약한 용접부를 가진 박스 거더 대각선의 평가

• 교량 구조물의 박스 거더 크로스헤드
• 비선형 항복 검사 해석
• LUSAS에 의해 보강 작업은 불필요함이 입증됨

미드랜드 링크 교량은 버밍햄 주변의 M5 및 M6 고속도로를 운반합니다. 여러 스팬은 강철 박스 거더 크로스헤드 위에 지지되고 있으며, 메리슨 보고서 발표 이후 추가된 보강 세부사항을 포함하고 있습니다. 이러한 세부 사항은 규정화된 방법을 통한 평가에 쉽게 적용할 수 없습니다. 마운셀 Ltd는 LUSAS Bridge를 사용하여 비선형 해석을 수행하였으며, 대각선의 궁극적 한계 상태에서의 무결성을 입증하였습니다.

BS 5400 파트 3의 방법을 통한 초기 수치 계산 결과, 이 박스 거더의 지지 대각선 내 패널들이 궁극적 한계 상태 하중 아래에서 항복할 것이라는 것을 나타냈습니다. 또한, 간단한 해석 결과, 대각선과 수직 강판 사이의 간헐적인 용접부도 항복할 가능성이 있음을 나타냈습니다. LUSAS Bridge를 활용한 선형 탄성 해석을 통해 이를 확인하였고, 비선형 재료 및 기하학적 해석을 자세히 수행하여 대각선의 궁극적 한계 상태에서의 무결성을 입증하였습니다.

대각선 및 구조물의 인접 강판은 네 개의 노드가 있는 두꺼운 쉘 요소를 사용하여 모델링되었습니다. 대각선의 보강 용접부는 여섯 개의 자유도를 가진 탄성/완벽 소성 접합 요소로 모델링되었습니다. 쉘 요소에는 탄성, 소성, 인장 경화 특성이 할당되었습니다. 접합 요소의 항복 하중은 접합부의 결과 하중이 평가 코드 BD21/97에 의해 예측된 용접 항복 응력에 해당하도록 제한되도록 지정되었습니다. 접합부의 강성은 접합 요소에서의 항복 시작이 눈에 띄는 용접 변형을 0.10mm 이하로 제한하도록 선택되었습니다. 이 값은 연구 증거에 의해 뒷받침되었습니다.

쉘 모델의 끝 부분에서의 모멘트, 전단력 및 비틀림 및 대각선 기초에서의 반응은 선형 빔 해석을 통해 결정되었습니다. 이러한 하중은 모델에 집중된 결절 하중으로 적용되었습니다. 하중 데이터 세트는 평면 내의 비틀림으로 인한 선형 응력 분포의 입력을 단순화하기 위해 변수를 사용하여 지정되었습니다. 대각선 판 내의 기하학적 불완전성을 고려하기 위해, 대각선에서의 두께 방향 온도 변화를 분석하여 적절한 변형된 메쉬 형상을 생성하였습니다. 그 결과 변형된 메쉬는 구조 하중과 함께 정리되었습니다.
구조 내의 항복 정도는 각 하중 증가 시 항복 플래그를 플로팅하여 확인하였습니다. 비선형 메쉬 형상과 응력 등고선 플롯의 애니메이션은 대각선이 한계 강도에 접근할 때 하중을 어떻게 재분배하는지를 보여주었습니다. 대각선 내의 결절의 비틀림 이력은 총 하중 계수에 대해 플로팅하여 좌굴이 현저하지 않음을 확인하였습니다. 각 하중 증가 시 접합 요소의 이동량은 결과로 출력되었으며, 스프레드시트를 사용하여 하중 증가에 따른 용접선의 변위 프로필 그래프를 플로팅하였습니다. 이 그래프들은 용접의 변형이 안전 한계로 설정된 1.0mm를 초과하지 않을 것임을 입증하였고, 잠재적으로 어려운 보강 작업이 불필요하다는 것을 나타냈습니다.

메리슨 보고서는 1960년대 후반에 발생한 여러 고프로파일 박스 거더의 파괴적 붕괴에 따른 로열 커미션의 결과물로, 호주 웨스트게이트 교량 및 웰즈 밀포드 교량 등이 포함됩니다. 보고서에는 모든 기존 박스 거더를 검토하기 위한 상세한 설계 및 시공 규칙이 포함되어 있으며, 1978년 BS5400: 파트 3이 도입될 때까지 상세 설계에 사용되었습니다. 특히 파트 3 규칙은 “백지 설계” 상황에서 메리슨 임시 규칙보다 구현하기가 더 간단합니다.