CC BY
84
Тиратурян Артем Николаевич
Tiraturjan Artem Nicolaevich ФГБОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет
FGBOU VPO Rostov State building university аспирант каф-ры «Автомобильные дороги/ postgraduate department "Highways
Углова Евгения Владимировна
Uglova Evgeniya Vladimirovna д.т.н., проф., зам. зав. Каф-рой «Автомобильные дороги» РГСУ Doctor of Science, Professor department "Highways ФГБОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет
FGBOU VPO Rostov State building university E-Mail: [email protected]
Программный комплекс для «обратного» расчета динамических модулей упругости эксплуатируемых дорожных конструкций с учетом параметров воздействия установок нагружения дорожных одежд
Software package for the backcalculation the dynamic elastic moduli of road constructions operated within the parameters of the dynamic impact loading facilities pavements
Аннотация: Проведен обширный анализ существующих установок динамического нагружения дорожных одежд как отечественных так и зарубежных. Разработан программный комплекс позволяющий производить анализ динамического напряженно-деформированного состояния нежестких дорожных одежд с учетом параметров динамического воздействия установок нагружения дорожных одежд. На примере установки FWD Dynatest и комплекса ВИК-1 показана адекватность результатов получаемых при использовании данного программного комплекса.
The Abstract: Conducted an extensive analysis of existing installations dynamic loading road pavements of both domestic and foreign. The software allows you to analyze the complex dynamic stress-strain state of non-rigid pavements within the parameters of the dynamic impact loading facilities pavements. On the example set FWD Dynatest complex and VIC-1 shows the adequacy of the results obtained with the use of the software system.
Ключевые слова: Установка динамического нагружения, «обратный» расчет, модуль упругости, чаша прогибов.
Keywords: Sets the dynamic loading, the backcalculation, elastic modulus, deflection bowl.
***
На современном этапе развития Российской транспортной инфраструктуры особое значение приобретает выбор рациональной стратегии ремонта и реконструкции существующей сети автомобильных дорог. Выбор стратегии должен базироваться в первую очередь на данных диагностики состояния существующей автомобильной дороги. Особое внимание сле-
дует уделять оценке состояния эксплуатируемой дорожной одежды, как наиболее ответственного и дорогостоящего элемента автомобильной дороги.
На данный момент в практике Российской Федерации оценка несущей способности дорожной конструкции осуществляется по показателю общего модуля упругости, что с одной стороны позволяет сделать вывод о прочности дорожной одежды в целом. Однако в течение срока службы дорожной одежды каждый ее элемент (покрытие, основание, грунт земляного полотна) претерпевает воздействие климатических факторов и воздействие динамической нагрузки (нередко превышающей нормативную) от транспортного потока, что ведет к снижению прочности конструктивных элементов. Выявить ослабленный элемент дорожной одежды опираясь лишь на общий модуль упругости не представляется возможным. Послойная оценка прочности дорожной одежды возможна лишь с применением метода разрушающего контроля, заключающегося в отборе кернов из эксплуатируемой дорожной одежды и последующего их испытания в лабораторных условиях. Данный метод трудозатратен, и не позволяет получить информацию об эксплуатационных значениях модулей упругости дорожной конструкции, использующихся в качестве основной расчетной характеристики при проектировании мероприятий по ремонту и реконструкции дорожной одежды.
Для оценки модулей упругости конструктивных элементов дорожных одежд на стадии эксплуатации в зарубежной практике был разработан метод «обратного» расчета (backcalcula-tion) [1]. Данный метод базируется на экспериментальной регистрации чаш динамических прогибов дорожной конструкции на стадии эксплуатации. Суть метода состоит в корректировке экспериментальной чаши максимальных прогибов дорожной одежды относительно расчетной чаши прогибов, полученной с использованием механико-математической модели, на основании информации о нормативных значениях динамических модулей упругости элементов дорожной одежды (рис. 1).
