Застосування обчислювального комплексу SCAD для проектування автомобільних доріг

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 625.7:622

Застосування обчислювального комплексу SCAD для проектування автомобільних доріг

Шилін І.В., к.т.н., доц. (АДІ ДВНЗ «ДНТУ»)

Грицук Ю.В., к.т.н., доц. (ДонНАБА)

Грицук І.В., к.т.н., доц. (ДонІЗТ)

Паламарчук Є.О., студент (АДІ ДВНЗ «ДНТУ»)

Актуальність. Існуюча методика проектування автомобільних доріг в цілому, і дорожнього одягу зокрема, базується на прикладанні статичного навантаження (зосередженого або розповсюдженого) до інженерної конструкції та визначення її міцності. Емпіричні залежності, які застосовуються при розрахунках враховують умови, що приймаються фахівцем на стадії проектування. Це обумовлює значну ймовірність похибки при проектних рішеннях в прямої залежності від кваліфікації фахівця. Також слід зважити на те, що отримати внутрішні напруги у земляному полотні або дорожньому одязі практично не можливо, а це б дало можливість вирішувати питання довговічності конструкції та її експлуатаційної надійності.

Історично та економічно склалося так, що мережа автомобільних доріг на території України була створена за часів Радянського союзу і в теперішній час розширення її практично не відбувається. Таким чином важливою задачею є визначення фактичної несучої здатності усіх елементів дорожньої конструкції та інженерних споруд, які розташовані на автомобільній дорозі. Існуючими розрахунковими методами цю задачу вирішити досить важко.

Аналіз існуючих публікацій. Аналіз публікацій за темою дослідження у суміжних галузях будівництва виявив [1, 2], що при усіх розрахунках на міцність та надійність різноманітних інженерних споруд вже практично не використовуються статичні емпіричні залежності. Наявність потужної обчислюваної техніки дозволяє застосовувати більш складні математичні методи у просторовому вигляді та у динамічному процесі. Одним з таких методів, що отримав найбільше розповсюдження є метод кінцевих елементів (МКЕ).

МКЕ покладено в основу математичного апарату обчислювального комплексу SCAD [3]. Даний обчислюваний комплекс має нормативне обґрунтування і використовується для проектування багатьох складних інженерних споруд, таких як мостові будівлі, електростанції, спортивні будівлі, метрополітен, повітряні та морські судна тощо. Це дозволяє зробити припущення, що за умови пристосування до особливостей експлуатації автомобільних доріг є можливість виконувати розрахунки дорожньої конструкції за допомогою обчислювального комплексу SCAD.

Основний матеріал. До цього часу в дорожній галузі не існує єдиної методики, яка б дозволяла розраховувати дорожню конструкцію в єдиному цілому, тобто до розрахунку дорожнього одягу залучити дані про земляне полотно та основу насипу. Також не створено аналітично-розрахункових апаратів, що дозволяють виконувати розрахунки напружено-деформованого стану шарів дорожнього одягу, використовуючи їх деформаційні характеристики. Більш того, діючі методики розрахунку конструкції дорожнього одягу не враховують особливості місцевих умов: слабкі основи, зміну рівня підземних вод, техногенне зрушення проектної лінії тощо.

З метою спроби вирішення цих питань була розроблена блок-схема проектування дорожнього одягу з використанням МКЕ та блок-схема застосування обчислювального комплексу SCAD для розрахунку дорожнього одягу нежорсткого типу із використанням вбудованого модулю розрахунку багатошарових конструкцій. На жаль вбудований модуль розрахунку багатошарових конструкцій не досконалий і має багато обмежень. Крім того архівний пошук не дав позитивних результатів щодо нормативно обґрунтованих розрахунків дорожнього одягу (розрахункових схем, проектних розрахунків, технічних експертиз тощо).

Для реалізації вищевказаних блок-схем було створено розрахункову схему дорожнього одягу на пружній основі з двома коефіцієнтами постелі.

У зв'язку із труднощами отримання достовірних результатів було використано в якості вихідних даних приклад використання МКЕ для багатошарової конструкції [3-4]. Тобто прийнято чотирьохшаровий дорожній одяг (рисунок 1). В якості ґрунту основи було прийнято суглинок.

Рисунок 1 - Конструкція розрахункового дорожнього одягу (розміри в см)

Для виконання розрахунків прийнято нормативне навантаження яке дорівнює 0,6 МПа, що було рівномірно розподілене по колу діаметром 35 см. Плита дорожнього одягу прийнята шириною 7 м та довжиною 28 м, яка апроксимується квадратними кінцевих елементів (КЕ) 35Ч35см, що забезпечує достатню точність результатів розрахунку (рисунок 2).

