بخشی از مقاله
بررسي اثر بارهاي محوري مختلف عبوري از راه هاي کشور بر نتايج طراحي روسازي آسفالتي با نرم افزار Kenlayer
خلاصه
طرح سازه روسازی متأثر از دو عامل عمده بارهای ترافیکی عبوری و مصالح روسازی است. در این میان، طی چند دهه اخیر، تحولات عمیقی در ماسایی اثر تخریبی محورهای مختلف عبوری از راه های کشور زمینه نوع، تعداد، ترکیب و وزن محورهای عبوری از راه ها، رخ داده است و تعیین بارهای مجاز عبوری از راه های کشور ضرورت دارد. در این تحقیق، با توجه به نوع، ترکیب و میزان بارهای محوری عبوری و خصوصیات مکانیکی مصالح روسازی، دو نوع روسازی آسفالتی با استفاده از نرم افزار Kenlayer طرح گردیده است. براساس نتایج این تحقیق، مقایسه اثر محور منفرد ۱۱ تنی با محور منفرد ۱۳ تنی، نشان میدهد که انتخاب وزن مجاز ۱۳ تن برای بار محور منفرد با چرخ زوج در راه های کشور برای سالیان متمادی، بسیار محافظه کارانه بوده است.
۱. مقدمه
درطي چند دهه اخير، تحولات عميق رخ داده در زمينه نوع ، تعداد، ترکيب و وزن محورهاي عبوري از راه هاوتحقيقات گسترده صورت گرفته بر روي مشخصات و خواص مکانيکي انواع مختلف مصالح روسازي ، منجر به ارائه روش هاي نوين و پيشرفته طراحي روسازي براساس اصول و تئوري هاي دقيق علمي شده است . هم زمان با اين تحولات و پيشرفت هاي صورت گرفته ، شناسايي اثر تخريبي محورهاي مختلف عبوري و تعيين بارهاي مجاز عبوري از راه هاي کشور ضرورت دارد. در اين تحقيق ،طراحي روسازي به روش مکانيستيک -تجربي با استفاده از نرم افزار Kenlayer صورت گرفته ، اثر تخريبي محورهاي موجود و مجاز وسايل نقليه سنگين در حال تردد در راه هاي کشور مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است .
۲. نگاهي بر نحوه اعمال اثر ترافيک در طراحي روسازي هاي آسفالتي
اغلب روش هاي طراحي روسازي ، بار وارد بر سازه روسازي را به دو صورت زير فرض مي کنند:
. بار محوري معادل استاندارد
. طيف بارهاي وارد بر روسازي
۲-۱-بار محوري معادل استاندارد:در اين حالت ، تعداد محورهاي عبوري بر حسب تعداد محور منفرد معادل استاندارد (۸,۲ تني )، وزن چرخ و فـشار باد لاستيک تعيين مي شود. ترافيک دوره طرح ، با استفاده از ترافيک سال اول ، درصـد رشـد سـاليانه ترافيـک و دوره طـرح بدسـت مـي آيـد. مشخـصات سنگين ترين محور منفرد مجاز تک چرخ شامل وزن مجاز محور منفرد تک چرخ و فشار مجاز باد چرخ ، همچنين مشخـصات سـنگين تـرين محـور منفـرد مجاز با چرخ زوج شامل وزن مجاز محور منفرد با چرخ زوج ، فشار مجاز باد چرخ و فاصله مرکز به مرکزچرخ ها بايد مشخص شوند.
۲-۲- طيف بارهاي وارد بر روسازي :طيف بارهاي وارد بر روسازي در روش هاي اخير طراحي ،متناسب با اهميت ، بزرگي و هزينه نسبي مـسير راه ،در سه سطح مختلف قابل تعريف است :
۱- سطح پايه : نوع ترافيک با توجه به عملکرد جاده ( بين ايالتي شهري ، بين ايالتي بين شهري ، بزرگراه شهري ، بزرگـراه بـين شـهري ، جـاده کـم حجم از نظر ترافيکي و معمولي ) مشخص مي شود. ورودي هاي ترافيکي شامل ترافيک متوسط روزانه در سال ، درصـد رشـد سـاليانه ترافيـک و عمر طرح است .
