بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی این پژوهش بررسی تنشهای حرارتی ایجاد شده در رویههای بتنی و بدستآوردن درک واقعبینانه از توزیع تنش در این نوع روسازیها تحت تنش های حرارتی است. در این راستا به کمک نرم افزار چند منظوره ANSYS.10 مدل سه بعدی از روسازی مورد نظر تهیه گردید. به منظور اطمینان از اعتبار مدلسازی در نرمافزار مورد استفاده، یک روسازی حقیقی که پروفیلهای حرارتی درآن اندازهگیری شده بود، مدل سازی و تحلیل شد. سپس نتایج بدست آمده از مدل اجزای محدود با مقادیر اندازهگیری شده در عمل مقایسه شد. برای انجام پژوهش اصلی، تنشهای حرارتی ایجاد شده در دال بتنی به کمک روابط وسترگارد و روش اجزای محدود محاسبه و مقایسه شد. به طور کلی تغییرشکلهای بدستآمده از شبیهسازی المان محدود کمتر از مقادیری است که در عمل برداشت شدهاست. تفاوت مذکور در مورد چند اختلاف دمای مختلف در حدود 4 تا % 6 است. همچنین جهت بررسی درستی فرضیه وسترگارد مبنی بر عدم تأثیر ضخامت دال بر مقدار تنشهای حرارتی ایجاد شده در دال بتنی، مقدار تنشهای حرارتی در دالهایی با ضخامتهای مختلف نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مقدار تنشهای محاسبه شده در دال بتنی به کمک روش اجزای محدود کمتر از روش وسترگارد است. اما بهطور کلی روند نتایج حاصل از تحلیل اجزای محدود با مقادیر تئوری وسترگارد دارای انطباق است. همچنین با مقایسه مقدار تنش در دالهایی با ضخامتهای متفاوت مشخص گردید که علیرغم اینکه طبق تئوری وسترگارد ضخامت دال در تنشهای حرارتی ایجاد شده تحت اختلاف دماهای مساوی بی تاثیر است، با افزایش ضخامت دال، تنشهای حرارتی تحت اختلاف دماهای ثابت، افزایش مییابد.
-1 مقدمه
روسازیهای بتنی به علت صلبیت بالا، بار وارده را به خوبی پخش نموده و نسبت به روسازیهای انعطاف پذیر، تنش بسیارکمتری را به لایههای زیرین وارد میکنند، لذا درشرایطی که بستر روسازی ضعیف است عملکرد مطلوبی دارند. از سوی دیگر هنگامیکه بار وارده به روسازی سنگین است مانند بارگذاری چرخ هواپیما، برای کاهش تنشها در روسازی های انعطافپذیر نیاز به افزایش ضخامت است، در حالی که با استفاده ازروسازی صلب بتنی میتوان تنش ها را بهخوبی درحد مقاومت مجاز خاک کاهشداد .[1] لازم به ذکر است که روسازیهای بتنی ازنظرساخت و نوع انتقال بارو همچنین آرایش درزها به انواع مختلفی از جمله روسازی بتنی درزدارمعمولی، روسازی بتنی مسلح درزدار، روسازی بتنی مسلح پیوسته ، روسازی بتنی پیش¬تنیده تقسیم میشوند. علت استفاده از روش پیشتنیده، ضعف بتن در کشش و مقاومت آن در فشار است. پیشتنیدگی بتن سبب میشود که تنشهای کششی ناشی از حرارت و بار ترافیکی کاهش یافته و در نتیجه احتمال ترکخوردگی بتن نیز کم شود و در نتیجه به درزهای عرضی کمتری نیاز باشد .[2] لازم به ذکر است که با توجه به اینکه پیشتنیدگی، میزان سختی را افزایش نمیدهد، تحلیل روسازی های بتنی معمولی و پیشتنیده مشابه یکدیگر است، با این تفاوت که پس از انجام تحلیل روسازیهای معمول مقدار کشش حاصله را محاسبه و با توجه به آن، تنش پیشتنیدگی اعمال میشود. به منظور آنالیز روسازیهای بتنی، روشهای مختلفی وجود دارد که عبارت است از استفاده ازتئوری لایهای، گراف خطوط تاثیر، استفاده از تئوری تیر روی بستر ارتجاعی، روش وسترگارد و استفاده از روش المانهای محدود. در این مقاله سعی شده است تا پس از صحت سنجی مدل سازی به روش اجزای محدود با دادههای میدانی، نتایج حاصل از روابط وسترگارد و مدل اجزای محدود در بارگذاری مقایسه شوند.