Рис. 1. - Расчетная (красная линия) и экспериментальная (зеленая линия) чаши динамических прогибов дорожной конструкции до (рис. 1а) и после корректировки (рис. 1б)
В настоящее время за рубежом широкое распространение в целях регистрации экспериментальных чаш прогиба получили круногабаритные установки типа FWD. Данные технические средства широко распространены в Г олландии, Финляндии, Дании, Швеции, Франции, США, и других странах.
Установки типа FWD создают нагрузку до 120 кН, и применяются для диагностики несущей способности как дорожных одежд, так и их конструктивных элементов. На зарубежном рынке присутствует большое количество установок импульсного нагружения различных фирм производителей в частности: Dynatest, Kuab, Jils, Phoenix. Наибольшее распространение получили установки FWD Dynatest (рис.2).
Установки FWD ВуиаІеБІ полностью автоматизированы и имеют 7 или 9 датчиков-геофонов (при необходимости возможно установить до 15 датчиков) для регистрации чаши прогиба покрытия нежесткой дорожной конструкции.
Рис. 2. - Установка FWD
Время контактного взаимодействия воспроизводимого установками FWD Dynatest составляет О.О3 мсек. Масса груза составляет 235 кг, а высота падения груза составляет 45 см. Расстояния установки датчиков от точки ударного нагружения, приведены в таблицах 1 и 2. [2]
Таблица 1 - Расстояния установки для девяти датчиков
Датчик Расстояние, мм
D1 0
D2 203
D3 305
D4 457
D5 610
D6 914
D7 1219
D8 1524
D9 -305
Таблица 2 - Расстояния установки для семи датчиков
Датчик Расстояние (нежесткие дорожные одежды), мм Расстояние (жесткие дорожные одежды)
D1 0 0
D2 203 -305
D3 305 305
D4 457 457
D5 610 610
D6 914 914
D7 1524 1524
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Учитывая то, что построение расчетной чаши динамических прогибов является сложной процедурой, реализация которой возможна только с использованием механикоматематических моделей напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции, за рубежом широкое распространение получили программные комплексы решающие данную задачу. В большинстве своем в основе этих программных комплексов лежат линейно-упругие модели, базирующиеся на устаревшем методе эквивалентных толщин(например Elmod 6 ), и линейно-упругие модели, не позволяющие учитывать реальные вязкие свойства слоев асфальтобетона (Evercalc, Bisdef.)[3]. Также существенным недостатком программных комплексов разработанных за рубежом является, то что все они разработаны для моделирования динамического воздействия конкретной установки (например программный комплекс Elmod 6 для FWD Dynatest, программный комплекс ROSY для установок Primax), и не позволяют строить расчетные чаши динамических прогибов от других установок динамического нагружения. Из вышесказанного можно сделать вывод, что разработка отечественного программного комплекса для «обратного» расчета динамических модулей упругости дорожных одежд на стадии эксплуатации, позволяющего учитывать динамическое воздействие различных установок нагружения дорожных конструкций (применяющихся в отечественной практике) является актуальной задачей.
До недавнего времени в Российской Федерации ограничивались применением таких традиционных установок как Дина-3М, УДН-НК (для динамического нагружения), и прибора - длиннобазовый рычажный прогибомер (для статического нагружения дорожной одежды), позволяющих производить регистрацию упругой деформации дорожной одежды только в точке приложения нагрузки. [4] (рис.1).
На данный момент в отечественной практике разработано современное оборудование для оценки прочности дорожных конструкций, как крупногабаритное так и малогабаритное. Наиболее перспективными выглядят такие установки как Дина-3М, снабженная акселеромет-рической системой, позволяющей регистрировать чашу прогиба дорожной одежды, УДК-3 (разработанная в МАДИ и применяемая в составе научной диагностической лаборатории), малогабаритная установка Микродин (применяемая для экспресс диагностики состояния дорожных одежд, разработанная РосдорНИИ), мобильный виброизмерительный комплекс Дор-ТрансНИИ ВИК-1 (разработанный ДорТрансНИИ РГСУ)
Модернизированная версия установки Дина-3М была разработана Саратовским научно-производственным центром Росдортех. Данная модель установки включает в себя 4 датчика-акселерометра, установленных на расстоянии до 1.5 м. от точки ударного воздействия. Основной характеристикой регистрируемой при ударном воздействии является амплитудновременная характеристика ускорений точек покрытия дорожной одежды. После обработки возможно построить график скоростей, и амплитудно-временную характеристику перемещений, на основе которой строится чаша прогибов поверхности дорожной одежды.
