CC BY
54
УДК 625.768.5
ВИКОРИСТАННЯ МЕТОДІВ ВІБРОАНАЛІЗУ ДЛЯ ОЦІНКИ МІЦНОСТІ ДОРОЖНЬОЇ КОНСТРУКЦІЇ
І.В. Кияшко, доцент, к.т.н., Д.М. Новаковський, інженер, ХНАДУ
Анотація. Проаналізовані основні показники дорожньої конструкції, що характеризують її міцність за динамічними властивостями. Розроблена схема врахування факторів, що впливають на розповсюдження коливань в дорожній конструкції, для оцінки їх міцності методом вібродіагностики. Обґрунтована необхідність використання нових підходів та сучасних приладів для розвитку та вдосконалення методів віброаналізу.
Ключові слова: міцність дорожньої конструкції, динамічний модуль пружності, вібродіагностика, параметри розповсюдження коливань.
Вступ
Діагностика автомобільних доріг є основою системи управління їх станом. Ціль діагностики і оцінки стану доріг полягає в отриманні повної, достовірної інформації про їх транспортно-експлуатаційний стан, умови роботи, а також рівень відповідності фактичних споживчих
властивостей доріг, їх параметрів та характеристик, вимогам автомобільного руху.
Основний параметр, за яким оцінюється
фактичний транспортно-експлуатаційний стан автомобільних доріг, це міцність дорожньої конструкції. Міцність дорожньої конструкції - це її несуча здатність. Тобто здатність протягом нормативного часу, під дією кліматичних факторів, без руйнувань витримувати навантаження від проїзду транспортних засобів. На даний момент конструкції існуючих
автомобільних доріг прийнято оцінювати еквівалентним (фактичним) модулем пружності. Серед практичних методів визначення модуля пружності існуючих конструкцій прийняті
методи знаходження статичного прогину та методи навантаження падаючим вантажем, результати модуля пружності за якими приводяться до статичного. Але як показали проведені дослідження [1], для достовірного відображення міцності дорожньої конструкції недостатньо лише значень статичного модуля пружності, визначеного через величину прогину дорожньої конст-рукції.
Однією з основних вимог до методів випробувань дорожньої конструкції є необхідність відтворення реальних умов експлуатації при проведенні вимірювань. Але майже всі з існуючих методів визначення статичного прогину та методів
навантаження падаючим вантажем не
відповідають цим вимогам. Методи визначення статичного прогину ґрунтуються на закономірностях поведінки дорожніх конструкцій при статичних навантаженнях, в той час як в реальних умовах домінуючими є короткочасні імпульсивні навантаження. Незважаючи на те, що величини напружень та деформацій при
імпульсивних навантаженнях поступаються за абсолютною величиною аналогічним показникам при статичному навантаженні, короткочасна дія коліс автомобілів, за певних умов, може викликати порушення в структурі матеріалу шарів та ґрунтової основи. Динамічні методи, в свою чергу, не відтворюють реальні умови роботи конструкції під дією рухомого
навантаження, моделюючи в більшій мірі ударне навантаження.
Аналіз публікацій
Динамічну дію транспортних засобів на дорожню конструкцію почали досліджувати ще з двадцятих років минулого сторіччя. Цім питанням займались такі вчені як О.К. Біруля, Г.І. Глушков, Н.Н. Іванов, А.А. Іноземцев,
В.А. Любченко, Р. Аріано, Г.Баум, В. Гейкелом та багато інших, але деякі з розроблених ними положень стосовно динамічних властивостей покриттів автомобільних доріг не знайшли відображення в сучасних методах випробувань. Однією з причин такого нехтування була відсутність, до недавнього часу, достатньо чутливих засобів вимірювання та складності в обробці результатів вимірювань.
Одним з напрямків підвищення достовірності даних по міцності дорожньої конструкції є введення додаткових показників для
характеризування її динамічних властивостей. Необхідність введення таких показників виникає в першу чергу на ділянках невідповідності значень розрахункового модуля пружності фактичному стану покриття. Можливість використання таких показників дозволить більш детально характеризувати несучу здатність покриття та більш достовірно встановити причини руйнувань.
Імпульсивні навантаження, ініційовані коливаннями та поштовхами від переміщень неврівноважених мас в кінетичній схемі автотранспортного засобу, викликають хвильові процеси та коливання в дорожній конструкції. Відомо, що при короткочасних навантаженнях (час дії порядку 0,01-0,1 сек.) конструкції нежорстких дорожніх одягів працюють в пружно-в'язкій стадії деформування. В силу лінійного зв'язку між деформаціями та напруженнями, в конструкції будуть розповсюджуватися пружні хвилі. Можуть розповсюджуватися три основні види хвиль [2]:
- поздовжні хвилі (стиску або розширення);
- поперечні (зсуву);
- поверхневі хвилі (Релея).
Найбільш важливими, з практичної точки зору, є повздовжні хвилі стиску, що викликані вертикальною складовою навантаження на дорожній одяг. Цей вид хвиль викликає найбільші за величиною деформації та напруження, та має найбільшу швидкість розповсюдження [3]
V > V > Уя, (1)
де Ус - швидкість розповсюдження повздовжніх хвиль стиску або розширення; Уь - швидкість розповсюдження поперечних хвиль зсуву; Уя -швидкість розповсюдження поверхневих хвиль.
Швидкість розповсюдження повздовжніх хвиль в 2 рази більше швидкості розповсюдження поперечних та в 2,2 рази більше швидкості
розповсюдження поверхневих хвиль [3].
Додаткових досліджень потребують процеси модулювання хвиль та умови утворення резонансів.
