بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی مدل های تخمین و پیشبینی عملکرد روسازی های انعطاف پذیر
خلاصه
نگهداری و حفاظت از زیرساختهای حملونقلی هر کشور نیازمند یک رویکرد سیستماتیک شامل ارزیابی شرایط، مدلسازی عملکرد و توسعه طرحهای استراتژیک و راهبردی میباشد. یکی از بخشهای بسیار مهم چنین رویکردی استفاده از مدلهای عملکرد روسازی بوده که اجازه تخمین شرایط آینده روسازی را براساس وضعیت فعلی آن به سیاستگذاران این حوزه میدهد. پیادهسازی موفق سیستمهای مدیریت روسازی(PMS) 1 به میزان قابل توجهی به دقت پیشبینی شرایط آینده روسازی (که توسط مدلهای پیشبینی عملکرد سیستم انجام میگیرد)، مطابقت با رفتار واقعی مشاهده شده و نیز دانش مهندسی بستگی دارد. مدلهای زوال ابزاری برای پیشبینی خرابی آینده روسازی براساس وضع موجود، عوامل ایجاد خرابی و تاثیر تکنیکهای مختلف تعمیر و نگهداری جهت حفظ سطح عملکرد و وضع سازهای آن هستند. در این مقاله پس از معرفی دستهبندی کلی مدلهای پیشبینی عملکرد روسازی، از هر دسته نمونههای مختلفی ارائه و توضیح داده شده است.
کلمات کلیدی: مدلهای پیشبینی، سیستم مدیریت روسازی، عملکرد روسازی، اضمحلال
1. مقدمه
روسازی راهها به طور طبیعی تحت اثر بارهای ترافیکی و شرایط آبوهوایی در حال فرسایش و زوال میباشند. تنشهای ناشی از اعمال بارهای سنگین به روسازی، ریزترکهایی را در مصالح آسفالتی ایجاد میکند و همچنین عامل تغییرشکلهای دائمی در لایههای روسازی میشود. مقاومت لغزشی که نتیجه تغییر در بافت سطح رویه به علت ساییده شدن سنگدانهها یا قیرزدگی آن است کاهش خواهد یافت. تورم خاک در اثر یخبندان عامل ایجاد ترک-خوردگی و تغییرشکل روسازی خواهد شد. با گذشت زمان، ریزترکها توسعه یافته و بزرگتر میشوند که به آب اجازه ورود به داخل سازه روسازی را
میدهند. به صورت ایدهآل، یک مدل عملکردی بایستی روند اضمحلال روسازی را به صورت جامع بیان کند و تمام فاکتورهای تاثیرگذار آن را مد نظر قرار دهد ولی متأسفانه روند اضمحلال مصالح برای مدلها بسیار پیچیده و سخت میباشد .[1]
در حال حاظر مدلهای عملکرد روسازی بسیاری موجود میباشد که با داشتن دادههای ورودی یکسان، خروجیهای (پیشبینیهای) متفاوتی از آنها حاصل میگردد. به منظور اعتبار بخشیدن و قابل قبول کردن مدلهای عملکرد روسازی، بایستی این مدلها براساس اصول مهندسی استاندارد بنا شوند؛ همچنین سادگی تطبیق این مدلها با دادههای تاریخچه زمانی موجود، اثرات محیطی، ساخت و ساز، عملیات نگهداری و ... بسیار مهم و حائز اهمیت میباشد .[2]
با وجود تلاشهای زیادی که در زمینه مهندسی روسازی انجام گرفته، هنوز یک تخمین صحیح و دقیق از عمر روسازی غیر ممکن میباشد که علت این امر دشوار بودن پیشبینی فاکتورهای اثر گذار بر عملکرد روسازی است. مدلهای پیشبینی عملکرد موجود به علت سادهسازیهای زیاد صورت گرفته در آنها (مانند رفتار مصالح) محدودیتهای متعددی را دارا میباشند .[2]
2. مدلهای پیشبینی عملکرد روسازی
توسعه مدلهای پیشبینی عملکرد یا زوال یکی از چالشهای عمیق پیشروی مدیران و مهندسین روسازی بوده است. در طول سالهای متمادی مدلهای متعددی پیشنهاد شد که تعدادی از آنها ساده و بعضی دیگر پیچیدهتر بودند. رالف هاس[3] 1 مدلهای پیشبینی عملکرد زیادی را در سه دسته ذیل طبقهبندی کرده است:
· مدلهای تجربی، که متغیرهای مشخص اندازهگیری شده (یا تخمین زده شده) مانند تغییرشکل یا بارهای ترافیکی تجمعی و ...معمولاً از طریق آنالیز رگرسیونی با کاهش خدمتدهی یا عمر روسازی مرتبط میباشند.
· مدلهای نظری - تجربی، که پاسخهای محاسبه شده مشخصی مانند کرنش بستر یا تنشها و کرنشهای لایه روسازی و ... همراه با سایر متغیرها مانند بارهای ترافیکی تجمعی، توسط یک آنالیز رگرسیونی یا یک مدل کالیبره شده توسط آنالیز رگرسیونی (تعیین ضرایب ثابت مدل) با افت خدمتدهی و یا سایر ارزیابیهای اضمحلال مرتبط میشود.
