두바이 지하철 경량철도 프로젝트의 레일 트랙/구조 상호작용 해석

활용사례

두바이 메트로 경전철 프로젝트를 위한 철도 및 구조 상호 작용 해석

UIC 773-4에 따른 2D 철도 / 구조 상호 작용 해석 모델링
스프레드시트 계산 검증
잠재적으로 문제되는 결과가 LUSAS로 프로젝트 설계 기준에 부합함이 입증됨

두바이 메트로 재무 센터 역 및 보행자용 다리의 공중 촬영

두바이 메트로 경전철 계획의 적색선과 녹색선은 국제 계약자 컨소시엄에 의해 설계-시공 계약으로 시공되고 있습니다. Atkins, 세계적인 엔지니어링 및 설계 컨설팅 회사인 Atkins는 두바이 급행 링크(DURL) 컨소시엄의 주요 건설업체에 대한 주요 설계자로서, 이 프로젝트의 토목 공사에 대한 종합 다분야 설계 및 프로젝트 관리를 수행하고 있습니다. Atkins는 LUSAS 교량 해석 소프트웨어를 사용하여 스프레드시트 계산 결과를 국제철도연합(UIC) 코드 774-3에 따라 검증하고, 스프레드시트 계산에서 식별된 상황에 대해 더 정확하고 궁극적으로 설계 기준에 부합하는 결과를 도출하였습니다.

개요

52km 길이의 적색선과 24km 길이의 녹색선은 대부분 U자형 단면의 프리캐스트 압축 장치의 높은 교량으로 운행됩니다. 교량 횡빔은 탄성베어링 위에 위치하며, 고정 및 자유 슬라이딩 포트베어링이 각각 두 개와 세 개의 연속 보에서 사용됩니다. 일반적인 스팬은 길이가 28m, 32m 또는 36m인 경우가 많으며, 각 끝은 단일 원형 철근 콘크리트 기둥 위에 있는 플레어 기초 구조에 의해 지지됩니다. 레일은 모든 보와 보 이음부에 대해 지속적으로 용접되며 일반적인 레일 고정을 사용하여 각 보의 길이에 따른 콘크리트 플린트에 연결됩니다.

철도와 교량 구조 간의 상호 작용을 상세히 평가하여 하중 및 온도 변화로 인한 레일 내 응력 및 교량에 유도된 힘과 종방향 변위를 도출할 필요가 있었습니다.

스프레드시트 계산

UIC 774-3 코드에 명시된 공식 및 설계 방법에 따라, Atkins는 적색선과 녹색선을 포함하여 약 1200개의 스팬에 대한 철도 및 구조 상호 작용 효과를 계산하기 위한 스프레드시트를 설정했습니다. 이 스프레드시트 접근 방법은 UIC 코드의 간소화된 기술에 기반하여 일반적으로 보수적인 결과를 도출하였으며, 많은 수의 스팬 배열을 비교적 빠르게 평가할 수 있는 장점이 있었습니다.

독립 해석 모델링

스프레드시트에서 얻은 결과를 검증하기 위해, Atkins는 LUSAS를 사용하여 여러 개의 대표적인 스팬 배열을 모델링하고 해석했습니다. 모델은 파일, 기둥, 횡빔 및 콘크리트 보를 나타내기 위해 두꺼운 보 요소를 사용하여 구성되었습니다. 파일 모델링은 적절한 강성의 요소를 사용하여 수행되었습니다. 교량에 대한 온도 하중 경우가 적용되었고, 기차 하중은 모델의 관심 지점에 있는 레일을 나타내는 요소에 적용되었습니다.

2D 모델링 개념

LUSAS의 다기간 배열 모델링, 2개와 3개 연속 보 포함

프로젝트 엔지니어인 Rachel Jones는 다음과 같이 말했습니다: “LUSAS 검증 모델링을 위해, 우리는 단일, 2개, 및 3개 연속 보에 대한 다양한 효과를 제공할 수 있는 스팬 배열을 선택했습니다. LUSAS 해석에서 얻은 레일의 응력은 우리의 스프레드시트 계산이 올바르게 수행되었음을 입증했습니다.”

그러나 일부 스팬 배열에 대해서는 스프레드시트 계산에서 얻은 철도 구조 상호 작용 힘이 프로젝트 설계 값을 초과하는 것으로 나타났습니다. 각 상황에 대해 추가 LUSAS 모델을 생성하여 상세 해석을 수행해야 했습니다. UIC-773 코드에 대한 해석과 LUSAS를 사용하는 기본적인 차이는 LUSAS에서 비선형 조인트를 사용하여 더 현실적인 모델링을 수행하고 구조의 동작에 대한 가정을 하지 않는다는 것입니다. LUSAS 해석에서 얻은 결과는 초기 우려된 철도/구조 상호 작용 값이 실제로 프로젝트 설계 값을 초과하지 않음을 보여주었습니다.

하중 구성: 교량에 대한 온도 하중 및 기차 하중과 제동력(첫 두 보에서는 보이지 않음)

온도 및 기차 제동 하중에 따른 레일의 응력

“이러한 스팬 배열을 조사하기 위해 LUSAS를 사용함으로써, 우리는 철도 및 교량 상호 작용 효과에 대한 보다 정확한 평가를 얻었고, 설계 기준을 초과하지 않는 값을 얻었습니다.”

Rachel Jones, Atkins

LUSAS를 통한 자동화된 철도 및 구조 상호 작용 해석

Atkins가 스프레드시트를 수동으로 사용해 2D 철도/구조 상호 작용 해석을 수행했던 당시에는, LUSAS 철도 트랙 해석 소프트웨어 옵션이 제공되었다면, 자동화된 2D 모델링을 수행할 수 있었을 것입니다.

이 옵션을 사용하면, MS Excel 스프레드시트에 정의된 기하학적, 물성치 및 하중 데이터를 기반으로 철도 및 교량 상호 작용 모델이 LUSAS에서 자동으로 구축됩니다. 레일 고정 기구, 바닥의 이동, 베어링 및 기초 강성도 모두 해석 모델에 포함됩니다. 모델 구축 대화 상자는 하나의 기차가 하나 이상의 구조를 교차하거나 여러 기차가 동일한 구조를 교차하는 경우를 처리할 수 있습니다.

해석을 수행할 때 교량의 온도 하중을 독립적으로 고려하거나, 교량과 레일 하중을 동시에 고려하는 전체 해석을 수행할 수 있습니다. 고정 기구와 배수의 응답이 비선형이기 때문에 항상 비선형 해석을 수행해야 합니다. 해석을 수행한 후에는 결과를 스프레드시트 또는 LUSAS 결과 파일 형식으로 신속하게 얻을 수 있습니다.

LUSAS 철도 트랙 해석 소프트웨어 옵션의 주요 장점은 기차가 교량을 교차할 때 상호 작용 인터페이스와 관련된 물성치가 자동으로 업데이트된다는 점입니다. 이는 수동 또는 다른 소프트웨어 방법으로는 쉽게 수행할 수 없습니다.