Установка УДК-3 была разработана под руководством проф. Кузнецова и к.т.н. Мордвина С.С., и приведена на рис. 3а.
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Рис. 3. - Установка динамического нагружения УДК-3 и портативный прибор Микродин
Установка динамического нагружения в составе УДК-3 имеет жесткий штамп оригинальной конструкции диаметром 34 см. В качестве упругого элемента, формирующего продолжительность динамического воздействия, использованы рессоры, что позволяет изменять характеристики динамического импульса в широких пределах. Перед динамическим воздействием штамп прижимается пневмосистемой к покрытию с усилием до 300 кгс, при этом достигается плотное прилегание штампа даже на не очень ровных покрытиях. Штатный груз имеет массу 40 кг. Высота падения груза регулируется в пределах от 0 до 150 см. Данная установка снабжена акселерометрическим датчиком, регистрирующим ускорения поверхности покрытия непосредственно в точке нагружения, и позволяющим после обработки сигнала получать величину упругой деформации.[5].
Микродин представляет собой портативный прибор ударного нагружения дорожной конструкции (рис.Зб). Основные параметры портативного прибора для динамического нагружения Микродин (таблица 4.)
Масса груза 15 кг
Диаметр штампа 10 см
Высота падения груза 70 см
Время контактного взаимодействия 0.005 с
В приборе «Микродин» за счет специальной конструкции уменьшено время контактного взаимодействия с сохранением его квазистатического и упругого характера, что позволило увеличить величину нагрузки. На основе проведенных экспериментальных и расчетных исследований установлено, что показатели прибора и стандартных установок динамического нагружения в диапазоне 0.2 - 0.8 мм связаны достаточно устойчивой корреляционной связью [6].
Мобильный виброизмерительный комплекс ВИК-1 был разработан в РГСУ (рис. 4). Комплекс состоит из малогабаритной ударной установки динамического нагружения, виброакселерометров для измерения ускорений колебания точек поверхности (устанавливаемых на расстоянии 0.25, 0.75, 1.25, 2.5 м.); многоканального виброизмерительного прибора (с собственным программным обеспечением) для регистрации сигналов и формирования непрерывного файла данных и ПК типа ноутбук для регистрации данных натурного эксперимента.[7]
Рис. 4. - Виброизмерительный комплекс для регистрации характеристик деформирования
дорожной конструкции
1- Пьезокерамические виброакселерометры;
2- Многоканальный двенадцатиразрядный аналогово-цифровой преобразователь;
3 - Портативный компьютер;
4 - Малогабаритная установка ударного нагружения (рис.4).
Относительно малая амплитуда колебаний элементов дорожной конструкции при ударном воздействии требует высокой чувствительности датчиков. Пьезокерамические виброакселерометры с согласующими усилителями в процессе экспериментальных исследований устанавливаются на поверхности дорожной конструкции. Они преобразуют воздействующие на них механические ускорения в электрический сигнал. Для повышения уровня аналоговых сигналов, получаемых от виброакселерометров, используются встроенные усилители. Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму осуществляется в электронном блоке, содержащем АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) и микроконтроллер. Сбор цифровых данных с АЦП и общее управление измерениями реализуется при помощи специального программного обеспечения переносного компьютера типа ноутбук.
Параметры малогабаритной установки ударного нагружения (рис. 4) рассчитывались из следующих условий.
• Ограничение пиковых давлений на поверхность покрытия значением напряжения текучести асфальтобетона.
