بخشی از مقاله
خلاصه
خرابی خستگی یکی از شایع ترین خرابیهایی است که در روزسازیهای انعطافپذیر بصورت ترکهای خستگی که عموما به ترک های پوست سوسماری موسوم هستند ظاهر میشود. بدلیل اینکه علت عمده بروز این خرابی تکرار بارهای وارد بر سیستم روسازی و ایجاد خستگی درلایه رویه آسفالتی است پارامتری تحت عنوان عمر خستگی معرفی شده که نشانگر تعداد تکرار بار محور استاندارد تا بروز درصد مشخصی از این خرابی در رویه است. بنابراین هر چه عمر خستگی زیادتر باشد خرابی خستگی دیرتر رخ داده و بالتّبع عمر خدمتدهی روسازی بیشتر خواهد بود.
از آنجائیکه علت خرابی خستگی کرنش کششی در زیرلایه آسفالتی است، پارامتر عمر خستگی به این کرنش وابسته است. این کرنش نیز همانند سایر واکنشهای سیستم روسازی به مشخصات بارهای اعمال شده و همچنین خصوصیات سیستم روسازی وابسته است. در این تحقیق هدف بررسی حساسیت عمر خستگی روسازیهای انعطافپذیر نسبت به مشخصات بارهای وارده و همچنین مشخصات سیستم روسازی است. برای این منظور از روش شبیه سازی کامپیوتری سیستم روسازی تحت بارهای وارده استفاده شده است. بدلیل اینکه عموماً نرم افزارهای مدلسازی روسازی موجود بر اساس یکی از دو روش تئوری ارتجاعی لایهای و یا اجزا محدود تدوین شده اند.
در این تحقیق از هر دو روش استفاده شده است و به این ترتیب امکان مقایسه نتایج این دو روش نیز میسر شده است. برای این منظور از نرم افزار KENLAYER - مبتنی بر تئوری ارتجاعی لایهای - وMICHPAVE - مبتنی بر اجزا محدود - برای تحلیل روسازی استفاده شده و برای پیشبینی عمر خستگی نیز از مدل ارائه شده توسط انیستیتو آسفالت استفاده گردیده است. در این تحقیق از مشخصات بار، پارامتر مقدار - بزرگی - و از مشخصات سیستم روسازی، پارامترهای ضخامت و ضریب ارتجاعی لایه آسفالت رویه، ضخامت و ضریب برجهندگی لایه مصالح سنگی - اساس - در نظر قرار گرفته شده اند. برای تعیین مقدار تاثیر هر یک از این پارامترها از یک سیستم روسازی سه لایهای - شامل لایه آسفالتی، اساس و خاک بستر - تحت مقادیر مختلف بار استفاده شده و با استفاده از نرم افزارها وانجام تحلیل پارامتری مقدار حساسیت عمر خستگی بر هر یک از این پارامترها مشخص شده است.
.1 مقدمه
روسازی راهها از مهمترین قسمتهای راهسازی بوده و طرح، احداث و نگهداری این بخش از راه، همواره از مهمترین و در عین حال از مشکلترین قسمتهای پروژههای راهسازی است. در صورتیکه روسازی راهها بطور صحیح و اصولی طرح، اجرا و نگهداری شود، موجب میشود که رویه راه در طول دوره طرح مورد نظر، به نحو قابل قبولی عمل کرده و در نتیجه تردد جریان ترافیکی با بهترین کیفیت وبالاترین سطح ایمنی صورت گیرد. علاوه بر این موجب صرفه جویی قابل توجهی در هزینههای تعمیر و نگهداری راه در طول دوره طرح خواهد شد.
این نوع خرابی نیز همانند سایر خرابیهای سازهای روسازیها، به مشخصات بارهای وارده بر روسازی و مشخصات سیستم روسازی از جمله مشخصات فنی مصالح بکار رفته در لایههای روسازی و مشخصات هندسی روسازی وابسته است. بدیهی است که با شناسایی عواملی که تاثیر بسزایی در بروز این نوع خرابی دارند، میتوان تدابیری بهمنظور پیشگیری یا به تعویق انداختن بروز این نوع خرابی در رویههای آسفالتی اندیشید که این کار در نهایت منجر به افزایش طول دوره خدمتدهی روسازی خواهد شد. دراین تحقیق نیز هدف اصلی بررسی این مساله بوده و در بخشهای بعدی در این خصوص توضیحات بیشتری ارائه خواهد شد.
