 다수의 두꺼운 비선형 빔 요소를 사용하여 모델링되었으며, 케이블 연결부에서 자유 회전을 허용하기 위해 끝 해방 조치를 취했습니다. 케이블은 자중 하중을 포함하여 기하학적 비선형 효과를 포함하기 위해 다수의 요소로 모델링되었습니다. 중간 노드에서 접점의 스스로의 무게는 적절한 위치에서 집중 하중으로 적용되었습니다. 속박 구조물은 단일 바 요소로 모델링되었으며, 속박 구조물이 하중이 없을 경우 텐션 링과 함께 들어 올라가도록 하였고, 이 구조물의 자중은 각 속박 위치에 집중 하중으로 모델링되어 반응을 확인하는 것이 더 용이하도록 했습니다.

케이블 네트 들어 올림 (빨간 원은 접촉 위치를 나타냄).

런던 스타디움 지붕을 위한 케이블 네트 들어 올림 애니메이션: 공중에서의 조망.

롬당 스타디움 지붕을 위한 케이블 네트 들어 올림 애니메이션: 공중에서의 조망.

케이블 네트 들어 올림 애니메이션: Y축을 따라 조망.

케이블 네트 들어 올림 애니메이션: 0번 그리드 라인에서의 분리된 애니메이션.

케이블 네트 설치 및 텐션 속박 완료.

얻은 결과

2단계에 대해, LUSAS는 케이블 네트 설치 프로세스의 여러 단계에 대한 새로운 지붕의 전역 모델로부터 다음과 같은 결과를 제공했습니다:

케이블 하중 및 각도
모든 트러스 부재, 기둥 및 케이블에 대한 사용 비율
좌석층에 간접적으로 적용되는 하중
들어 올리기 단계 동안 피드 스레드 길이
케이블, 연결판 및 텐션 링의 응력 없는 배치 기하학 확인
각 연결판 및 링 케이블 연결의 “들어 올림” 위치
들어 올림, 스트레스 및 묶기 단계의 끝에서 기하학 확인
묶기 끝에서의 목표 기하학 및 텐션 인장 확인
시공 과정에서 홀드다운의 안전 계수가 적절한지 검증

3단계 – 후면 및 전면 지붕의 시공

3단계에서는 지붕 시공이 후면 지붕의 설치로 시작되었고, 두 개의 시공 프론트에서 전면 지붕의 설치로 이어졌습니다. 후면 지붕 클래딩 설치는 시공 프론트의 1/8 뒤따라 진행되었습니다. 주요 강재 작업 및 후면 지붕의 3/4이 클래딩되면 전면 지붕의 시공이 시작되었고, 여기에 관련된 조명 타워 및 클래딩도 유사한 순서로 설치되었습니다. 목표 지붕 구성을 달성하기 위해 임시 연결 기둥이 후면 지붕의 후방 대각선 빔의 정점에 설치되어 후면 및 전면 지붕이 임시로 연결되었습니다. 전면 방사 빔의 외부 끝은 이를 연결하여 더 많은 요소가 설치될 수 있도록 지탱되었습니다.

LUSAS Civil & Structural을 사용하여 기하학적으로 비선형 정적 전방 해석이 수행되어 기둥, 트러스 및 케이블 네트의 위치 및 각도 변화의 영향을 고려하고 케이블의 비선형 효과를 반영했습니다. 기둥, 트러스 및 케이블 네트 구성은 2단계 분석에서 상속되었으며, 동일한 스트레스 및 속박 단계가 3단계 분석에 통합되었습니다. 추가 강재 및 전면 지붕 클래딩이 해석에 포함되었습니다.

모델링 중에는 링크 포스트가 매우 강한 것으로 간주되어 이러한 부재의 힘 및 모멘트를 확보하고 후면 및 전면 지붕의 상대적 위치를 각심에서 유지할 수 있도록 보장했습니다. 이 링크 포스트는 3단계 시공 프로세스가 완료되면 제거되었습니다. 전방 시공 분석에서 링크 포스트와 속박을 제거한 후, 전면 지붕 강재의 원주형 빔이 완료되면 축 방향 압축 상태가 되도록 하여 예상되는 상태의 기하학을 확보했습니다.


런던 스타디움 지붕의 3단계 해석을 위한 LUSAS 모델.


전방 지붕 시공을 나타낸 조명 타워 강재 모델링.


전면 지붕 프레이밍 강재의 세부 사항.

후면 지붕 강재의 세부 사항.	조명 타워 강재.