• Энергия удара должна быть достаточна для генерации волн, в слоях дорожной одежды и рабочем слое грунта земляного полотна.
• Величины ускорений на покрытии должны быть достаточны для их точной регистрации пьезокерамическим виброакселерометрами.
• Контактное давление составляет 1 МПа, величина силы контактного взаимодействия - 50 кН.
Масса груза, рассчитанная из приведенных условий составила 32 кг, высота падения груза 0.7 м, а диаметр штампа 0.25 м.
Рассматриваемые данные позволяют сделать следующий вывод:
Выбранные параметры установки ударного нагружения позволяют воспроизводить на поверхности дорожной конструкции ударный импульс достаточный для генерации волн в дорожной конструкции, зарегистрировать которые возможно на расстояние до 2,5 м. При этом на поверхности дорожного покрытия не происходит разрушений, или пластических деформаций.
Проведенный анализ наиболее распространенных установок динамического нагружения позволяет выделить наиболее важные их характеристики на основе которых возможно осуществлять моделирование динамического воздействия от этих установок. В комплекс этих характеристик входят:
• Высота падения груза
• Масса груза
• Диаметр штампа
• Время контактного взаимодействия
• Импульс воздействия
Сравнительная характеристика установок динамического нагружения по данным показателям приведена в таблице 3.
Таблица 3 - Сводная таблица основных параметров характеризующих динамическое воздействие различных установок
Параметр Установках цинамич. нагружения Высота падения груза, см Масса груза,кг Время контактного взаимодей-ствия,с Диаметр штампа, см Импульс воздействия
Дина-3М 51 160 0.03 33 синусоидальный
Микродин 70 15 0.005 15 треугольный
УДК-3 до 150 см 40 0.03 34 Треугольный
45 235 0.03 33 синусоидальный
ВИК-1 70 32 0.003 25 Треугольный
Под руководством профессора Ляпина А.А. в РГСУ был разработан программный комплекс У1Ьго1аЬ для анализа напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций, базирующийся на аналитической модели многослойного полупространства «дорожная конструкция - грунт». С использованием данного программного комплекса возможно моделирование динамического воздействия от различных установок динамического нагружения. При расчете общей интенсивности ударного воздействия установки типа «Падающий груз»
требуется учет его пространственного, временного распределения и законов сохранения энергии и импульса. Удар считается кратковременным, абсолютно упругим, без эффектов отскока и повторных контактов груза и поверхности дорожной конструкции. В качестве исходных данных расчета принимаются: высота сбрасывания груза И, его масса т, радиус пятно контакта груза и поверхности ^, задаваемые с использованием панели «Параметры расчета/ Энергия ударного воздействия» (рис. 5 )
Ригатй сбрасывания груза, л Мосса груза £ кг Радиус груза, м
Р^счнтаггь
^ Параметры расчете
Энергия щыгмюго воадсйстиня
Т2
Г-!-'
111.!
]0Г120 Д Отмените
Рис. 5. - Форма ввода параметров характеризующих динамическое нагружение
Реализована возможность выбора формы и длительности импульса нагружения соответствующего типу моделируемой установки нагружения (рис.6)
Рис. 6. - Характер распределения испульса нагружения и его продолжительность
Так например при постоянном единичном пространственном распределении и треугольном импульсе нагрузки имеем (2):
2тЛ/2?й (2)
Рвау =-----!----
лЯт
Где Рвду - Эквивалентная сила, Па. т - масса груза, кг
g - ускорения свободного падения, м/с2 И - высота падения груза, м Я - радиус штампа, см Т - продолжительность импульса,с
Для оценки адекватности модели проведем моделирование динамического воздействия от установки типа FWD Вупа1ев1 и ВИК-1. Экспериментальные замеры чаши динамических прогибов были проведены в Германии, под руководством проф. ВескеёаЫ и отражены в монографии [8].
Моделирование динамического воздействия от установки FWD Dynatest осуществлялось в соответствии с параметрами, приведенными в таблице 3. Конструкция испытанной дорожной одежды приведена в таблице 4.