Рисунок 2 - Розрахункова схема плити дорожнього одягу

В результаті розрахунку за даною схемою було отримано напружено-деформований стан (НДС), тобто деформовану схему дорожнього одягу, поля прогинів покриття, а також поля напружень в кожному шарі дорожнього одягу.

З результатів, наведених на рисунку 3, можна побачити концентрацію прогинів плити безпосередньо під розподіленим навантаженням. По краях спостерігається незначне піднімання плити (додатні переміщення Z).

Рисунок 3 - Ізополя переміщень фрагменту плити (білі кружечками - мінімальні значення прогинів (-0,33мм), трикутники - максимальні прогини (0,02мм))

Також є можливість за отриманими результатами розрахунку побудувати епюри внутрішніх зусиль у кожному окремому конструкційному шарі багатошарової конструкції за любим направленням перетину. Слід відзначити, що обчислюваний комплекс дозволяє представляти результати розрахунку як в графічному вигляді (для спрощення візуального сприйняття) та у дискретному вигляді (цифрові значення результатів розрахунку у вузлах КЕ).

На рисунку 4 наведено фрагмент плити із значеннями переміщень у вузлах КЕ.

Числові значення компонентів напружено-деформованого стану дозволяють виявити найбільш небезпечні місця напружень і прогинів, порівняти їх з допустимими для даного виду матеріалу, а також встановити раціональне сполучення конструктивних та фізико-механічних параметрів, що дозволяють прийняти найбільш оптимізовані варіанти дорожньої конструкції в різних умовах (за прийнятими критеріями оптимальності).

Рисунок 4 - Ізолінії переміщень в області прикладання навантаження

За результатами розрахунків можна отримати аксонометричну картину деформованого фрагменту дорожньої плити (рисунок 5)

Аналіз напружено-деформованого стану шарів дорожнього одягу показує, що ґрунтова основа стискається під навантаженням. Внаслідок цього відбувається прогин дорожнього одягу по деякій криволінійній поверхні з утворенням чаші прогину глибиною 0,33 мм.

Під навантаженням відбувається стиснення шарів покриття дорожнього одягу, а в нижній частині шару зігнутої основи - розтяг. По результатам побудови епюр максимальне стискаюче напруження (NY = -119,6 кПа) у верхньому шарі покриття виникає безпосередньо під навантаженням, а розтягуюче (NY = 12,4 кПа) - на деякій відстані від точки прикладання навантаження. В нижній площині цементобетонної основи виникає велике напруження розтягу (NY = 1105,3 кПа). При перевищенні значення напруження розтягу межі міцності матеріалу в покритті або основі утворюються тріщини. По периметру ділянки контакту навантаження з покриттям діє дотичне напруження, яке може викликати пролом дорожнього одягу.

Рисунок 5 - Картина деформації багатошарової плити за прийнятими умовами

Практичною цінністю отриманих результатів на даному етапі є можливість використання розробленого алгоритму при експертизі побудованих або відремонтованих дорожніх покриттів на техногенно-деформованих територіях, а також перевірка несучої здатності в регіональних умовах.

В подальшому слід приділити увагу картотеці будівельних матеріалів з різними варіантами їх структурного та конструктивного використання, формуванню банку розрахункових схем та способів навантаження, що передбачає можливість використання МКЕ при проектуванні автомобільних доріг в будь-яких умовах.

проектування автомобільний навантаження багатошаровий

Список літератури

1. Долгополова Н.В. Состояние вопроса о методах и критериях расчета дорожных одежд [Електронний ресурс] / Н.В. Долгополова, С.В. Долгополов, В.А. Голендер // Коммунальное хозяйство городов. - 2007. - №79. - С. 351-355. - Режим доступу до журн.: http://eprints.ksame.kharkov.ua/3192

2. Казарновский В.Д. Современные принципы проектирования нежестких дорожных одежд [Електронний ресурс] / В.Д.Казарновский // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования: научно-технический журнал. - 2003. - №8. - С. 57. - Режим доступу до журн.: http://www.credo-dialogue.com/journal

3. Городецкий А.С. Метод конечных элементов: теория и численная реализация. Программный комплекс «ЛИРА-Windows» / А.С. Городецкий, И.Д. Евзеров. - К.: ФАКТ, 1997. - 138 с

4. Константинов И.А. Теория упругости. Расчет плоских элементов сооружений с использованием программы SCAD: учеб. пособие / И.А. Константинов, В.В. Лалин, И.И. Лалина. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - 87 с

Размещено на Allbest.ru