بخشی از مقاله
چکیده
یکی از الزامات اساسی برای در اختیار داشتن روسازی با طول عمر مناسب، طراحی مطلوب لایههای روسازی است. برای طراحی مطلوب روسازی، اطلاع از تنشهایی که در نقاط بحرانی روسازی اتفاق میافتد، امری ضروری میباشد. اگرچه برای تعیین تنشها و کرنشهای موجود در نقاط مختلف روسازی واقع در سطح صاف و هموار، شکلها، نمودارها، نرمافزارها و به طور کلی روشهای متداولی در دسترس میباشد ولی برای تحلیل روسازیهای واقع در سطوح شیبدار روش متداولی وجود ندارد. به همین دلیل در این مقاله سعی شده است روسازیهای آسفالتی واقع در سطوح دارای شیبهای مختلف، با استفاده از نرم افزار ABAQUS - که نرمافزاری مبتنی بر روش المان محدود است - ، تحلیل شود و تنشها و کرنشهایی که عمدتاً منجر به بروز خرابیهایی از جمله ترک های خستگی میشوند، مورد مطالعه قرار گیرند.
روسازیهای مدلسازی شده در این مقاله علاوه بر اینکه در شیبهای متفاوت مورد تحلیل قرار گرفتهاند، همچنین دارای ضخامتهای مختلف و خصوصیات متنوع برای مصالح لایه رویه آسفالتی نیز میباشند. نتایج تحلیلها نشان میدهد که تنشهای منجر به بروز ترک های خستگی که از جمله خرابی سازهای روسازی آسفالتی واقع در سطوح شیبدار محسوب میشوند، دارای تفاوت با مقادیر متناظر در سطوح هموار و صاف هستند.
مقدمه
روسازی راه سازهای است که برروی آخرین لایه متراکم شده خاک زمین طبیعی موجود یا اصلاح شده، خاکریزیها، یا کفبرشهای خاکی و یا سنگی که بطور کلی بستر روسازی نامیده میشود، قرار میگیرد. روسازیمعمولاً متشکل از قشرهای مختلف نظیر زیراساس، اساس و لایههای آسفالتی یا بتنی و یا ترکیبی از آنهاست که هریک تابع مشخصات فنی و دارای ضخامت معینی است .[1] خرابی، یک فاکتور مهم در طراحی روسازی است که عدم شناخت کافی از عوامل ایجاد آن میتواند به گسترش خرابیها، شکست و حتی اضمحلال کامل روسازی منجر شود. یکی از مهمترین دلایل خرابی روسازیها شیب طولی راه میباشد زیرا سطوح شیبدار در مسیر رفت و برگشت با تغییرات سرعت بیشتری نسبت به جادههای بدون شیب مواجه است وحتماً بایستی تغییرات سرعت و عکسالعمل آن بر روی روسازی و همچنین تنشهای ناشی از آن مد نظر قرار گیرد.
کاهش سرعت در سرپایینی به دلیل استفاده از ترمز برای کنترل وسیله نقلیه و همچنین در سربالاییها باعث میشود تا زمان بارگذاری افزایش یابد و این امر موجب تشدید خرابیهای روسازی در این مناطق خواهد شد .[2] با توجه به اینکه در بسیاری از روشهای طراحی روسازی مانند روش آشتو [3] پارامتر شیب به عنوان یک عامل اثرگذار در عمر مفید روسازی، لحاظ نمیشود، لزوم ارائه روشی برای تحلیل و طراحی روسازی در مناطق شیبدار ضرورت مییابد.
نتایج تحقیق آرچیلا و مِدانات نشان میدهد که روش المان محدود، روشی مناسب برای تجزیه و تحلیل سازههای مهندسی میباشد.[4] در سال 2015،جِرِمی فیبلکُرن به این نتیجه رسید که تغییر درجه شیب باعث به وجود آمدن خرابیهای جدی در سطح روسازیها شده است.[5] لازم به ذکر میباشد که لی لینگلین و همکاران در تحقیقی از دیگر عوامل بروز خرابیهای رایج در سطوح شیبدار به بارگذاری اضافه، سرعت طرح و نیروهای مماسی و عمودی وسایل نقلیه اشاره میکند.[6]
با توجه به این که در حال حاضر اغلب نرمافزارهای رایج و روشهای متداول طراحی قادر به بیان پارامترهای سازهای روسازیهای واقع در سطوح شیبدار نمیباشد. بنابراین در این پژوهش برای یافتن پارامترهای سازهای روسازی آسفالتی - کرنشهای کششی - در نقاط بحرانی از نرمافزار قدرتمند ABAQUS که توانایی شبیهسازی روسازی در سطوح شیبدار را دارد، استفاده شده است. و به طور کلی هدف از انجام این پژوهش، بررسی تأثیر ضخامت و مشخصات مصالح لایه رویه آسفالتی به منظور کنترل خرابی شیارشدگی در شیبهای طولی متفاوت میباشد. فرآیند انجام تحقیق در این مقاله مطابق فلوچارت مندرج در شکل - 1 - میباشد.
