بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه برای طراحی روسازیهای آسفالتی یکی از روشهای موردتوجه روش مکانیستیک-تجربی میباشد، در این روش معیارهای ترک خستگی و تغییر شکل دائمی از مهمترین معیارهای طراحی میباشند .ازجمله عوامل مؤثر در معیارهای ذکرشده و عمر روسازی میتوان به ضخامت لایههای رویه و اساس اشاره کرد. این ضخامتها به شکل معناداری در تعیین زمان رسیدن به ترک خستگی و تغییر شکلهای دائم دخیل هستند.در این تحقیق در ابتدا رابطه ضخامتهای رویه و اساس با معیارهای دخیل در عمر روسازی بررسیشده سپس سعی شده با توجه به این رابطهها، ضخامتها بهگونهای طراحی شوند تا بتوان از حداکثر ظرفیت روسازی تا زمان خرابی استفاده کرد.در این بررسی برای تحلیل روسازیها از برنامه تحلیلی kenlayer استفادهشده است.
واژههای کلیدی: روسازی انعطافپذیر، طراحی مکانیستیک، طراحی بهینه، نظریه چندلایهای ارتجاعی،مدلسازی خطی
1. مقدمه
روش مکانیستیک-تجربی، طراحی مبتنی بر مکانیک مصالح است. در این روش پس از تعیین مشخصات لایههای روسازی به آنها بارگذاری اعمال میگردد و پس از تحلیل روسازی میتوان مقادیر کرنش و تنش را در نقاط مختلف محاسبه کرد و درنهایت با استفاده از این مقادیر عمر روسازی را پیشبینی کرد. محققین نشان دادهاند برای محاسبه عمر خستگی روسازی میتوان از کرنش کششی در زیر لایه آسفالتی استفاده کرد و همچنین برای تعیین عمر روسازی تا رسیدن به خرابی تغییر شکلهای دائم میتوان از کرنش فشاری روی بستر استفاده کرد.در این تحقیق بر مبنای همین فرضیهها سعی شده تا رابطهی ضخامتهای مختلف لایههای رویه و اساس را با خرابیهای روسازی بدست آورد و از آن برای بهینهسازی طراحی که هدف این تحقیق است کمک گرفت.
2. مکانیزمهای خرابی:
همانطور که اشاره شد دو مکانیزم خرابی وجود دارد:-1خرابی براثر ترکهای خستگی -2خرابی براثر تغییر شکلهای دائمی
.1 .2 خرابی بر اساس ترکهای خستگی
در این معیار تعداد تکرار بار مجاز برای جلوگیری از رسیدن رویه به ترکهای خستگی از رابطهی صفحهی بعد بدست میآید: که در این رابطه تعداد مجاز تکرار بار برای جلوگیری از ترک خستگی، کرنش کششی در تار پایینی لایه آسفالت، 1 مدول الاستیسیته رویهی آسفالتی و 1، 2 و 3 ثابتهایی هستند که از آزمایش خستگی بدست میآیند. در رابطهای که توسط موسسه آسفالت ارائهشده به ترتیب از مقادیر 0/0796 ، 3/291 و 0/894 استفاده گردیده. کمپانی شل نیز از مقادیر 0/0658، 5/671 و2/363 استفاده کرده است.[1]
.2 .2 خرابی براساس تغییر شکلهای دائمی
در این معیار تعداد تکرار بار مجاز برای جلوگیری از رسیدن روسازی به تغییر شکلهای دائمی از رابطه زیر بدست میآید: که در این رابطه تعداد مجاز تکرار بار برای جلوگیری از تغییر شکل دائمی، کرنش فشاری روی خاک بستر - سابگرید - و 4 و 5 ثابتهایی هستند که از آزمایش راه یا عملکرد میدانی بدست میآیند. در رابطهای که توسط موسسه آسفالت ارائه شده به ترتیب از مقادیر1/365 × 10−9و 4/477 استفاده شده است. کمپانی شل به ترتیب از مقادیر1/13 × 10−6و 3/571 استفاده کرده است.>1]
3. برنامه تحلیلی kenlayer
