Конструювання та розрахунок багатошарового нагрівного дорожнього одягу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструювання та розрахунок багатошарового нагрівного дорожнього одягу

Володько О.В.

Дорожній одяг являє собою шарувату систему, яка складається з різних за функціональним призначенням конструктивних шарів. Важливою задачею конструювання є вибір матеріалу та розміщення шарів таким чином, щоб, використовуючи їх теплофізичні та механічні властивості, забезпечувалась міцність, економічність та безпечність експлуатації конструкції одягу[1].

Розрахунок дорожніх одягів виконують різними методами в залежності від їх віднесення до класу нежорстких або жорстких систем [2,3]. Методи розрахунку та оцінки напруженого стану одягу як одношарової, так і багатошарової пружньої конструкції розробили А.К. Біруля, М.І. Горбунов-Посадов, Н.Н. Іванов, М.Б. Корсунський, Вестергард, І.А.Мєдніков, О.Є. Шехтер, Б.Г. Коренєв, А.К. Приварніков, Б.С. Радовський, В.В. Мозговий, В.Г. Піскунов, О.О. Рассказов, В.С. Сіпетов, О.В. Марчук та інші вчені.

Розширення досліджень в даному напрямку з врахуванням теплового стану нагрівних шарів дорожнього одягу дають можливість розрахувати термо-напружений стан сконструйованих тим чи іншим шляхом нагрівних одягів автомобільних доріг. Такі конструкції проектують для створення безпечних умов руху автомобільного транспорту в зимових умовах експлуатації як метод боротьби зі слизькістю та ожеледицею .

Існуючі нагрівні конструкції дорожнього одягу мають низку недоліків. Так, конструкція нагрівного покриття дорожнього одягу [4] у вигляді непровідної сітчастої структури, крізь ребра жорсткості якої протягнуті струмопровідні нагрівні елементи у вигляді сталевої стрічки, досить складна по технології монтажу і має низьку ремонтопридатність.

Значним недоліком технічного рішення нагрівного покриття системи „Теплодор”, яке виконано у вигляді броньованих електричних кабелів, розміщених у бетонній стяжці, є також низька ремонтопридатність та нераціональне використання теплової енергії, яка одночасно поглинається як верхнім шаром, так і нижче розташованими шарами, у тому числі й ґрунтовою основою.

Ефективним методом нагріву дорожнього одягу є застосування спеціального електропровідного композитного матеріалу на основі бетонної матриці, армованої вуглецевими волокнами - фібрами, так званого „фібробетелу”[5]. Такий матеріал [6], розроблений з участю автора, і був використаний для створення поверхневих нагрівних шарів жорсткого дорожнього одягу.

Із застосуванням фібробетелу сконструйовано чотирьохшаровий пакет нагрівних шарів, який накриває жорстку цементобетонну несучу плиту (рис.1). Шар фібробетелу розташовується під поверхневим шаром асфальтобетонного покриття, який підлягає нагріву. Електричний струм підводиться на вуглецеву електропровідну сітку, яка підстилає шар фібробетелу. Під сіткою для ізоляції від нагріву основної несучої конструкції покриття розташовано шар термоізоляції .

Рис.1. Конструкція сконструйованого пакету дорожнього одягу:

1- асфальтобетон, h=0,06м, Е=0,2 •104 МПа, = 0,25; 2- фібробетел, h=0,05м, Е=0,21 •104 МПа, = 0,25; 3- сітка з вуглецевих волокон,

h =0,005м, Е=0,2•104 МПа, = 0,25; 4- термоізоляція, h=0,03м,Е=12 МПа, = 0,25; 5- цементобетонна плита Р20,h =0,24м, Е=2• 104 МПа, = 0,15; 6-пружня основа, Е0=150 МПа, = 0,2.

Тепловим розрахунком верхніх нагрівних шарів одягу встановлена можливість забезпечити на його поверхні додатної температури t = +(2-3)0С при температурі зовнішнього середовища ?20 0С (рис.2).

Рис 2. Температурний режим верхніх нагрівних шарів конструкції

Міцність сконструйованого підігрівного дорожнього одягу визначалася за методом О.Я. Шехтер, модифікованим для розрахунку багатошарового покриття, яке розглядається як багатошарова плита на пружній основі з використанням моделі пружнього однорідного напівпростору. Тиск на поверхню одягу від штампу з діаметром d=0,32м становить q=0,8 МПа.

Положення нейтральної поверхні відносно верхньої площини визначено за формулами

; (1)

де: відстані від верхньої площини до серединної площини шару к, м.