سازه روسازی باید بار وارده را طوری توزیع کند که مقدار بار رسیده به لایههایی زیرین به اندازهای باشد که تغییر شکلهای ماندگار و تنشهای بیش از حد در لایههای روسازی ایجاد نشود. آنالیزهای انجام شده روی بسیاری از سازههای روسازی نشان میدهد که خرابی خستگی روسازی تابعی از وزن کل وسیله نقلیه نیست بلکه تابعی از وزن محور میباشد. Gillespie و همکاران - 2000 - رابطه وزن و شکل بار با بزرگی تغییر شکلها تنشها و کرنشها را در هر دونوع روسازی انعطافپذیر و صلب مشخص کردند.
Gillespie و همکاران - 2007 - و - 2009 - Haiek گزارش دادند که اضافه کردن وزن وسایل نقلیه ضرورتا نشانگر افزایش خرابی روسازی نیست و خرابی بیشتر از بار، تعداد نوع و فواصل محورهای وسایل نقلیه متاثر میباشد. - 2009 - Huhtatlaمقادیر کرنش افقی را برای بارهای مختلف و شکلهای مختلف محورهای موردمقایسه قرار داد. او نتیجه گرفت که محور عقب اثر بیشتری در واکنشهای روسازی دارد و یک محور تاندم با چرخهای پهن خرابی بیشتری را نسبت به محور تاندم با چرخهای جفت استاندارد ایجاد مینماید. علاوه بر این محورهای تاندم نسبت به محورهای تک از لحاظ تنشهای قائم ایجاد شده در زیر اساس و خاک بستر بهتر میباشند.
- 2008 - Hutala و karamihas و Gillespie - 2009 - گزارش دادند که فاصله محورها اثر کمی روی خستگی روسازیهای انعطافپذیر دارد بدلیل اینکه تنشهای فشاری هرچرخ تنها در فاصلهای در حدود 1 متر از چرخ ادامه مییابند در حالیکه حداقل فاصله چرخها در محورهای مجاوردر اکثر کامیونها 1/2 متر یعنی در حدود 4 فوت میباشد و اثر بار چرخها بر یکدیگر، عملا قابل صرف نظر میباشد. البته این نتایج تنها برای لایه آسفالتی بین 175 سانتی متر قابل تعمیم است. - 2009 - Addis دریافت که تحت حالات بارگذاری یکسان، محورهای چند تایی اثرات خرابی کمتری را نسبت به محورهای تک دارند. همچنین محورهای تریدم نیز اثر خرابی کمتری نسبت به محورهای تاندم دارد.
- 2007 - seebaly گزارش میدهد که برای روسازیهای انعطافپذیر نازک و ضخیم - برای هر دو آنها - با در نظر گرفتن مقدار بار، نوع چرخ و فشار چرخ یکسان، محورهای تاندم کرنشهای کششی کوچکتری را ایجاد مینمایند ولی اگر معیار تغییر شکل در نظر گرفته شود، محورهای تاندم با فاصله کمتر، خرابی بیشتری را به روسازی وارد میکنند. Hajek و - 2005 - Agrwal گزارش دادند که افزایش فاصله محورها منجر به کاهش خرابی روسازی خواهد شد.
.2 روش انجام تحقیق
بطور کلی هدف ازانجام این تحقیق، بررسی میزان مشخصات مربوط به بارهای وارده و همچنین مصالح بکار رفته و در یک سیستم روسازی انعطافپذیر، بر عمر خستگی آن میباشد که با ارائه راهکارهای مناسب، میتوان اثرات کاهنده این مشخصات بر عمر خستگی را کاهش داده و در نتیجه عمر سرویسدهی روسازی را افزایش داد. یکی از روشهای متداول بررسی عمر خستگی استفاده از شبیه سازی تحت بارهای وارده با استفاده از برنامههای کامپیوتری میباشد در این تحقیق برای تعیین حساسیت عمر خستگی به مشخصات مربوطه و به بار و مصالح از روش بررسی پارامتری به کمک برنامههای کامپیوتری استفاده شده است.
