بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارامترهاي موثر در مدول الاستيسيته حاصل از آزمايشات
صحرايي HWD در فرودگاه رفسنجان
چکيده
مدول الاستيسيته مهمترين مشخصه لايه هاي روسازي است . براي طراحي روکش و يا تعيين کفايت سازه اي روسازي بطور مستقيم از مدول الاستيسيته استفاده مي شود که اطمينان از درسـتي آن بـسيار ضروري مي باشد. در محاسبات بازگشتي ، افت و خيز بدست آمده از تجهيزات غير مخرب ارزيابي روسازي به مدول الاستيسيته لايه هاي مختلـف تبـديل مـي شـود. بـراي تعيـين مـدول الاستيـسيته در محاسبات بازگشتي به ضخامت دقيق لايه ها و دماي عمق لايه آسفالتي نياز مي باشد. در اين تحقيـق از اطلاعات افت و خيز برداشت شـده بـا دسـتگاه HWD در سـطح روسـازي فرودگـاه رفـسنجان استفاده شده است . براي بررسي تاثير ضخامت و دمـاي لايـه آسـفالتي در نتـايج مـدول الاستيـسيته بدست آمده از محاسبات بازگشتي از نرم افزار ELMOD استفاده گرديـده اسـت . همچنـين تـاثير ترکهـاي خـستگي و يـا ترکهـاي دوبنـدي ناشـي از اجـراي نادرسـت لايـه آسـفالتي روي مـدول الاستيسيته لايه هاي مختلف روسازي مورد بررسي قـرار گرفتـه اسـت . نتـايج ايـن تحقيـق در قالـب نمودارهاي بدست آمده از تاثير هر پارامتر و راهکارهـاي مناسـب بـراي تعيـين ضـخامت لايـه هـا و دماي عمق لايه آسفالتي ارائه شده است .
١. مقدمه
اولين دستگاه FWD توسط يک مهندس فرانسوي در سـال ۱۹۶۳ ابـداع شـد. رونـد تکامـل ايـن دستگاه توسـط مهندسـين دانمـارکي و سـوئدي ادامـه يافـت تـا بـه امـروز کـه يکـي از معتبرتـرين شـرکتهاي سـازنده HWD بنـام دايناتـست ٣ در دانمـارک قـرار دارد. در ايـن تحقيـق از دسـتگاه
HWD براي برداشت اطلاعات افت و خيز در سطح روسازي فرودگاه رفسنجان اسـتفاده گرديـده است . همچنين تحليـل اطلاعـات برداشـت شـده و بررسـي تـاثير پارامترهـاي مختلـف روي مـدول الاستيسيته به کمک نرم افزار ELMOD انجام شده است . در ادامه توضـيحاتي در مـورد دسـتگاه
HWD و نرم افزار ELMOD ارائه مي گردد.
٢. دستگاه HWD
اين دستگاه يکي از تجهيزات غير مخرب ارزيابي سازه اي روسازي راه و فرودگاه مي باشد. دستگاه
HWD پس از اعمال ضربه اي معادل تنش ناشي از چرخ وسيله نقليه يا هواپيما روي روسـازي ، بـه کمک ژئوفونهايي که به فاصله هاي مشخص از يکديگر و در امتداد محور راه قـرار دارنـد، افـت و خيز ناشي از ضربه را قرائت و در يک فايل ACCESS ذخيره مي کند. همچنين به دليل تغييـرات مدول الاستيسيته لايه آسفالتي با دما، دماي لايه آسفالتي بصورت دستي اندازه گيري و ثبت مي شود تا مدول الاستيسيته در دماي آزمايش تعيـين گـردد. دسـتگاه HWD در شـکل ۳ نـشان داده شـده است [۱].
شکل ۱- دستگاه HWD [۱]
۳. برداشت اطلاعات افت و خيز با دستگاه HWD
فرودگاه رفسنجان داراي يک باند پرواز، يک باند خزش و يک توقفگاه مي باشد (شکل ۲) که نوع روسازي قسمتهاي مختلف آن آسفالتي است . بر اسـاس مقـاطع روسـازي در نقـشه هـاي اجرايـي و کنترل قسمتي از باند که در حال بازسازي بود، نتيجه گرديد که ضـخامت لايـه هـا در بانـد پـرواز و
باند خزش (در محل توقفگاه لايه آسفالتي cm ضخيمتر مي باشد)، بصورت شکل ۳ مي باشد.