در این تحقیق برای ارزیابی و آنالیز خرابی روسازی از نرمافزار kenlayer استفاده شده است. نرمافزار kenlayer قابل اعمال روی نیم فضای همگن میباشد - قابلذکر است جواب بدست آمده از kenlayer مشابه حل بوسینسک در نیم فضای همگن میباشد - . این نرمافزار قابلاستفاده برای روسازیهای انعطافپذیر بدون درز و لایه صلب میباشد. فرایند حل مسئله در kenlayer بر اساس سیستم چندلایهای الاستیک تحت بار دایرهای است. این نرمافزار قابل استفاده در سیستمهای لایهای چرخ تکی، زوج چرخ، زوج چرخ تاندوم و زوج چرخ تریدم با رفتار متفاوت لایهها مانند الاستیک خطی، الاستیک غیرخطی و یا ویسکوالستیک میباشد.>2]
توابع انتقال: توابع انتقال بهعنوان حلقهی رابط عکسالعملهای سازهای روسازی و خرابیهای رخ داده در روسازی بوده و همچنین عامل اصلی اختلاف روشهای مکانیستیک-تجربی طراحی روسازی میباشد3]و>4و نیز همانطور که اشاره شد دو معیار عمده در روشهای طراحی کرنش خستگی و شیار شدگی هستند. در این نرمافزار آنالیز خرابی مبتنی بر کرنش افقی کشش در تار پایین لایه اول و یا همان لایه آسفالتی و همچنین مبتنی بر کرنش فشاری روی آخرین لایه یا همان خاک بستر میباشد.در این نرمافزار بجای قرائت مختصات z، با مشخص کردن تعداد لایههایی که از پایین تحت کششاند - - NLBT، تعداد لایههایی که از بالا تحت فشارند - - NLTC، شماره لایههایی که از پایین تحت کشش است - - LNBT، شماره لایههای که از بالا تحت فشار است - - LNTC و مختصات Z برای تمام نقاط محاسبه میشود.
4. روششناسی
بهطور خلاصه مراحل انجام تحقیق بصورت زیر بیان میشود:
ابتدا روسازی باضخامتهای مختلف - مطابق با آنچه در قسمت مشخصات روسازی آمده است - تعریف میشود و سپس بارگذاری - مطابق با آنچه در قسمت بارگذاری آمده - اعمال میگردد. حال روسازیهای مختلف تحلیل گشته و کرنشها و تنشها بدست میآید بدین ترتیب با مشخص بودن کرنش کششی زیر لایه آسفالتی و کرنش فشاری روی بستر، تعداد تکرار مجاز بار برای جلوگیری از ترک خستگی ونیز شیار شدگی - تغییر شکل دائم - بدست میآید. حال با استفاده از نمودارهای حاصل از نتایج تحلیلها، نقاط بهینه - بر اساس ضخامت - به نحوی بدست میآید که استفاده از تمام ظرفیت روسازی برای مقابله با خستگی و شیار شدگی تضمین گردد. درواقع در این مرحله، ضخامتهایی بهعنوان مقادیر بهینه گزارش میشود که تعداد تکرار مجاز برای رسیدن به ترکهای خستگی و شیار شدگی برابر گردد. به بیان دیگر، خرابی ناشی از ترکهای خستگی و شیار شدگی همزمان اتفاق افتد. و درنهایت به عنوان خروجی تحقیق، مکانیزمی ارائه خواهد شد که به کمک آن، به ازای تعداد تکرار دلخواه بار محور تکی همارز - ESAL - ، ضخامتهایی که منجر به بهینه شدن طراحی میشود ارائه گردد به عبارت دیگر به ازای بارگذاری به عنوان ورودی، ضخامتها به عنوان خروجی بدست میآید که درواقع همان مختصات نقاط بهینهاند.
5. مشخصات روسازی
مشخصات روسازی مورد بررسی به شرح ذیل میباشد:
-دراین تحقیق رفتار مصالح بصورت الاستیک خطی فرض شده است. همانطور که میدانیم اکثر مصالح روسازی غیرخطیاند و مقداری تغییر شکل دائمی بعد از هر بارگذاری را تجربه میکنند.به هر حال اگر بار وارده در مقایسه با مقاومت مصالح کوچک باشد و برای مدتی تکرار شود تغییر شکل تحت هر تکرار بارگذاری تقرباًی برگشتپذیر خواهد بود و میتوان آن را الاستیک در نظر گرفت.>1]
-روسازی در نظر گرفته شده، شامل سه لایهی رویهی آسفالتی ، اساس و بستر میباشد که به ترتیب مدول الاستیسیته 500000psi ،30000psi و8500psi برای آنها در نظر گرفته شده است.