· مدلهای تجربی و فرضی، برای ترکیبات متفاوتی از متغیرها، افت خدمتدهی یا سایر ارزیابیهای اضمحلال در مقابل عمر روسازی تخمین زده میشوند و از مدلهای انتقال مارکوفی2و بایِسین3 و ... استفاده میشود که به مدلهای احتمالی نیز معروف میباشد.
در ادامه به توضیح و ارائه نمونههایی از روابط مدلهای مختلف ذکر شده در بالا پرداخته خواهد شد.
.1-2 مدلهای تجربی
به منظور تخمین عملکرد روسازی، روابط مختلفی ایجاد شده استکه عموماً براساس آنالیز رگرسیونی بدست آمدهاند. این روابط رگرسیونی تنها تحت شرایط مشخصی اعتبار داشته و در شرایط متفاوت دیگری نباید اعمال شوند. یکی از مناسبترین مثالهایی که از این مدل میتوان زد، مدل HDM-4 است که توسط بانک جهانی ایجاد گردید.
بانک جهانی، مدل استاندارد طراحی و نگهداری راه(HDM-III) 4 را در دو دهه گذشته به منظور استفاده در کشورهای در حال توسعه ایجاد کرد. با این حال در سالهای اخیر برخی از کشورهای صنعتی علاقه خود را نسبت به این مدل نشان دادند که این موضوع اجازه توسعه بیشتر این مدل را در آینده داد. به منظور گسترش مدل HDM-III و افزودن قابلیتهایی نظیر مدلهای تراکم ترافیک، اثرات آب و هوای سرد، ایمنی راه و اثرات محیطی در آن، پروژهای تحت عنوان مطالعات بینالمللی توسعه و مدیریت راه(ISOHDM) 5 آغاز گردید. دستاورد این پروژه تولید ابزار توسعه و مدیریت راه، HDM-4 بود. ابزار HDM-4 کاربردهایی در حوزههای استراتژیک، برنامهریزی و سطوح پروژه را دارا است و برای انواع مختلف خرابیهای روسازی، مدلهای اضمحلال را در خود جای داده است .[4] در ادامه به تعدادی از مدلهای تجربی موجود در این ابزار اشاره شده است.
الف) رابطه ناهمواری
که:
ب) رابطه شروع ترکخوردگی
شروع ترکخوردگی با استفاده از رابطه زیر مدل شده است:
که:
ج) رابطه تغییرشکل پلاستیک
مدل تغییرشکل پلاستیک در ابزار HDM-4 به صورت زیر بیان شده است:
که:
د) رابطه شاخص خدمتدهی
یکی دیگر از مدلهای تجربی پیشبینی عملکرد روسازی، رابطه شاخص خدمتدهی است که در آزمایش راه آشو حاصل گشت که در سالیان متمادی در راهنمای طراحی آشتو از آن استفاده میشد. شاخص خدمتدهی کنونی(PSI) 1 برای روسازیهای انعطافپذیر توسط رابطه زیر بیان میشود :[5]
که:
= ضرایب ثابت معادله که با رگرسیون چندگانه خطی بدست میآیند. رابطه (4) به تنهایی به عنوان یک مدل عملکردی شناخته نمیشود اما رابطه بین PSI و خرابیها را بیان میکند؛ عموماً PSI در معادلات عملکردی که تعداد مجاز بارهای محوری موجب به شکست روسازی را نشان میدهد مورد استفاده قرار میگیرد.
.2-2 مدلهای نظری - تجربی
در مدلهای نظری - تجربی، متغیرهای عکسالعمل محاسبه شده مانند کرنش کششی در پایین لایه آسفالتی و یا تنش قائم در بالای بستر، به منظور پیش-بینی عملکرد ساختار روسازی همراه با سایر پارامترها همانند بارگذاری ترافیک مورد استفاده قرار میگیرد. برای محاسبه عکسالعملهای روسازی مثل کرنشها و تنشهای ناشی از بارگذاری محوری از تئوری چند لایهای الاستیک خطی و یا در بعضی موارد از روش المان محدود استفاده میشود.
مدلهای پیشبینی عملکرد موجود در راهنمای طراحی نظری - تجربی 2002 که در پروژه NCHRP 1-37A توسعه یافت، از جمله نمونه-های موجود برای این مدلها میباشند. پارامترهای عملکردی که در این راهنما محاسبه میشوند شامل تغییرشکل دائمی (شیارشدگی)، ترکخوردگی خستگی، ترکخوردگی ناشی از حرارت و ناهمواری (شاخص بینالمللی ناهمواری) میباشند. به منظور بدست آوردن عمق نهایی شیارشدگی، عمق شیار در هر دوره از آنالیز به صورت تجمعی محاسبه میشود. ترکخوردگی با شاخص خرابی تعیین شده که یک پارامتر نظری است و با باری که منجر به خرابی سازه روسازی میگردد بیان میشود. روابط مدلهای استفاده شده در راهنمای طراحی 2002 پروژه NCHRP 1-37A در ادامه آورده شده است.