شکل ۲- نقشه فرودگاه رفسنجان
شکل ۳- مقطع عرضي از روسازي در تمام قسمتهاي فرودگاه
در باند پرواز تعداد ۱۵ خط برداشت لحاظ گرديده که در سمت چپ و راست محور مرکزي بانـد قرار دارند. در نزديکي محـور مرکـزي بـه دليـل بارگـذاري بيـشتر فاصـله خطـوط برداشـت کمتـر مي باشد. خطوط برداشت در باند پرواز شامل محور مرکـزي بانـد (CL)، و خطـوط ۱/۵، ۳، ۵، ۷،
۱۰، ۱۵ و ۲۰ متري در سمت چپ و راست محوري مرکزي مي باشند. به دليل اهميت بيشتر خطوط نزديک محور مرکزي باند، فاصله نقاط برداشت در خطوط ۱/۵، ۳، ۵ و محـور مرکـزي ۵۰ متـر و براي بقيه خطوط ۱۰۰متر در نظر گرفته شد[۲،۴و۵].
۴. تئوري نرم افزار ELMOD
نرم افزار ELMOD در يک سيستم سه لايه اي قـادر بـه ارزيـابي روسـازي اسـت (شـکل ۴). ايـن نرم افزار لايه رويه و اساس را بصورت مصالح الاستيک خطي و لايـه بـستر را بـصورت غيـر خطـي مدل مي کند. اين نرم افـزار قـادر اسـت مـدول الاستيـسيته لايـه هـاي مختلـف روسـازي را از طريـق محاســبات بازگــشتي ٥ تعيــين کنــد. در شــکل ۵ رونــد انجــام محاســبات بازگــشتي در نــرم افــزار
ELMOD ارائه گرديده است [۳].
شکل ۴- سيستم سه لايه اي در نرم افزارهاي ELMOD [۳]
محاسبات بازگشتي
شکل ۵- روند محاسبات بازگشتي براي تعيين مدول الاستيسيته در نرم افزار ELMOD [۶]
۴-۱. معادلات بوسينسک
اين معادلات در سال ۱۸۸۵ براي محاسبه تنش ها، کرنش ها و تغيير مکانها در فـضاي نيمـه بينهايـت همگن ، همسان و الاستيک خطي با مدول E و نسبت پواسـون v کـه تحـت بارگـذاري نقطـه اي P
عمود بر سطح قرار گرفته توسط بوسينسک ارائه گرديد. در محور مرکزي بار، معادلات مربوط بـه تنش و تغيير مکان قائم مطابق روابط شماره (۱) و (۲) بدست مي آيد[۶].
با توجه به رابطه شماره ۱ مـشخص اسـت کـه تـنش قـائم از پارامترهـاي الاسـتيک مـستقل (مـدول الاستيسيته و ضريب پواسون ) هستند. رابطه ۳ (بسط يافته از رابطه ۲)، تغييرمکان در عمق z براي بار دايره اي يکنواخت را محاسـبه مـي کنـد. ايـن رابطـه در محاسـبات بازگـشتي بـراي محاسـبه مـدول الاستيسيته مورد استفاده قرار مي گيرد[۶].
روش ادمارک بر اين فرض استوار است که تنشها و کرنشهاي زير يک لايـه ، تنهـا بـه سـختي لايـه بستگي دارد. در نتيجه اگر ضخامت يا مدول الاستيسيته و يا ضريب پواسون يک لايـه تغييـر کـرده ولي سختي آن ثابت بماند تنشها و کرنشهاي زير لايه تقريبا ثابت خواهد ماند[۶].
بنابراين سختي يک لايه متناسب است با:
که در آن h ضخامت لايه است .
معادلات بوسينسک در سيستم تبديل يافته شـکل ۶ بـراي يـک فـضاي نيمـه بينهايـت قابـل اسـتفاده مي باشد اما بر اساس فرض اوليه ادمارک تنها تنشها، کرنشها و تغييرمکانهـا در زيـر فـصل مـشترک لايه ها مشمول اين روابـط هـستند. بـراي اينکـه پاسـخ واقعـي روسـازي بـه پـيش بينـي هـاي تئـوري الاستيـسيته نزديکتـر باشـد، هنگـام اسـتفاده از روش ادمـارک از يـک فـاکتور تـصحيح f اسـتفاده مي شود. همچنين به دليل تاثير کم ضـريب پواسـون ، مقـدار آن بـراي تمـام لايـه هـا يکـسان فـرض مي شود. بنابراين ضخامت معادل در يک سيستم دو لايه اي مطابق رابطه ۵ محاسبه مي شود. در يک سيستم n لايه اي ضخامت معادل به کمک رابطه شماره ۶ بدست مي آيد[۶].
۴-۲. رفتار غير خطي بستر
مدول الاستيسيته درمحاسبات المان محدود با درنظر گرفتن غير خطي بودن مصالح با رابطه شـماره (۷) تعريف مي شود[۶]. از اين رابطه براي تعيين مدول الاستيسيته لايه بستر استفاده مي شود.