۲- سطح مياني : در اين سطح با توجه به ورودي هاي سطح پايه ، انواع وسايل نقليه استاندارد مورد استفاده در جاده هـا بـا طبقـه بنـدي هـايي ماننـد طبقه بندي Mn.DOT وFHWA طبق جداول ۱و۲و درصد ترافيک عبوري هر نوع از وسايل نقليه تعيين مي شود.
۳- سطح پيشرفته : در اين سطح با توجه به نوع محورها( محور منفرد تک چرخ ، محور منفرد بـا چـرخ زوج ، محـور تانـدم و محـور تريـدم ) و توزيع وزني محورهاي عبوري از جاده در دوره طرح ، تعداد عبور محورها در طبقه بندي هاي درنظرگرفته شده با کمک درصد عبـوري هـر نـوع از وسايل نقليه تعيين شده ، محاسبه تعداد بار محوري عبوري در طي دوره طرح روسازي ميسر مي شود. مشخصات چرخ هاي محورهـاي مختلـف شامل فشار باد چرخ ، فاصله مرکز به مرکز چرخ ها و فاصـله محورهـا از همـديگر در محورهـاي تانـدم و تريـدم در ايـن سـطح بـه تفکيـک نـوع محورها تعيين مي شود.
۳. طراحي روسازي به روش مکانيستيک ±̃ تجربي با استفاده از نرم افزار Kenlayer
روش هاي طراحي مکانيستيک - تجربي مبتني بر اصول مکانيک جامدات و خواص مکانيکي مواد بوده ، يک ورودي مانند بار چرخ را به يک خروجي يا عکس العمل روسازي مانند تنش ، کرنش يا تغييرشکل مربوط مي سازند.نرم افزار Kenlayer از جمله نرم افزارهاي تحليل و طراحي روسازي هاي انعطاف پذير است که بر اساس تئوري تحليل الاستيک چندلايه اي ، تحت سطح بارگذاري دايره اي شکل ، استوار است . اين نرم افزار براي سيستم هاي لايه اي تحت بار انواع محورهاي ساده ،دوتايي (تاندم )وسه تايي (تريدم ) و چرخ هاي منفرد و زوج قابل استفاده است . همچنين امکان تعريف رفتارهاي مختلف مانند الاستيک خطي ، الاستيک غيرخطي و ويسکوالاستيک خطي براي مصالح لايه هاي مختلف روسازي در اين نرم افزار درنظرگرفته شده است .
تحليل خرابي هاي روسازي بر اساس تقسيم هر سال به حداکثر ۱۲ دوره آب و هوايي به منظور پوشش کامل مشخصات متفاوت مصالح در دوره هاي مختلف سال صورت مي گيرد. در اين برنامه کامپيوتري حداکثر۱۲ گروه بارگذاري قابل تعريف است [٦].با تعيين ترافيک کل عبوري مربوط به هرگروه بار در هر دوره آب وهوايي و تعميم مناسب آن براي دوره طرح روسازي ، تعداد کل بارهاي وارده بر روسازي در دوره طرح ، تعيين مي شود.
۳-۱-پارامترهاي ورودي برنامه
پارامترهاي ورودي متعددي در برنامه Kenlayer قابل تعريف هستند. برخي از مهم ترين اين پارامترها شامل تعداد دوره هاي مختلف آب و هوايي در يک سال ، تعداد گروه هاي بارگذاري ، تعداد لايه هاي روسازي ، نوع رفتار در مرز بين لايه ها (اصطکاک کامل و يا لغزندگي کامل )، نوع بارگذاري (محورمنفرد با چرخ منفرد، محورمنفرد با چرخ زوج ، محور دوتايي و محور سه تايي )، شعاع تماس و فشار تماسي روي سطح بارگذاري دايره اي ، فاصله مرکز به مرکز بين چرخ هاي زوج و فاصله مرکز به مرکز بين دو محور است [٦].