-ضخامت لایههای رویهی آسفالتی و اساس برای بدست آوردن نقاط بهینه - ضخامتهای بهینه - ، متغیر میباشند. -نسبت پواسون برای رویه آسفالتی،اساس و بستر به ترتیب 0/35، 0/3 و 0/4 فرض شده است.
-مرز بین لایههای روسازی نیز بصورت پیوسته - - Bonded در نظر گرفتهشده است.
6. بارگذاری
ترافیک مهمترین فاکتور طراحی روسازی میباشد. ملاحظات بارگذاری بایستی شامل بزرگی، شکل و تعداد تکرار بار باشد. سه روش مختلف جهت لحاظ کردن تأثیرات وسایل نقلیه و ترافیک در طراحی روسازی وجود دارد: ترافیک ثابت، وسیله ثابت و ترافیک و وسیله متغیر.
-ترافیک ثابت:
در ترافیک ثابت ضخامت روسازی بر اساس بار چرخ تکی طراحی میشود و تعداد تکرار بارگذاری بهعنوان متغیر لحاظ نمیشود. اگر روسازی در معرض چرخ چندگانه قرار داشته باشد بایستی آن را بهیکبار چرخ تکی همارز - ESWL - تبدیل کرد.در این حالت میتوان روش طراحی مبتنی بر چرخ تکی را استفاده نمود.
-وسیله ثابت:
در روش وسیله ثابت ضخامت روسازی توسط تکرار بارگذاری و یا محور استاندارد بار کهمعمولاً بار محور تکی 18kip - 80KN - است، تعیین میگردد. اگر بار محور 18kip - 80KN - نباشد و یا شامل محور تاندوم و یا تریدم باشد بایستی توسط ضریب بارمحورهمارز - EALF - به بار محور تکی تبدیل شود. تعداد تکرار تحت بار محور تکی و یا چندگانه بایستی در - EALF - ضرب شود تا اثر معادل مبتنی بر بار محور تکی 18kip - 80KN - بدست آید. مجموع اثرات معادل برای کل محور بارها در طول دوره طراحی، بار محور تکی همارز - ESAL - را نتیجه میدهد. که یک پارامتر طراحی برای اهداف طراحی است. به دلیل تنوع بسیار زیاد محورهای بار و حجم ترافیک و اثرات متعدد آنها روی کارایی روسازی امروزه اکثر روشهای طراحی بر اساس روش وسیله ثابت است.>1]
-ترافیک و وسیله متغیر:
برای حالت وسیله نقلیه و ترافیک متغیر، ترافیک و وسیله را بصورت انفرادی در نظر میگیرم بهگونهای که نیازی به اختصاص ضریب معادل برای هر محور بار نباشد. بارها را میتوان به تعدادی گروه تقسیم کرد که تنشها و کرنشها و نشستها تحت هر گروه بار به صورت مجزا محاسبه میشود و برای اهداف طراحی بکار میروند. قابلذکر است در این تحقیق برای سهولت در استفاده از نتایج بدست آمده برای سایر کاربران، برای بارگذاری از روش وسیله ثابت استفاده شده است تا بتوان تمامی بارگذاریهای متفاوت - چه از نظر تکرار و چه از نظر ترکیب - را به قالب مشخصی تبدیل کرد و بتوان آنها را برای استفاده از نتایج این تحقیق بکار گرفت. لذا بارگذاری در این پروژه بر مبنای بار محور تکی 18kip - 80KN - خواهد بود.
7. آنالیز حساسیت
پس از تعریف مشخصات لایههای روسازی و نحوهی بارگذاری، با در نظر گرفتن رفتار الاستیک خطی برای مصالح به تحلیل آنها توسط نرمافزارkenlayer اقدام شده و از گزارش خروجی، مقادیر کرنش کششی و کرنش فشاری در نظر گرفته میشود و درنهایت