در رابطه (۷)، (σ) تنش اصلي بزرگتر ناشي از بارگذاري خارجي بدون در نظر گرفتن هر گونـه تنش استاتيک ناشي از وزن مصالح مي باشد. P تنش مرجـع بـوده کـه اغلـب فـشار اتمـسفر درنظـر گرفته مي شود (MPa). C و n ثابت هستند. در محاسبات المان محدود n از صـفر (در حالـت مصالح الاستيک خطي ) تا ۰/۵- تغيير مي کند. کرنشها و تغييرشـکلها را مـي تـوان توسـط معـادلات بوسينسک و با استفاده از مدول الاستيسيته اي کـه بوسـيله تـابع غيـر خطـي از تـنش اصـلي بزرگتـر جايگزين شده ، بدست آورد[۶].
۵. محاسبات بازگشتي ٦ و تاثير ضخامت لايه ها در نتايج آن
با اندازه گيري تغييرشکل (به کمک آزمايشات صحرايي HWD) و با داشتن ميزان بار و ضخامت هر يک از لايه ها مي توان مدول الاستيسيته لايه هاي مختلف را از طريق محاسبات بازگشتي محاسبه کرد. يکي از معروفترين روشهاي محاسبات بازگشتي جهت تعيين مدول الاستيستيه روش DBF مي باشد. در اين روش يک مدول تخميني براي لايه هاي روسازي فرض مي شود و کاسه انحناي تئوري افت و خيز براي اين مدول محاسبه مي شود. در مرحله بعد، کاسه انحناي بدست آمده با کاسه انحناي اندازه گيري شده توسط دستگاه HWD مقايسه مي شود. تخمين مدول يا مرحله سعي و خطا تا جاييکه اين دو کميت بر هم منطبق شوند، ادامه مي يابد. مراحل تعيين مدول الاستيسيته لايه هاي روسازي به روش DBF در نرم افزار ELMOD در شکل ۵ اشاره شده است .
به دليل اينکه تغيير شکل و عمق رابطه معکوس دارند بنابراين اگر ضخامتهايي که براي تعيين مدول الاستيسيته به نرم افزار داده مي شود، از مقدار واقعي کمتر باشد، مدول الاستيسيته حاصل از مقدار واقعي در روسازي بيشتر خواهد بود.
براي درک بهتر اين موضوع با استفاده از اطلاعات افت و خيز در يکي از خطوط باند پـرواز، تـاثير ضخامت در مدول الاستيسيته بررسي شده است . يک سيستم سه لايـه اي بـا ضـخامت ۲۵۰ ميليمتـر براي لايه رويه و ضخامت ۳۵۰ ميليمتر براي لايه اساس در نظـر گرفتـه مـي شـود. درصـد تغييـرات مدول الاستيسيته با ضخامتهاي جديد در جدول ۱ و ۲ محاسبه شـده اسـت . لازم بـه ذکـر اسـت در جدول ۱ تاثير افزايش و در جدول ۲ تاثير کـاهش ضـخامت لايـه هـاي اسـاس و رويـه بـه ميـزان ۵ سانتي متر مورد بررسي قرار گرفته است [۷].
با مشاهده جدول ۱ و ۲ مشخص مي گردد که لايه رويه آسفالتي بيشترين اهميت را در محاسبات بازگشتي دارد. دليل اين مساله ۳ الي ۷ برابر بودن مدول الاستيسيته آن نسبت به لايه اساس است .
هنگامي که ضخامت لايه آسفالتي کمتر از مقدار واقعي در محاسبات بازگشتي وارد مي شود، در حالي که تغيير شکلها مربوط به ضخامت بيشتري (ضخامت واقعي ) مي باشند، نرم افزار مدول الاستيسيته بالاتري براي لايه آسفالتي محاسبه مي کند و در واقع لايه اي با سختي بيشتر (۲۵ درصد افزايش ) براي مطابقت با تغيير شکل حاصل از آزمايشات صحرايي HWD در نظر مي گيرد. اين مساله روي مدول الاستيسيته لايه اساس تاثير بيشتري دارد چرا که با وارد کردن ضخامت کمتر از حالت واقعي ، در واقع تنش هاي بيشتري به لايه اساس مي رسد، اما تغيير شکلهاي بدست آمده از آزمايشات صحرايي HWD پايين مي باشد. بنابراين نرم افزار مدول الاستيسيته بيشتري (۳۰ درصد افزايش ) را براي مطابقت با تغيير شکل حاصل از آزمايشات صحرايي HWD براي لايه اساس در نظر مي گيرد. همچنين در صورتي که ضخامت لايه هاي روسازي بيشتر از مقدار واقعي در محاسبات بازگشتي وارد شود، نرم افزار لايه هاي روسازي را با سختي کمتر براي مطابقت با تغيير شکل حاصل از آزمايشات صحرايي HWD در نظر مي گيرد. در جدول ۳ محدوده مدول الاستيسيته لايه هاي مختلف روسازي با مصالح مشخص ارائه شده است .
