Wacker Drive Reconstruction – Phase 2 Design

• 노후된 교량 철거
• 이축 포스트텐셔닝, 고성능 콘크리트 슬래브 구조물로 교체
• 불규칙하게 지지된 상판의 차량 하중 최적화

Wacker Drive는 시카고 도심 루프의 북쪽과 서쪽에 인접한 주요 이중 레벨 교량입니다. 강철의 심각한 부식과 콘크리트 표면의 스폴링으로 인해, 시카고 교통국은 노후된 교량을 이축 포스트텐셔닝, 고성능 콘크리트 슬래브 구조물로 대체하기로 결정했습니다. 재건 작업의 Phase 1(위 사진 참조)은 2002년에 완료되었습니다. LUSAS Bridge 해석 소프트웨어는 Alfred Benesch & Company에 의해 두 번째 재건 단계의 설계에 사용되었습니다.

개요 및 재건 단계 Wacker Drive의 하부 레벨은 50개 이상의 초고층 건물에 대한 서비스 차량 접근을 제공합니다. 상부 레벨은 20개의 도로와 교차하며 시카고 강을 가로지르는 배반교와 연결됩니다. 2009년 기준, Wacker Drive의 상부 및 하부 레벨에서 약 60,000대의 차량이 매일 이동합니다. 1920년대에 건설된 Wacker Drive의 동서 방향 구간은 2001-2002년에 재건되었습니다. 이 첫 번째 재건 단계는 4000피트 이상이었으며 도로 폭을 증가시키고 높이를 높였습니다. 1955년에 건설된 남북 방향 구간은 현재 전체 재건 중입니다. 이 두 번째 재건 단계는 2010년 봄에 시작되었습니다. 2900피트 이상이며, 너비는 134피트로, 시공 비용은 약 2억 달러로 추산되었습니다.

Phase 2 설계

Alfred Benesch & Company는 프로젝트의 두 번째 단계에서 약 1800피트(550미터)의 설계를 담당합니다. 이 재건 단계의 단면은 12피트에서 46.5피트까지의 불균일한 연속 스팬 3개에서 5개로 구성됩니다. 구조물은 일반적으로 32피트 스팬을 가지며, 하부 레벨 도로가 있는 교차로에서 더 긴 스팬을 가집니다. 일반적으로, 각 기둥 선을 따라 2피트 깊이, 4피트 너비의 종방향 리브가 위치합니다. 일부 위치에서는 기둥의 간격에 따라 리브의 깊이나 너비가 증가합니다. 리브 사이의 슬래브는 일반적으로 13인치 두께이며, 종방향 및 횡방향으로 포스트텐셔닝됩니다. 이 설계 개념은 포스트텐셔닝 텐던의 간섭 없이 두 방향의 응력을 유지하기 위해 설계자의 노력이 필요합니다. 이러한 문제는 리브에서 프로파일된 텐던을 롱기투딜 방향으로 밴딩하고 인접 리브 사이의 슬래브에서 직선 텐던을 활용하여 해결됩니다. 이와 같은 방식으로 슬래브는 리브와 밴드된 텐던에 의해 지지되는 단방향 슬래브로 작용합니다.

모델링 도전 과제

슬래브의 형상과 채택된 설계 개념은 몇 가지 독특한 모델링 및 해석 도전 과제를 제공합니다. 슬래브를 지지하는 기둥의 간격 불균일성은 동적 하중 경우의 모델링 복잡성을 더합니다. 교통 하중 외에도 도로 중간 및 포장 위에 중량이 있는 화단이 존재하여 모델링이 필요합니다. 시카고 교통국은 화단을 도로 중간 및 인도 내에서 자유롭게 배치할 수 있도록 지시했으므로, 화단은 슬래브에 대한 최대 영향을 결정하기 위해 동적 하중으로 모델링됩니다.

모델링 및 해석

1800피트 길이의 교각 구조물은 각 섹션 사이에 팽창 이음이 있는 9개 섹션으로 구성됩니다. 이로 인해 각 섹션에 대해 별도의 LUSAS 유한 요소 모델이 생성됩니다. 슬래브와 리브의 다양한 두께 정의와 두 형상의 굽힘 평면 오프셋 정의가 필요한 3D 쉘 요소를 사용하여 deck의 형상이 모델링됩니다. 기둥의 지지점은 경계 주위의 4개 지점에 스프링 강성 지지를 사용하여 정의됩니다. 이를 통해 기둥 위의 최대 부정적 모멘트를 완화하고 평균 25%의 값 감소를 달성합니다. 포스트텐셔닝은 프리스트레스 손실을 반영하는 등가 하중을 적용하여 모델링됩니다. 이러한 하중은 프로파일 텐던의 포스트텐셔닝 힘을 자동으로 해석하는 스프레드시트 매크로를 통해 생성됩니다. 각 섹션에서 고정 및 동적 하중에 대한 여러 정적 해석이 수행됩니다.

차량 하중 최적화

차량 하중 최적화 기능은 AASHTO 표준 사양에 따라 설계 하중 모멘트의 결정 속도를 획기적으로 향상시킵니다. 이 기능을 사용하여 차량 및 기타 동적 하중 패턴이 선택된 중요한 위치에 대한 영향 해석을 통해 결정되고, 하중 설계 모멘트 에너벨이 생성됩니다. 이러한 해석 결과, 세 개의 차선에서 표준 AASHTO HS20 트럭을 사용하는 것이 교각의 구조적 구성에 대한 제어 하중이 되었다는 것이 입증되었습니다. LUSAS 차량 하중 최적화 기능의 이점은 쉽게 인정되었습니다. 프로젝트 엔지니어인 Dr. Ihab Darwish는 “LUSAS 차량 하중 최적화 시설을 이용해 고도로 반복적인 작업의 동적 하중 해석이 한결 간편해졌습니다”라고 말했습니다.

“LUSAS 차량 하중 최적화 시설을 이용해 고도로 반복적인 작업의 동적 하중 해석이 한결 간편해졌습니다.”

Dr. Ihab Darwish, 프로젝트 엔지니어,
Alfred Benesch and Company