West 7th Street 교량

• 세계 최초로 알려진 프리캐스트 네트워크 아치 교량의 설계 및 해석

• 여러 개의 포스트텐셔닝 배치 및 다양한 시공 단계에 대한 해석

• 크라운 변형 산정을 위한 고유 좌굴 및 비선형 해석 연구 수행

텍사스 교통부(이하 TxDOT)는 포트 워스 시 당국의 요청에 따라 기존 West 7th Street 교량의 보행로 확장 및 향후 경전철 교통 가능성을 고려한 업그레이드 및 보강의 적합성을 평가하기 위해 고용되었습니다. 이에 대한 검토 결과, 기존 구조물 보강이 최적이 아님을 확인하고 새로운 프리캐스트 네트워크 아치 구조로 교체하기로 결정하였습니다. TxDOT는 새로운 교량 설계에 도움을 주고 필요한 포스트텐셔닝을 최적화하기 위해 LUSAS 교량 해석 소프트웨어를 사용하기로 하였습니다.

개요

원래의 West 7th Street 교량은 1913년에 건설되었으며, 1953년에 연장되었고 현재는 사용 수명이 거의 다해가고 있었습니다. TxDOT의 조사 결과 보행로 확장 및 향후 경전철 교통을 수용하기 위한 교량 업그레이드 및 보강이 광범위하게 필요할 것으로 확인되어, 구조물 교체 결정이 이루어졌습니다.

직면한 도전 과제

23′-6″(7.2m) 높이의 콘크리트 아치를 설계하는 데 있어 하나의 도전 과제는 이를 경제적으로 프리캐스트하고 운반할 수 있는 방법을 결정하는 것이었습니다. 솔루션은 아치 요소를 가능한 한 가늘게 만들어 중량을 최소화하고, 중심의 무게 중심을 낮추기 위해 스팬-라이즈 비율을 0.13으로 유지하는 것이었습니다. 또한 아치는 수평으로 주조된 후 특수 설계된 리프트 타워를 사용해 수직 위치로 올리고 현장으로 운반되었습니다. TxDOT 교량 설계자들은 아치에서의 균열이 발생할 가능성이 현실적이라는 것을 인지하고 있었으며, 이는 리브 와의 압축 한계를 낮추었습니다. 따라서 리브와 타이에 포스트텐셔닝이 지정되었습니다. 

야간 아치 주조	덕트 및 냉각 튜브 세부 사항
냉각 튜브는 넥클 지역에서 사용되었으며, 과도한 온도 차이를 피하기 위해 아치의 주조는 야간에 수행되었습니다. TxDOT 프로젝트 중 가장 정교한 혼합물 중 하나를 생산한 콘크리트의 요구 사항은 저수축, 저열, 저투과성, 고슬럼프, 고강도였습니다.  설치된 상태에서 아치는 끝에서 끝으로 100mm 간격을 두고 설정되어 현장에서의 포스트텐셔닝 기회가 없었습니다. 결과적으로 100%의 종방향 타이 포스트텐셔닝은 아치가 주조 체육관에 있을 때 설치되어야 했습니다. 아치의 자중은 타이에 대한 축 방향 서비스 응력의 25% 미만을 생성하였으며, 가늘고 긴 요소는 바닥 보와 기타 후속 중량 하중을 배치하기 전에 매우 높은 압축 하중을 경험했습니다. 안정된 길이를 줄이고 스트레칭 중 타이의 측면 이동을 방지하기 위해, 덕트에 작은 곡선을 추가하여 19개의 끈에 정기적으로 접촉을 형성했습니다. 속도, 비용 및 외관을 고려하여 리브 교차 브레이싱은 사용되지 않았습니다.
	완성된 아치 조립

