두바이 메트로 경전철 프로젝트의 고가교 하부 구조물에 대한 지진 해석

활용사례

사례 연구

두바이 메트로 경전철 프로젝트를 위한 교량 하부구조의 지진 해석

콘크리트 교량 구조물의 2D 및 3D 모델링
AASHTO LRFD에 따른 지진 해석
지진 및 수정된 BS 5400 하중 조합으로부터 얻은 말뚝 및 기둥 설계 모멘트

두바이 메트로 경전철의 적색선 및 녹색선은 국제 계약자 컨소시엄에 의해 설계-시공 계약으로 건설되고 있습니다. 세계적인 엔지니어링 및 설계 컨설팅 회사 중 하나인 Atkins는 두바이 신속 연결(DURL) 컨소시엄의 주요 시공사에 대한 주 설계자이며, 이 프로젝트의 토목공사에 대한 종합 다분야 설계 및 프로젝트 관리 업무를 수행하고 있습니다. Atkins는 LUSAS 교량 해석 소프트웨어를 사용하여 교량 하부구조의 지진 해석을 포함한 다양한 구조물의 해석 및 설계를 지원하였으며, 여기서 최대 휨 모멘트가 도출되어 기둥 및 말뚝 부재 설계 및 보강에 사용되었습니다.

적색선은 제벨 알리 항구에서 도시 중심을 지나 알 라시디야까지 이어지는 총 52km의 거리로, 이 길이 중 42km가 고가 교량 구조로 되어 있습니다. 녹색선은 알 쿠사이스에서 도시 중심을 지나 알 자다프까지 이어지며, 총 24km의 거리 중 16km가 고가 교량 구조로 되어 있습니다.

개요

적색선 및 녹색선의 교량은 엘라스토머 베어링에 지지된 U자형 단순 지지 단일 경량 프리캐스트 데크와 고정 및 자유 슬라이딩 포트 베어링에 지지된 2 및 3스팬 연속 데크의 조합으로 구성됩니다. 대부분의 교량 스팬은 일반적으로 28m, 32m 또는 36m 길이로 되어 있으며, 일반적으로 1.75m 또는 2m 직경의 단일 원형 철근 콘크리트 기둥에 의해 지지됩니다. 플레어 기둥이 데크를 지지합니다. 시공 속도를 높이기 위해 대부분의 단일 기둥은 2.2m 및 2.4m 직경의 보어드 모노파일에 의해 지지됩니다. 단일 스팬, 쌍 스팬 및 정거장 스팬의 기둥 헤드는 프리캐스트 구조로 되어 있으며 현장 타설 콘크리트 충전 및 프리스트레싱이 필요합니다. 단일 궤도 및 3스팬 연속 교량 구조물용 기둥 헤드는 전적으로 현장에서 시공되며 이러한 구조물에는 대구경 보어드 파일이 사용되었습니다. 대부분의 데크 섹션은 오버헤드 가공지에 의해 조립됩니다. 하지만 기둥 및 말뚝 설계를 위해 가공지에 의한 임시 시공 하중은 예측 가능한 지진 하중보다 덜 가혹한 것으로 판단되었습니다.

설계 기준

시공 프로그램에는 첫 9개월 동안 1200개 이상의 고유한 기초에 대한 초기 설계가 포함되어 있으며, 이에 따라 교량 시공이 주요 경로에서 벗어나도록 하였습니다. 시공을 앞서기 위해 자동화를 사용하여 보수적인 설계 방법으로 초기 진행하였으나, 시간이 허락하는 대로 더 정밀한 계산이 도입되어 아직 건축되지 않은 기초의 설계를 최적화할 수 있었습니다. 교량 설계는 BS 5400 및 관련 표준에 근거하여 AASHTO LRFD 교량 설계 명세서에 따라 지진 설계가 이루어졌습니다. LUSAS Bridge를 사용하여 교량의 여러 섹션을 2D 및 3D 모델링하였습니다.

단일 스팬 모델링

초기에는 LUSAS에서 단순 지지 단일 스팬 구조를 모델링하기 위해 2D 횡단 및 종단 모델이 생성되었습니다. 이러한 모델에서 첫 3개의 모드 형상에 대한 고유 주파수를 얻어 AASHTO LRFD 설계 응답 스펙트럼에 사용하여 기초와 기둥 섹션 설계를 위한 가속도 값을 생성하였습니다. 횡단 모델의 경우, 부재로는 말뚝, 기둥 및 교차 보가 표현되었습니다. 말뚝 모델링은 지반/구조 상호작용을 탄성 스프링이 있는 보로 모델링하는 대신 등가 캐틀리버 방법을 사용하여, 적절한 정적 및 동적 값이 Atkins 지반 공학팀에 의해 제공되었습니다. 엘라스토머 베어링은 적절한 강성을 가진 조인트 요소로 모델링되었습니다. 설계 기준 보고서에 따라 하나의 궤도가 작용하는 기차의 무게는 기차의 중심에 적합한 질량 및 수직 이심률을 가지는 조인트 요소로 나타났습니다. 2m에서 20m까지 다양한 기둥 높이와 1.75m 및 2m의 기둥 직경이 조사되었습니다. 횡단 모델과 유사한 모델링 기법을 사용하여 제작된 종단 모델은 36m 길이의 교량 스팬을 평가하였습니다. 이러한 모델에서도 부재로는 데크 부재가 포함되며, 실제 스팬의 질량과 초과된 하중의 질량을 나타내기 위해 등가 질량 밀도가 사용되었습니다.