2-3- توابع انتقال
توابع انتقال به عنوان حلقه رابط عکس العمل هاي سازه اي روسازي و خرابي هاي ايجاد شده در روسازي ، عامل اصلي اختلاف روش هاي مکانيستيک -تجربي طراحي روسازي محسوب مي شوند [٧]. دو معيار غالب روش هاي طراحي عبارتند از:
۱. معيار خستگي : کرنش کششي افقي در زير لايه آسفالتي منجر به ترک خستگي مي شود. جهت کنترل ترک خستگي ، تعداد مجازتکرار بار ، به کرنش کششي افقي در زير لايه آسفالتي و مدول الاستيسيته لايه آسفالتي مرتبط مي شوند.
۲. معيارتغيير شکل دائمي (گودافتادگي مسير چرخ ها): کرنش فشاري قائم بالاي خاک بستر باعث ايجاد تغييرشکل قائم يا گودافتادگي مسير چرخ هامي شود. لذا جهت کنترل آن ، تعداد مجاز تکرار بار ، به کرنش فشاري قائم بالاي خاک بستر مرتبط مي شود.
۳-۳-پارامترهاي خروجي برنامه
با کاربردنرم افزار Kenlayer ضمن تعيين کرنش کششي زير لايه آسفالتي و کرنش فشاري در بخش فوقاني خاک بستر، با استفاده از پاسخ هاي سازه اي و توابع انتقال ، تعداد تکرار مجاز هرگروه بار در دوره طرح روسازي قابل برآورد خواهد بود [٥]. با توجه به در دسترس بودن تعداد تکرار واقعي هر گروه بار در دوره طرح ، به کمک فرضيه ماينر [٨]و نسبت خرابي محاسبه شده ، معکوس اين نسبت به عنوان عمر واقعي روسازي برآورد مي شود.
۴. داده هاي ورودي طرح
آيين نامه حمل و نقل بار در راه هاي ايران ، انواع وسايل نقليه سنگين موجود در راه هاي ايران و وزن مجاز آن ها را طبقه بندي کرده است . در حال حاضر، اين طبقه بندي به دليل گذشت زمان و تغييرات رخ داده چندان معتبر نيست . عليرغم اين موضوع ، در اين تحقيق ، به دليل نبود اطلاعات مستند ترافيکي در اين زمينه ، همچنان طبقه بندي يادشده ملاک قياس بوده است . با هدف محدودسازي انواع محورهاي وسايل نقليه سنگين ، برخي تغييرات در وزن محور يدک کاميون ها در جهت محافظه کارانه داده شده و نتايج در جدول ۳نشان داده شده است .به منظور بررسي اثر خرابي محورهاي موجود و مجاز وسايل نقليه سنگين در حال تردد در راه هاي کشور، با استفاده از نرم افزار Kenlayer ، فرضيات زير درنظرگرفته شده است :
- رفتار مصالح در طراحي با نرم افزار Kenlayer،الاستيک خطي فرض شده است .
- تعداد عبور هر محور در طول عمر روسازي ۲,۰۰۰,۰۰۰ فرض شده است .
- مدول برجهندگي خاک بستر، زيراساس ، اساس به ترتيب ۵۳,۱۰۰، ۱۰۳,۴۰۰ و۲۰۷,۰۰۰ کيلوپاسکال درنظر گرفته شده است .
- مدول ديناميکي بتن آسفالتي برابر ۵,۵۰۰,۰۰۰ کيلوپاسکال درنظر گرفته شده است .
- فشار باد چرخ KPa فرض شده است .
- فاصله بين محورهاي تاندم و تريدم در کاميون ها برابر ۱۴۰ سانتي متر و فاصله مرکز به مرکز چرخ ها ۳۴ سانتي متر درنظر گرفته شده است .
- جهت طراحي روسازي آسفالتي با برنامه Kenlayer، از توابع انتقال انستيتوآسفالت استفاده شده است .
همچنين ،طراحي روسازي در دو نوع صورت گرفته است :
الف - روسازي نوع ۱:روسازي آسفالتي متعارف (لايه آسفالتي واقع بر روي لايه هاي زيراساس و اساس )
ب - روسازي نوع ۲:روسازي تمام آسفالتي
۵. نتايج طراحي روسازي
خلاصه نتايج حاصل از طراحي دو نوع روسازي متعارف و روسازي تمام آسفالتي در جدول ۴ آمده است .
