Δυναμική Απόκριση Τρισδιάστατων Εύκαμπτων Οδοστρωμάτων Σε Κινούμενα Οχήματα Με Μέθοδο Πεπερασμένων Στοιχείων

Abstract

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μία ολοκληρωμένη μεθοδολογία για τον προσδιορισμό της δυναμικής απόκρισης τρισδιάστατων εύκαμπτων οδοστρωμάτων σε κινούμενα με σταθερή ταχύτητα οχήματα. Η ανάλυση πραγματοποιείται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων στο πεδίο του χρόνου μέσα στο πλαίσιο του εμπορικού προγράμματος ANSYS.Ο πεπερασμένος χώρος της κατασκευής του οδοστρώματος καθορίζεται από τέσσερα επίπεδα με ιξωδοελαστικούς απορροφητήρες ή απλές κυλίσεις, την οριζόντια επιφάνεια του οδοστρώματος και το επίπεδο συμμετρίας που διέρχεται από τον άξονα της οδού. Η διακριτοποίηση του χώρου αυτού γίνεται με ορθογώνια παραλληλεπίπεδα στοιχεία. Τα κινούμενα φορτία (τροχοί) του οχήματος προσομοιώνονται με τον καθορισμό τιμών φορτίου συναρτήσει του χρόνου σε όλους τους κόμβους της επιφάνειας κατά μήκος του άξονα κίνησης του οχήματος, οι οποίες ενεργοποιούνται στο χρόνο που χρειάζεται κάθε φορτίο να διανύσει την απόσταση από την αρχή της κίνησης μέχρι τον κάθε κόμβο του άξονα. Μελετώνται τόσο συγκεντρωμένα όσο και διανεμημένα κινούμενα φορτία. Αρχικά γίνεται η υπόθεση ότι το οδόστρωμα αποτελείται από ομογενές γραμμικά ελαστικό υλικό για το οποίο υπάρχουν αναλυτικές λύσεις για συγκεντρωμένο και διανεμημένο κινούμενο φορτίο. Έτσι είναι δυνατόν μέσω μελετών σύγκρισης και σύγκλισης να προσδιορισθεί εκείνος ο χώρος, εκείνη η διακριτοποίησή του, εκείνο το είδος συνοριακών συνθηκών και εκείνο το χρονικό βήμα ολοκλήρωσης των εξισώσεων κίνησης, ώστε να επιτευχθεί απόκριση αποδεκτού λάθους με λογικό υπολογιστικό φορτίο. Αυτές οι μελέτες σύγκρισης και σύγκλισης επαναλαμβάνονται και στην περίπτωση οδοστρωμάτων που αποτελούνται από τρεις ελαστικές στρώσεις και διατυπώνονται τελικές υποδείξεις για την βέλτιστη εφαρμογή της μεθόδου.Ακολούθως προσδιορίζεται η απόκριση οδοστρώματος αποτελούμενου από τρεις ή περισσότερες στρώσεις με ανελαστική συμπεριφορά υλικού σε κινούμενο διανεμημένο φορτίο με διάφορες ταχύτητες. Εξετάζονται οι περιπτώσεις η επιφανειακή στρώση να είναι ελαστική ή ιξωδοελαστική ή ιξωδοπλαστική και οι υπόλοιπες στρώσεις ελαστικές ή ελαστοπλαστικές τύπου Drucker-Prager με επιφάνεια διαρροής κωνικής μορφής. Η απόκριση περιλαμβάνει κυρίως την κατακόρυφη μετατόπιση στην επιφάνεια της ασφαλτικής στρώσης και τάσεις και παραμορφώσεις στην κάτω επιφάνεια της ασφαλτικής στρώσης και στην άνω επιφάνεια της στρώσης του υπεδάφους, που είναι απαραίτητες για σχεδιαστικούς σκοπούς. Γίνονται συγκρίσεις με άλλες αριθμητικές λύσεις και με πειραματικά αποτελέσματα πεδίου και αποδεικνύεται ότι η ανωτέρω μεθοδολογία είναι ικανή να προσεγγίσει με ικανοποιητική ακρίβεια την πραγματικότητα. Εκτελούνται επίσης διάφορες παραμετρικές μελέτες και βρίσκεται ότι οι μέγιστες τιμές της ανελαστικής απόκρισης μειώνονται με αύξηση της ταχύτητας σε συμφωνία με το πείραμα και σε αντιδιαστολή με την περίπτωση που όλες οι στρώσεις είναι ελαστικές για την οποία συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο. Επί πλέον παρατηρείται ότι οι μέγιστες τιμές της ανελαστικής απόκρισης είναι πάντα μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες τιμές της περίπτωσης για την οποία όλες οι στρώσεις είναι ελαστικές. Τέλος, η αναπτυχθείσα μεθοδολογία εφαρμόζεται στη δημιουργία εμπειρικών σχέσεων κόπωσης ασφαλτικού υλικού οδοστρωμάτων με τη βοήθεια υπαρχουσών μετρήσεων σε εύκαμπτα οδοστρώματα.