بدین ترتیب که ابتدا مشخصات مربوط به بار و مصالح شناسایی شده و سپس با استفاده از تجارب و نتایج تحقیقات گذشته، پارامترهایی که انتظار میرود بیشترین تاثیر را بر عمر خستگی داشته باشند انتخاب میشوند. این پارامترها بعنوان پارامترهای متغییر در نظر گرفته شده وبرای هر یکی از آنها بازه تغییراتی - باتوجه به ملاحظات اجرایی آئیننامهها و دستورالعملها و مراجع موجود - در نظر گرفته میشود و همچنین سایر پارامترهایی که انتظار میرود تاثیر کمتری بر عمر خستگی داشته باشند ثابت فرض میشوند.
سپس چندین سناریو مختلف از سیستمهای روسازی تحت بارهای متفاوت تعریف میشود، بطوریکه در هر حالت یکی از پارامترهای مورد نظر بصورت متغییر فرض شده و سایر پارامترها ثابت فرض میشوند و واکنشهای بحرانی سازه روسازی - علی الخصوص کرنش کششی زیرلایه آسفالتی - و عمر خستگی پیشبینی شده آن با استفاده از برنامههای کامپیوتری محاسبه میشوند. بدین ترتیب با تغییر مقادیر متغییرها در هر حالت وانجام آنالیز عددی با کمک برنامههای کامپیوتری میزان حساسیت عمر خستگی روسازی به هر یک از این پارامترها تعیین میشود. در نتیجه موثرترین پارامترها بر عمر خستگی روسازی شناسایی میشوند. سپس میتوان راهکارهایی بهمنظور کاهش تاثیرات منفی این عوامل بر عمر خستگی روسازی ارائه نمود و بدین ترتیب با به تعویق انداختن خرابی ناشی از خستگی در روسازی عمر خستگیومتعاقباً عمر سرویسدهی روسازی را افزایش داد.
اگر چه برای بررسی عمر خستگی روشهای تحقیقاتی دیگر مانند بررسی میدانی عملکرد روسازی و یا مدلسازی سیستم در آزمایشگاه و انجام آزمایش خستگی وجود داشته و ممکن است نتایج واقع بینانه تری را ارائه نمایند ولی انتخاب روش شبیه سازی کامپیوتری در این تحقیق به این بوده است که در این روش میتوان با صرف زمان و هزینه کمتر نسبت به روشهای تجربی عملکرد تعداد بسیار زیادی از روسازیهای مختلف تحت انواع بارها رامورد بررسی قرار داد در حالیکه بررسی این تعداد حالات با استفاده از روشهای فوق مستلزم صرف زمان و هزینه قابل توجهی میباشد به همین دلیل است که این روش در حال حاضر یکی از متداولترین روشهای آنالیز و بررسی رفتار روسازیها در مراکز و موسسات تحقیقاتی و پژوهشی سراسر دنیا بوده و این خود دلیلی بر اعتبار کاربرد این روش و اعتبار نتایج آن میباشد .
از نکات قابل توجه در روش تحقیق انتخاب شده، استفاده از دو نرم افزار آنالیز روسازی از دو گروه نرمافزارهای موجود در این زمینه - نرمافزارهای مبتنی بر تئوری ارتجاعی لایهای و نرمافزارهای المان محدود - میباشد. براساس بررسیهای انجام شده ازلحاظ صحت و اعتبار نرمافزارهای موجود و درجه مقبولیت آنها نزد محققین و موسسات تحقیقاتی و پژوهشی، نرم افزار kenlayer از گروه نرمافزارهای تئوری ارتجاعی لایهای و نرم افزار Michpave از گروه نرمافزارهای اجزا محدود انتخاب شده اند.این کار علاوه براستفاده از قابلیتهای منحصر به فرد هر یک از این برنامهها - قابلیت مدلسازی با مجموعه چرخها توسط برنامههای تئوری لایهای وتوانایی محاسبه ضریب لایهای غیر خطی برنامههای المان محدود با دقت بالا - امکان مقایسه نتایج این برنامهها را تحت شرایط یکسان میسازد.