Таблица 4 - Конструкция дорожной одежды на которой проводились испытания
Конструктивные элементы Толщина слоев, мм Нормативный модуль упругости, МПа
Слои асфальтобетона 171 10800
Слои основания 965 220
Г рунт земляного полотна ю 190
Чаши динамических прогибов, построенные с использованием программного комплекса У1Ьго1аЬ, и экспериментально зарегистрированные с использованием установки FWD Dy-natest приведены на рис. 8. Сопоставление экспериментальной чаши прогибов дорожной одежды (зарегистрированной прибором ВИК-1) и расчетной чаш максимальных динамических прогибов, построенной с использованием программного комплекса У1Ьго1аЬ приведено на рисунке 9.
Рис. 7. - Сопоставление экспериментальной чаши прогибов, зарегистрированной установкой ГЖБ Dynatвst (зеленая линия), и расчетной чаши прогибов, построенной с использованием программного комплекса У1Ъто1аЪ (красная линия)
Рис. 8. - Сопоставление экспериментальной чаши прогибов, зарегистрированной комплексом ВИК-1 (зеленая линия), и расчетной чаши прогибов, построенной с использованием программного комплекса У1Ъто1аЪ (красная линия)
Как видно из рисунков чаши прогибов имеют хорошую сходимость, что свидетельствует о возможности адекватного моделирования динамического воздействия как крупногабаритных источников нагружения таких как установка FWD Dynatest, так и малогабаритных установок например комплекса ВИК-1.
Выводы
1. Проведен обширный анализ установок динамического нагружения, используемых в РФ и за рубежом, как крупногабаритных, так и малогабаритных, в число которых входят установки: Дина-3М, УДН-НК, УДК-3, Микродин, ВИК-1, FWD Dynatest.
2. Выявлены основные параметры, характеризующие динамическое воздействие, возбуждаемое различными установками нагружения, и позволяющие производить адекватное моделирование динамического воздействия на конструкцию дорожной одежды.
3. Разработан программный комплекс УЛго^Ь, позволяющий выполнять моделирование динамического воздействия от установок нагружения с учетом формы импульса нагружения, времени соударения, массы груза, высоты падения груза, диаметра штампа и производить моделирование напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции.
4. Проведено сопоставление расчетных чаш динамических прогибов, построенных с использованием программного комплекса УЛго^Ь с экспериментально зарегистрированными чашами динамических прогибов, полученными установкой FWD Dynatest и комплексом ВИК-1. Выявлена хорошая сходимость между результатами моделирования и экспериментальной регистрации чаш прогибов, что позволяет сделать вывод о возможности адекватного учета динамического воздействия различных установок нагружения и проведения «обратного» расчета динамических модулей упругости элементов нежестких дорожных одежд на стадии эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Viswanathan B. "Evaluation of resilient modulus of flexible pavements by back - calculation technique", Thesis Presented to The Faculty of the College of Engineering and Technology Ohio Univer-sity, June 1989.
2. European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research COST 336 Use of Falling Weight Deflectometers in Pavement Evaluation
3. Van Deusen D., "Selection of flexible pavement backcalculation software for the minnesota road research project", Minnesota Department of Transportation Office of Minnesota Road Research, August 1996.
4. Васильев А.П. Справочная энциклопедия дорожника: Ремонт и содержания автомобильных дорог. - М.: : Информавтодор, 2004.
5. Мордвин С.С. Совершенствование метода определения прочности нежестких дорожных одежд динамическим нагружением. автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: 2011
6. Лушников П. А. Разработка экспресс методов определения вязкоупругих свойств нежестких дорожных одежд с применением портативных приборов ударного действия. Автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.:2009.
7. Углова Е.В Теоретические и методологические основы оценки остаточного усталостного ресурса асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. Автореф. дисс. на со-иск. уч. степ. докт. техн. наук. Ростов н/Д.2009.- 371 с.
8. Beckedahl H. Forschung Strassenbau und Strassenverkehrstechnik, November 1995