Одними з основних показників дорожньої конструкції, що характеризують її динамічні властивості та міцність, є основні частоти та періоди власних коливань [4]. Серед параметрів, що характеризують міцність покриття, може бути використана швидкість затухання коливань покриття [5]. З віддаленням від місця прикладення імпульсу зменшується швидкість розповсюдження поверхневих хвиль, їх
прискорення та амплітуда. В проведених
дослідженнях затухання коливань проходило
обернено пропорційно віддаленню від місця прикладення імпульсу, причому закон затухання коливань помітно не змінювався від збільшення величини динамічного навантаження.
Крім того використання динамічних показників дозволить враховувати реологічні властивості покриттів, що характеризують зміну навантажено-деформованого стану конструкції у часі. Реологічні властивості покриттів мають вирішальне значення при їх роботі під дією реальних імпульсних навантажень тому, що міцність одних і тих самих конструкцій може відрізнятися при імпульсивному та статичному навантаженні, оскільки матеріали нежорстких дорожніх одягів та ґрунти основи мають пружно-пластичні властивості.
Керуючись даними проведених досліджень [6] встановлено, що не існує чіткої кореляційної залежності між динамічним та статичним модулем пружності, оскільки осадки при динамічному навантаженні залежать від в'язких, пружних та інерційних властивостей дорожнього одягу. Таким чином описані динамічні показники не охоплюють весь спектр міцностних властивостей дорожньої конструкції, тому вони мають бути використані в сукупності з даними прогину покриття.
Ціль і постановка задачі
Вдосконалення та теоретичне обґрунтування експериментальних методів, що дозволяють в реальних умовах вивчати параметри розповсюдження коливань, що виникають під дією автомобільного руху в дорожній конструкції та прилягаючому ґрунті, є актуальною задачею.
Реалізація задачі
Для реалізації оцінки міцності дорожніх конструкцій методом вібродіагностики необхідно враховувати ряд взаємозв’язаних факторів, що можна розділити на декілька основних груп: кліматичні фактори, стан та властивості дорожньої конструкції, умови руху транспортних засобів (рис. 1).
Теоретичні дослідження процесів генерації коливань в системі „дорожня конструкція -ґрунт” ускладнені необхідністю рішення складних крайових задач механіки суцільних середовищ в просторовій постановці з урахуванням виділених груп факторів. Під дією рухомого навантаження, що розподілене по поверхні середовища по кінцевій області, в ґрунті збуджується система внутрішніх (повздовжніх та поперечних) та поверхневих (Релеєвих) хвиль. Відносно низькочастотний спектр генеруємих нестандартних коливань визначає достатньо велику довжину поверхневих хвиль, що робить
практично неможливим коректне використання прямих чисельних методів [7].
Реалізація поставленої цілі можлива через адаптацію механіко-математичної моделі розповсюдження коливань до реальної системи „дорожня конструкція - ґрунт” на основі аналізу
та порівняння розрахункових даних з результатами натур-ного експерименту. При проведенні польових випробувань передбачається враховувати та аналізувати:
- величину та час дії транспортного
навантаження а також частоту її прикладення;
Рис. 1. Схема врахування факторів, що впливають на параметри розповсюдження коливань в дорожній конструкції
- фізико-механічні властивості матеріалів та ґрунтів, та товщину шарів дорожнього одягу;
- величини переміщення, швидкості та прискорення розповсюдження коливань в дорожній конструкції.
Висновок
Розвиток та вдосконалення методів віброаналізу для оцінки міцності дорожньої конструкції потребує нових підходів в теоретичних дослідженнях, а також наявності сучасних приладів, що дозволяють визначати щільність, вологість, товщину шарів і ґрунту дорожньої конструкції без її руйнування (георадари) для вимірювання параметрів розповсюдження коливань в дорожній конструкції необхідна наявність високоточного приладу реєстрації виникаючих вібрацій (віброметр).
Література
1. Кіяшко І.В., Новаковський Д.М. Вдосконалення методів визначення міцностних характеристик дорожнього одягу // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво / Сб. наук. пр. - К.: Вид-во НТУ. - 2004. - Вип. 70. -
С. 12-16.
2. Баркан Д.Д. Динамика оснований и фундаментов. - М.: Стройвоенмориздат, 1948. - 410 с.
3. Защук И.В. Новые методы испытания дорож-
ных материалов без разрушения. - М.: Авто-трансиздат, 1962. - 248 с.
4. Quinn Bavard E., Thomson David R. Effect of
Pavement Condition on Dynamic Vehicle Reactions // Highway Research Board Bulletin, -№328. - 1962.
5. Исследования методов расчёта толщины
дорожных покрытий // Труды ДОРНИИ / Выпуск I. - М.: Изд. Гушосдора, 1932.
6. Стелюк Л.П., Анфимов В.А., Чайка А.Т. Экс-
ресс-методы определения прочности дорожных одежд / Харьков: Харьковское областное правление НТО автомобильного транспорта и дорожного хозяйства, 1981. -24 с.
7. Илиополов С.К., Селезнёв М.Г., Суворов А.Б.,
Углов Е.В. Исследование динамических характеристик дорожных конструкций // Наука и техника в дорожной отрасли. - Вып. 1.
- 2002. - С.9-11.
8. Любченко В.А. Исследование взаимодействия
нежестких дорожных одежд с импульсивными нагрузками: Дисс. на соискание учёной степени к.т.н.- Харьков, 1968. - 295 с.
Рецензент: ВБ. філіппов, професор, д.т.н., Стаття надійшла до редакції 14 січня ХНАДу. 2005 р.