-1-1 محاسبه تنشهای ناشی از دما با استفاده ازمعادلات موجود
درطول روز، وقتی دمای بالای دال بیشتراز پایین آن است، قسمت بالایی دال تمایل به منبسطشدن نسبت به تارخنثی دارد، درحالیکه قسمت پایین دال منقبض میگردد. از طرفی وزن دال از انقباض و انبساط مذکور جلوگیری میکند؛ در نتیجه تنش های فشاری در قسمت بالایی دال وتنش های کششی درزیرآن ایجاد میشود. در طول شب وقتی دما در قسمت بالای دال کمتر از بخش زیرین آن میشود، بالای دال تمایل به انقباض پیدا میکند که نتیجه آن ایجاد تنش های کششی دربالا وتنش های فشاری درپایین دال خواهدبود 3]، 4 و .[5 وسترگارد1 - درسال - 1926 معادلاتی را برای تعیین تنش تابیدگی ایجادشده درروسازیهای بتنی، برمبنای تئوری صفحه، توسعه داد که برای یک دال نا محدود رابطه 1 برقرار است :[4] که در آن :E مدول الاستیسیته بتن - kPa - ، ، ضریب پواسون بتن، ضریب انبساط حرارتی - - /œC، : T اختلاف دمای بالا و پایین دال - œC - است.t لازم به ذکر است که در صورتی که دال محدود فرض شود رابطه 1 تصحیح میگردد. رابطه 1 براین فرض استوار است که توزیع حرارت در ضخامت دال به صورت خطیتغییر میکند. البته از آنجایی که توزیع حرارت در واقعیت غیر خطی است، نتایج بدستآمده تا حدودی تقریبی بوده و در واقع تخمینی از مقادیر واقعی است. اندازهگیریهای صورت گرفته روی دالهایی با ضخامتهای متنوع درآزمایش اشتو، نشانمیدهد که اختلاف دما دقیقاً متناسب با ضخامت دال نیست و درواقع اختلاف دما با همان نسبتیکه ضخامت دالها افزایش مییابد، زیاد نمیشود .[4] به عبارت دیگر با افزایش ضخامت دال به یک نسبت مشخص، اختلاف دمای ایجادشده دردال با نسبتی کمتر از نسبت ضخامت دالها افزایشمییابد. بنابراین، در مورد دالهای باضخامت کمتر میتوان گرادیانهای حرارتی بالاتری درنظرگرفت .[4] در این مطالعه با داشتن اطلاعات موجود در یک مقطع روسازی بتنی درزدار، سعی گردید تا با شبیه سازی عددی در نرم افزارANSYS به روش اجزای محدود میزان اعتبار روش اجزای محدود مشخص گردد. همچنین پس از راستیآزمایی این روش مقدار تنشهای محاسباتی از روش اجزای محدود با روش وسترگارد مورد مقایسه قرار گرفت تا میزان دقت و اعتبار تنشهای محاسبه شده به کمک روابط وسترگارد در مقایسه با روش اجزای محدود مورد سنجش قرار گیرد.
-2 مدل سازی یک مقطع روسازی بتنی حقیقی به روش اجزای محدود
در این بخش در ابتدا مشخصات روسازی بتنی مورد مطالعه مورد بحث قرار میگیرد و سپس مدل سازی در نرم افزار ANSYS با توجه به ورودیهای موجود از روسازی، صورت میپذیرد.