Циліндрична жорсткість пакету шарів одягу визначається формулою

, (2)

де: ; - циліндричні жорсткості шарів, МН•м;

- жорсткості шарів на розтяг, МН/м;

Ск - координата серединної площини шару к відносно нейтральної поверхні, м.

Нейтральна поверхня розташована в шарі 5 на відстані 0,2549м від поверхні одягу.

Отримані результати представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

З метою модифікації методу О.Я.Шехтер для розрахунку багатошарового одягу представимо жорсткість пакету шарів узагальненою формулою

(3)

де : h - загальна товщина одягу, м.

З формули (3) можна визначити зведену характеристику пружності пакету шарів

(4)

дорожній одяг нагрівний покриття

Отже, при загальній товщині пакету h=0,385м вказана характеристика дорівнює 7162,68МПа.

Розрахунковий момент при згині визначається за формулою

(5)

де: Р=0,0633МН - розрахункове навантаження на колесо автомобіля;

R=0,16м - радіус круга, що дорівнює по площині сліду колеса розрахункового автомобіля;

пружня характеристика плити -

,

(т.220 [8])

При отриманому з (5) розрахунковому моменті МН напруження по товщині дорожнього одягу визначалося за формулою

(6)

де : , - модуль пружності та коефіцієнт Пуассона шару к;

- відстань від нейтральної поверхні до верхньої та нижньої поверхонь шару к (табл.1).

По О.Я.Шехтер максимальні напруження на нижній поверхні плити складають МПа. Розрахунковий опір на розтяг бетону класу Р20 становить МПа.

Отже, міцність дорожнього одягу забезпечена .

Для порівняння розв'яжемо цю ж задачу методом скінченних різниць[8]. Дорожній одяг за даною методикою розглядається як багатошарова плита на пружній основі, деформативні властивості якої враховуються моделлю Вінклера з коефіцієнтом постілі К=150МПа/м.

Оскільки діаметр штампу від колеса розрахункового автомобіля досить малий( d=0,32 м) у порівнянні з розмірами плити, тому, фактично, задача зводиться до розрахунку плити великих (нескінченних) розмірів за вісесиметричною схемою (рис.3).

Рис.3. Розрахункова схема сітки

Для визначення прогинів плити (Wi) згідно розрахункової схеми, була сформована і розв'язана система скінченно-різницевих рівнянь.

По отриманим значенням прогинів розраховані напруження по товщині дорожнього одягу під центром сліду колеса, значення яких зведені в таблицю 2 для порівняння з результатами, отриманими за методом Шехтер.

Таблиця 2

Зважаючи на нескорельованість застосованих методів слід вважати, що наведені результати в достатній мірі підтверджують їх достовірність.

Епюра напружень по товщині дорожнього одягу під центром сліду колеса зображена на рис.3.

Рис.4. Епюра напружень (, МПа) по товщині дорожнього одягу

1- асфальтобетон; 2- фібробетел,; 3- сітка з вуглецевих волокон;

4- термоізоляція; 5- цементобетонна плита; 6- пружня основа

Висновок

Наведені результати засвідчують ефективність застосування запропонованої конструкції нагрівного дорожнього одягу та методу його розрахунку.

Література

1. ДБН В.2.3.-4:2007. Автомобільні дороги. -К.: Мінрегіонбуд України, 2007 - 91с.

2. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд. Под ред. Н.Н.Иванова. - М:Транспорт, 1973. - 328с.

3. Левицкий Е.Ф., Чернигов В.А. Бетонные покрытия автомобильных дорог. - М., Транспорт, 1980. - 288с.

4. И.Ж. Хусаинов, Д.В. Долгов, Е.С. Пшеничникова. Патент RU 2 280 727 C1 Противогололедное покрытие и дорожная конструкция, Опубл. 27.06.2006 г., бюл.№21.

5. В.Г. Пискунов, О.В.Володько, А.И. Порхунов. Композитные материалы для строительства подогреваемых покритий дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов.: Рига „Механика комозитных материалов”, 2008, Т44, №3, с.317-326.

6. В.Г. Піскунов, О.В. Володько, А.И. Порхунов. Патент на корисну модель №39376 Н01С7/00. Резистивний композитний матеріал. Опубл.25.02.2009р., бюл. №4.

7. Справочник інженера-дорожника. Под ред. А.К.Бируля. - М., Автотрансиздат, 1958. - 439с.

8. В.Г. Пискунов, В.В. Вериженко. Линейные и нелинейные задачи расчета слоистых конструкций: Киев «Будівельник», 1986, с. 150-152.

Размещено на Allbest.ru