LUSAS를 사용한 모델링

TxDOT는 아치의 상세 설계에 도움을 주기 위해 LUSAS 교량 해석 소프트웨어를 사용하였습니다. 3D 두꺼운 벽 요소가 아치 리브와 타이를 모델링하고, 3D 바가 걸쇠를 나타냅니다. 넥클 조인트 모델링을 위해 두꺼운 쉘 요소가 사용되었으며, 이 모델링 방법론은 넥클 조인트에 대한 3D 솔리드 모델을 사용하여 검증되었습니다.주요 해석 목적은 아치 콘크리트가 내구성, 미관, 비파손 상태의 일관성을 유지하기 위해 응력이 없는 상태로 유지되는 것이었습니다. 연결 세부 사항 및 걸쇠의 가는 형태로 인해, hanger에서 압축을 생성하는 LUSAS 모델은 부적절하다고 판단되었으며, 수정된 구성이 평가되었습니다. Dean Van Landuyt, Texas DOT의 수석 엔지니어는 관련된 프로세스를 설명합니다: “초기 섹션 사이즈 계산이 완료되면, 우리는 여러 포스트텐셔닝 배치를 해석하기 위해 LUSAS를 사용했습니다. 이는 초기 단계 포스트텐셔닝, 아치 올리기, 두 번째 단계 포스트텐셔닝, 바닥 보 설치, 덱 주조, 바람 및 하중을 포함했습니다. 응력 한계를 충족하는 텐던 배치가 발견되면, 강도 검사가 이루어지고 텐던 프로파일이 승인되었습니다.”

고유 좌굴 연구가 완료된 구조물의 초기 안정성 분석을 위해 수행되었습니다. 가장 낮은 고유 좌굴 값 13.3은 여섯 개의 차선과 바람 하중으로 구성된 서비스 I 하중 조합에서 발견되었습니다. 결과 아치 좌굴 모드는 바람 하중 방향으로 아치의 크라운에서 최대 변형을 보여주었습니다. 추가적으로 비선형 좌굴 해석이 수행되었으며, 여기서는 AASHTO LRFD 교량 설계 규격 하중 조합 I, III 및 V의 일곱 가지 서로 다른 인자 하중이 조사되었습니다. LUSAS 모델은 가장 심각한 조건에서도 강도 III (횡 방향 바람)에서 두 배 하중 인자에서 크라운 변형량이 50mm에 불과하며, 하중-변위 곡선이 거의 선형적임을 밝혔습니다.

세 차선 하중 평가에서 얻어진 처음 세 개의 고유 모드

추가적인 LUSAS 연구가 불필요한 아치의 초기 비직선성을 조사하기 위해 수행되었습니다. 이는 부적절한 주조, 부적절한 저장, 블리드 워터 이동으로 인한 탄성계수 변화 또는 다른 이유로 발생할 수 있습니다. 가장 심각한 초기 비직선 아치 프로파일을 생성하기 위해 고유 해석이 여섯 개의 차선을 로드하는 강도 V 하중 조합에 대한 하중 인자를 사용하여 수행되었습니다. 변위 프로파일은 비선형 해석에서 사용되었고, 동일한 하중이 적용되었으며 초기 비직선 프로파일은 크라운의 측면 변위가 150mm가 되도록 조정되었습니다. 이 극단적인 초기 비직선이 아치의 측면 변형을 유발하였음에도 불구하고, 추가 크라운 변형은 두 배 하중 인자에서 108mm에 불과하였고, 하중-변위 곡선은 여전히 평탄해지지 않았습니다.

아치 주조는 2012년 7월에 시작되어 2013년 2월에 완공되었습니다. 아치 조립은 2013년 5월에 시작되어 5주 만에 완료되었습니다. 바닥 보 설치는 2013년 7월에 시작되었습니다. 교량은 일정보다 빨리 완공되어 2013년 11월 15일에 공식 개통되었습니다.

“초기 섹션 사이즈 계산이 완료되면, 우리는 여러 포스트텐셔닝 레이아웃을 해석하기 위해 LUSAS를 사용했습니다… 그리고 응력 한계를 충족하는 텐던 레이아웃이 발견되면, 강도 검사가 이루어지고 텐던 프로파일이 승인됩니다.”

Dean Van Landuyt, Texas 교통부의 수석 엔지니어

뉴스 속:

• 스턴트 라이더가 West 7th Street 교량 아치 위에서 자전거를 타다