-1-2 مقطع موجود
-1-1-2 مشخصات مقطع روسازی بتنی
مقطع موردآزمایش برای اندازهگیری مقادیر تابیدگی ودما، یک مقطع روسازی بتنی معمولی درزدار درجاده بین ایالتی 70 آمریکا است که درتابستان سال 2003 ساختهشدهاست .[6] این مقطع دربرگیرنده دو خط عبور سواری، هر یک به عرض 3/6 متر، دو شانه داخلی و خارجی هریک به عرض به ترتیب 1/8 و 3/0 متر عرض است. درزهای عرضی به فاصله 5 m از یکدیگر بوده که داولهایی با قطر 3/75 cm و به فاصله 30 cm از یکدیگر، برای انتقال بار در آن استفاده شده است. مقطع عرضی روسازی شامل دال بتنی به ضخامت 30cm ، 10cm اساس تثبیت شده با سیمان پرتلند - اساس زهکش - و 15cm بستر اصلاحشده با آهک بوده و بتن روسازی ازاختلاط %40 درشتدانه و%60 ریزدانه بانسبت آب به سیمان 0/45 تشکیلشده و درصد هوای واردشده %5/8 بودهاست. متوسط مقاومت فشاری 28 روزه؛ 36 MPa ومدول گیسختگی 3 روزه؛ 3968 kPa تعیین شدهاست.
-2-1-2 اندازهگیری دما
اطلاعات حرارتی با استفاده از یک دستگاه گردآوری دیجیتالی دادهها جمعآوری شدهاست. در شکل 1 منحنی توزیع ساعتی حرارت در روسازی ارائهشده و همانطورکه مشخص است ، توزیع حرارت درطول ضخامت دال غیرخطی است. رفتار غیرخطی توزیع دما در طول ضخامت دال، درنیمه پایینی دال بهاندازه نیمه بالایی آن نیست. حتی میتوان اذعان نمود که درنیمه پایینی توزیع دماتقریباً خطی است. درمورد نیمه بالایی نیز، توزیع ساعتی اختلاف دمای مثبت - شرایطیکه دمای سطح بیشتر از زیر دال باشد - ، شیبدارتر از شرایطی است که اختلاف دما منفیاست - شرایطیکه دمای زیر دال بیشتر از دمای سطح آن است - . لازم به ذکر است که نوسانات حرارتی ساعتی دربخش زیرین دال زیاد نیست و اختلاف بین کمترین و بیشترین دما درحدود 7 °F است، درحالی که این اختلاف درمورد سطح بالایی دال چشمگیرتراست - درحدود . - 32 °F
-3-1-2 اندازهگیری تابیدگی
میزان تابیدگی درمقطع موردنظر، توسط دستگاه سادهای اندازهگیری گردید. این دستگاه شامل یک کرنشسنج است که وسط قابی ازجنس آلومینیوم سبک قرارگرفته است. طول قاب حدوداً 5 متر است که برابر طول دال است. قاب روی پیچ های فولادی که زیر آن متصلاند قرارگرفتهاست. سطح روسازی با گذشت مدت زمانی، دراثراختلاف دما بین بالا وپایین دال، درراستای قائم جابهجا میشود. کرنشسنج که با سطح رویی روسازی درتماس است، دراثرجابهجایی قائم دال بتنی حرکت میکند، درنتیجه مقدار حرکت روبه بالا و رو به پایین اندازهگیری میشود. شکل 2 تابیدگی واختلاف دماهای اندازهگیری شده بین بالا و پایین دال روسازی را در روز 7 آگوست سال 2003 برای یک محل انتخابی نشان میدهد. در این روز، نخستین اندازهگیری ساعت 8 صبح انجامشده و اندازهگیریهای ساعتی درطول روز ادامه یافتهاست. شکل 2 نشان میدهد که هنگام صبح، مقطع روسازی بهسمت بالا تاب برمیدارد و نزدیک ظهر، عکس این قضیه - تابیدگی به سمت پایین - اتفاق میافتد.