전형적인 2D 종단 단순 지지 교량 모델

연속 스팬 모델링

수많은 2 및 3스팬 연속 교량 구성을 동적 거동을 해석하기 위해 3D 모델이 초기 2D 횡단 모델에서 개발되었으며, 유사한 모델링 방법을 사용하였습니다(오른쪽 이미지를 참조하십시오).

비틀림 효과를 고려하기 위해, 데크는 두께가 있는 셀 요소로 모델링되었습니다. 데크 프로파일은 길이에 따라 두께가 다양하지만, 모델링 목적을 위해 각 데크 부분에 대한 평균 두께가 계산되었고, 응답 스펙트럼 평가를 위해 스팬을 따라 질량 밀도 변동이 정확하게 분포되도록 하였습니다.

연속 구조물 양쪽에 있는 세 개의 단순 지지 구조물도 각 모델에 포함되어 경계 효과를 줄였으며 이는 추가적으로 보수적으로 검증되었습니다.

3D 모델링 개념 (2D 모델링은 유사)

지진 해석

각 3D 모델에 대한 고유값 해석에서 첫 30개의 모드 형상이 생성되었습니다. 이들은 AASHTO LRFD 코드를 기반으로 각 방향에서 95% 이상의 질량이 유도되었는지 확인하는 데 사용되었습니다. LUSAS 인터랙티브 모달 동역학(IMD) 기능을 이용하여, AASHTO 응답 스펙트럼 및 관련 감쇠 값을 사용하여 CQC 조합을 지정함으로써, 모든 기둥의 기초에서 최대 휨 모멘트가 도출되었습니다. IMD 분석 결과는 궁극적으로 수정된 BS5400 하중 조합과 결합되어 최종 설계 값을 제공하였습니다. 이를 통해 기초와 기둥 보강이 설계되고 특정 응력 모멘트 범위에 맞게 조정되었습니다.

LUSAS 인터랙티브 모달 동역학 해석의 전형적인 변형된 교량 플롯.

결과 검증

LUSAS 결과는 SRSS 방법을 통한 스프레드시트 계산 및 추가적인 등가 정적 해석을 사용하여 검증되었습니다. 프로젝트의 엔지니어인 마누엘라 치아렐로는 “각 모델에 대해 각 모드가 구조물의 총 응답에 얼마나 많은 참여를 하는지 확인했으며, 주요 모드에 대해서만 스프레드시트를 사용하여 SRSS 해석을 실시했습니다.”라고 설명합니다. 그녀는 계속하여 “그 후, 주요 모드의 주파수를 사용하여 AASHTO 응답 스펙트럼에서 해당 감도를 적용한 등가 정적 해석을 수행했습니다.”라고 덧붙였습니다. 이러한 방법들은 IMD 결과에 대해 근접하고 보수적인 결과를 제공해야 하지만, 결과를 확인하고 모델링 이상을 표시하는 데 도움이 되었습니다.

데이비드 A. 스미스, Atkins의 지역 교량 공학 책임자는 다음과 같이 말했습니다: “우리는 이 프로젝트의 교량 하부구조 및 데크가 합의된 시공 일정에 맞춰 설치되도록 여러 설계 및 프로그램 문제를 해결해야 했습니다.” 그는 계속하여 “궁극적으로, 데크 및 주요 하부구조 구성 요소에 대한 프리캐스트 콘크리트 요소 사용과 설계 프로세스를 지원하는 LUSAS 소프트웨어의 사용이 교량 시공이 계획대로 진행될 수 있도록 하는 데 모두 기여했습니다.”라고 언급했습니다.

공식 개통

적색선은 2009년 9월 9일 아랍 에미리트 연합의 부통령이자 총리, 두바이 통치자인 알 마크툼 셰이크 모하메드 빈 라시드에 의해 공식 개통되었습니다. 총 29개 역 중 10개 주요 역이 처음으로 승객에게 개방되었으며, 나머지 역들은 이후 몇 달에 걸쳐 차례로 개방될 예정입니다. 모든 적색선 역은 2010년 2월까지 운영될 예정입니다. 녹색선은 2010년 6월 개통될 예정입니다.

Atkins가 LUSAS를 사용하여 두바이 메트로 경전철 프로젝트에서 수행한 기타 해석은 다음과 같습니다: