مقاله تجزیه و تحلیل تنش‌های حرارتی و ترکیبی روسازی‌های بتنی پیش تنیده با استفاده از روش المان محدود

بخشی از مقاله

چکیده

یکی از مزایای عمده روسازیهای بتنی پیش تنیده، حذف تنش در بتن بوده که منجر به کاهش ترک در دالهای بتنی میشود. بنابراین، همانطور که ضخامت دالها کاهش مییابد، طول عمر روسازی افزایش مییابد. یکی از مهمترین مسائل در رابطه با روسازیهای بتنی پیش تنیده، تعیین بزرگی - شدت - پیش تنیدگی است. در این مطالعه، تجزیه و تحلیل المان محدود سه بعدی به منظور مطالعه پیش تنیدگی تحت ترکیبات بار - Boeing 777 - و گرادیان حرارتی مختلف انجام میشود. همچنین این مدل تحت گرادیان حرارتی بدون حضور بارگذاری ترافیکی مورد بررسی قرار گرفت و تنشهای ایجاد شده با تنشهای بدست آمده از روابط نظری مقایسه شدند. مشاهده شد که روابط نظری منجر به حصول مقادیر محافظهکارانه برای تنش میشوند.

.1 مقدمه

مدتهاست که استفاده از روسازیهای بتنی پیشتنیده توجه زیادی را به عنوان اقدامی برای طولانیتر شدن عمر سرویسدهی روسازیهایی که هنوز مقرون به صرفه باقی ماندهاند، به خود جلب کرده است. میدانیم که روسازیهای بتنی معمولی با توجه به ضعف اساسی خمشی و کششی دالهای بتنی طراحی میشوند. در روسازیهای بتنی پیش تنیده، پیش فشردگی ایجاد شده توسط پیشتنیدگی، منجر به تنشهای خمشی و کششی مجاز بزرگتری شده که به نوبه خود منجر به کاهش ضخامت طراحی برای دالهای بتنی و همچنین افزایش عمر سرویسدهی در مقایسه با روسازیهای بتنی معمولی میشود. 1,1 تنشهای ناشی از curling با استفاده از معادلات curling و warping دو بارگذاری اصلی زیست محیطی هستند که تنشهایی را در روسازیهای صلب ایجاد می کنند. curling برای اکثر دالهای قرار گرفته روی زمین رخ میدهد که در درجه اول به علت گرادیان حرارتی بین بالا و پایین دال می باشد. اختلاف دما، یک ممان پیچشی رو به بالا به دال اعمال میکند که باعث می شود سطح بالایی دال به سمت بالا خم شود. تنشهای روسازیهای بتنی با استفاده از معادلات وسترگارد مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرند . - Delatte 2008, Huang 1993 -

:E مدول الاستیسته بتن - psi - :h ضخامت دال - in -

:  ضریب پواسون بتن
:   ضریب انبساط حرارتی - - /œF

:∆   اختلاف دمای بالا و پایین دال - - œF :M x گشتاور - ممان - حول محور X

:M y گشتاور - ممان - حول محور Y : M z گشتاور - ممان - حول محور Z اگر دال در دو جهت X و Y نامحدود در نظر گرفته شود، برای یک نقطه با فاصله مشخص از لبه دال داریم : - Delatte 2008 -
با تقسیم معادله 4 بر مدول مقطع؛ تنش با استفاده از معادله 5 بدست میآید.در آزمون جاده AASHTO، متوسط حداکثر اختلاف استاندارد در ماه ژوئن و ژوئیه برای curling رو به پایین، 10/2درجه سانتی گراد و برای curling رو به بالا، -4/9 درجه سانتی گراد بود. گزارش شده است که دماهای ذکر شده به ترتیب، مربوط به گرادیانهای 0.07œC/mm و 0.03œC/mm C میباشند - هوانگ . - 1993

1,2 ویژگی های روسازیهای بتنی پیشتنیده
پیشنهاد میشود که ضخامت روسازی پیش تنیده 65٪ ضخامت روسازی بتنی معمولی که باید بر طبق AASHTO - AASHTO 1993 - حداقل 150 میلی متر انتخاب شود، باشد. ضخامت حداقلی 100 تا 150 میلیمتر برای روسازیهای بتنی پیش تنیده در راهنمای روسازی AASHTO پیشنهاد میشود. مشاهدات و پژوهشهای مختلف نشان میدهد که طول رایج برای روسازی بتنی پیش تنیده 150 متر است، هرچند که دالهای بتنی پیشتنیدهای با طول 180 تا 210 متر - FAA 2009 - نیز ساخته شدهاند. تغییرات عرض دال به شرایط ساخت و ساز بستگی دارد. معمولا، مقدار آن حداقل 7/6 متر - AASHTO 1993, Hancock et al. 2000 - است. بر اساس راهنمای طراحی روسازی AASHTO، حداقل ضخامت برای لایه اساس 150 میلی متر است، اما ضخامتهای تا 100 میلیمتر نیز در برخی از موارد استفاده میشوند. توصیه می شود که یک لایه متشکل از دو سطح پلیاتیلنی با ضخامت 15 تا 20 میلیمتر برای کاهش اصطکاک بین دال بتنی پیشتنیده و لایه اساس Merritt - و همکاران - 2005 استفاده شود.

1,3 تئوری پشت روسازیهای پیشتنیده مفهوم اصلی در طراحی روسازیهای بتنی پیش تنیده این است که بتن دارای مقاومت فشاری بیشتری نسبت به مقاومت کششی است FAA 2009 - ، هنکاک و همکاران، 2000، مریت و همکاران . - 2005 با توجه به این موضوع، اگر یک روسازی پیش تنیده ساخته شود، ضخامت دال میتواند کاهش یابد - مریت و همکاران . - 2005 فرمول طراحی اصلی برای این نوع از روسازی به شرح زیر میباشد - هنکاک و همکاران، . - 2000 که ft تنش خمشی مجاز بتن، fp پیشتنیدگی بتن، f t تنش curling حاصل از گرادیان حرارتی، ff تنش حاصل از اصطکاک روسازی و fl تنش حاصل از بارگذاری ترافیکی میباشد. تنش curling در بتن با استفاده از معادله 5 بدست میآید . - NCHRP 2001 - برای یک دال با طول کمتر از 220 متر، تنش اصطکاکی بین دال بتنی و لایه زیری در جهت طول یا عرض دال با استفاده از معادله 7 تعیین میشود . - AASHTO 1993, Hancock et al. 2000 -
:C ضریب اصطکاک روسازی :L طول دال - ft -

:W عرض دال
:  وزن مخصوص . - pcf - بر اساس آزمایشات، مقدار 0/6 برای ضریب اصطکاک توصیه میشود. ارزیابی تنش های حرارتی و ترکیبی بر روی سیستمهای بتنی پیشتنیده و دستیابی به درک واقع بینانه از عملیات روسازی تحت تنشهای حرارتی، دو هدف اصلی این تحقیق میباشند. بنابراین، سعی شده تا اشکالات معادلات و فرضیات نسبی مورد استفاده در پیشبینی رفتار این نوع روسازی شناسایی شوند. بنابراین، یک مدل سه بعدی المان محدود از روسازی بتنی پیشتنیده آماده شد و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.