محاسبه عمر خستگی
مدل سازی و روش ها :
در این تحقیق، ساختار روسازی رایج، به عنوان مرجع در ابتدا انتخاب شده است. این روسازی شامل لایه آسفالتی، اساس، زیراساس، بستر میباشد که در شکل - 2 - نشان داده شده است. هنگام بررسی مشکل شیارشدگی، یک نمونه سه بعدی انتخاب شده است. ابعاد این نمونه به صورت زیر میباشد: برای این مدل 3/5 متر طول و 1/5 متر عرض فرض شده است. همچنین یک اتوبوس از نوع Volvo B9R را برای محاسبات انتخاب شده است. این اتوبوسدارای دو محور میباشد که در محور عقب 4چرخ وجود دارد. بار وزن اتوبوس پُر بر محور عقب 12تُن است. عرض لاستیک اتوبوس Volvo B9R، 31.5 سانتیمتر و فاصله مرکز به مرکز 2 لاستیک مجاور، برابر 44.3 سانتیمتر است - شکل . - 3
محل تماس دو لاستیک اتوبوس Volvo
به منظور تجزیه و تحلیل بهتر، اندازه ابعاد در جهت X و Z با هم برابر نیستند. اساس قاعده کلی که مورد استفاده قرار میگیرد، به این صورت است که المانهای با اندازه کوچکتر، نزدیک منطقه بارگذاری و سطح روسازی قرار میگیرند. ابعاد دقیق و مش مورد استفاده برای محاسبه المان محدود در شکل 4 نشان داده شده است. مشبندی نهایی که برای مدلسازی روسازی در نظر گرفته شده است به این صورت میباشد که : در راستای ضخامت برای لایه رویه دارای سایز مش به اندازه 2 سانتیمتر و لایه اساس 6 سانتیمتر و لایه زیراساس 7 سانتیمتر و لایه بستر 10 قسمت به طوری که هر چه از زیراساس دورتر میشود، فاصله مشها بیشتر شود.
در ادامه لازم به ذکر میباشد که در نمای پلان روسازی و در جهت x، در قسمت مابین چرخها 4 قسمت و در محل عبور چرخها 8 قسمت و طرفین آن 6 قسمت به طوری که هر چه از محل عبور چرخ دورتر میشود، فاصله مشها بیشتر شود و همچنین در جهت y نمای پلان، در محل عبور چرخها 15 قسمت و در طرفین آن نیز 15 قسمت به طوری که هر چه از محل عبور چرخ دورتر میشود، فاصله مشها بیشتر شود. تعداد کل المانها 32800 میباشد. شرایط مرزی به این صورت است که تکیهگاههای در تمامی جهات گیردار میباشد و فقط تکیهگاه در از چهار طرف ساختمان روسازی در جهت Y باز میباشد.
به منظور بررسی اثر ضخامت، خصوصیات مصالح لایه رویه آسفالتی و شیب طولی بر عمر خستگی روسازی، 5 نمونه روسازی آسفالتی مدلسازی شده است که در جدول - 1 - به ضخامت لایههای روسازی و در جدول - 2 - به مدول الاستیسیته و در جدول - 3 - به ضریب پوآسون در 5 مدل اشاره شده است. لازم به ذکر میباشد که این 5 مدل در 4 شیب % 2 ، % 4 ، % 6 و % 10 شبیهسازی شده و همچنین با روسازی در شیب % 0 مقایسه شده است.
معادلات
خستگی مخلوطهای آسفالتی و بتنی تحت بار تکراری خمشی یک فاکتور مهم در طراحی روسازی است. روشهای آزمایشگاهی گوناگونی برای تعیین عمر مخلوطهای آسفالتی استفاده شده است که بسیاری از این روشها از یک تیر خمشی استفاده میشود. با توجه به اینکه آزمایش خستگی گران است و نیاز به تعداد زیادی نمونه دارد، روابطی برای پیشبینی عمر خستگی ارائه شده است که یکی از این روابط، رابطهای است که توسط موسسه آسفالت آمریکا پیشنهاد شده است .[7]
