So sánh tải trọng động và tĩnh trong kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD

Nội dung text: So sánh tải trọng động và tĩnh trong kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD

1. SO SÁNH TẢI TRỌNG ĐỘNG VÀ TĨNH TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TỪ THÍ NGHIỆM FWD Lê Anh Thắng, Trần Thị Thái Ngân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT: FWD là thiết bị đo độ võng động học kiểu tải trọng loại nhẹ dùng cho đường ôtô. Thí nghiệm FWD được sử dụng để kiểm tra đánh giá cường độ mặt đường và thiết kế kết cấu mặt đường. Tải trọng để thực hiện thí nghiệm là tải trọng động, nhưng khi phân tích dữ liệu thường sử dụng phương pháp phân tích tĩnh. Bài báo này sẽ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM để mô phỏng lại thí nghiệm FWD với tải trọng động và tĩnh, từ đó cho kết quả mô hình và so sánh 2 trường hợp với nhau. Từ khóa: Thí nghiệm đo độ võng (FWD), phần mềm ABAQUS, tải trọng động, tải trọng tĩnh, phần tử hữu hạn (PTHH). 1. GIỚI THIỆU: Bản chất của thí nghiệm FWD là phương dụng FEM xuất hiện rất nhiều và có mặt khắp pháp để đo đạc giá trị độ võng đàn hồi của toàn cầu, tùy vào mục đích, đối tượng sử mặt đường dưới tác dụng của tải trọng rơi để dụng và khả năng phát triển mà mỗi loại phần từ đó tính toán mô-đun lớp áo đường. Thiết bị mềm sẽ có tầm ứng dụng riêng. Trong đó, đo FWD là thiết bị đo độ võng động học kiểu ABAQUS là phần mềm khá mạnh và khả tải trọng loại nhẹ dùng cho đường ôtô . năng ứng dụng của phần mềm này là rất lớn. Mục đích thí nghiệm: dùng cho công tác Một số tính năng nổi bật của ABAQUS như kiểm tra đánh giá cường độ mặt đường để là : Có khả năng tính những bài toán tĩnh và thiết kế kết cấu mặt đường theo 22TCN tính toán động, có khả năng mô hình những 274:2001 hoặc theo AASHTO. dạng thay đổi phức tạp với vật rắn, cả mô Cho khối tải trọng Q rơi từ độ cao quy hình hai hoặc ba chiều, có thư viện phần tử định H xuống 1 tấm ép đường kính D, thông rộng lớn, có thể mô phỏng được va chạm qua bộ phận giảm chấn gây ra một xung lực động rất phức tạp giữa các vật rắn, có thư xác định tác dụng lên mặt đường. Biến dạng viện vật liệu tiến bộ,bao gồm một số như vật (độ võng) của mặt đường ở tâm tấm ép và ở rắn đàn hồi, vật xốp như bọt biển, bê tông, vật các vị trí cách tấm ép một khoảng cách quy liệu dẫn điện và nhiều loại khác, có khả năng định sẽ được các đầu cảm biến đo độ võng giả lập nhiều hiện tượng quan trọng như: dao ghi lại. Các số liệu đo được như là: xung lực động, khả năng tiếp xúc của lưu chất với lại tác dụng lên mặt đường thông qua tấm ép, áp kết cấu rắn, âm học, vấn đề bất ổn định, Vì lực tác dụng lên mặt đường (bằng giá trị xung lý do này mà ABAQUS được dùng nhiều lực chia cho diện tích tấm ép) độ võng mặt trong các ngành công nghiệp, cụ thể như đường ở các vị trí quy định (do các đầu cảm công nghiệp máy bay, ô tô, các công ty dầu biến đo ghi lại) là cơ sở để xác định cường độ khí, sản xuất linh kiện vi điện tử, và ngay cả kết cấu mặt đường. trong các dự án quan trọng của quốc gia và Tải để thực hiện thí nghiệm FWD là tải quân sự trọng động theo thời gian, nhưng để đơn giản 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH PTHH CHO hóa trong tính toán thì thường sử dụng KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: phương pháp phân tích tĩnh. Vì vậy, để thấy Mô hình kết cấu áo đường được xây dựng được sự khác nhau giữa động và tĩnh như thế dựa trên phần mềm ABAQUS. Với độ sâu từ nào trong tính toán thì ở bài báo này sẽ giải bề mặt đến mặt đáy là 9m. Giới hạn bên, bề kết quả mô hình và so sánh cho thấy được sự ngang của miền khảo sát là 5 m. Tấm ép tròn khác nhau đó. xoay của thí nghiệm FWD có bán kính là Phương pháp phần tử hữu hạn được sử 0,15 m. Chiều dày tấm ép bằng thép dày xấp dụng phổ biến trong bài toán cơ học, với xỉ 25 mm. Tải trọng rơi Q = 700 kPa. Sử FEM có thể giải quyết rất nhiều bài toán dụng mô hình đối xứng trục với trục đối xứng kỹ thuật thực tế. Hiện nay phần mềm ứng đi qua trọng tâm tấm ép. Nhiệt độ mặt đường thí nghiệm 42,50C.
2. Cạnh dưới được giả định là không có trục với trục đối xứng đi qua trọng tâm tấm chuyển vị thẳng đứng vì nó nằm phía dưới ép. Với thông số lớp áo đường theo bảng 1. của khu vực chịu ảnh hưởng của tải trọng. Bảng 1: Thông số các lớp: Hai cạnh bên,một cạnh là trục đối xứng, cạnh còn lại hạn chế chuyển vị theo phương Chiều Khối Mô- Hệ ngang, cho phép chuyển vị theo phương Các lớp dày lượng đun số thẳng đứng. Lưới được chia dày ở khu vực gần vị trí (m) (kg/m3) (MPa) ν gia tải, kích thước phần tử là 10mm xa vị trí gia tải lưới được chia thưa hơn, kích thước BT nhựa 0,15 2300 1000 0,35 phần tử là 15mm. CPĐD 0,25 2000 200 0,35 Tải trọng tĩnh với Q là hằng số. Q = 700 kPa Tải thời gian đối với trường hợp lý thuyết Nền ∞ 1500 100 0,35 động được thực hiện là 0,06 s, là đặc trưng cho tải thời gian cho thiết bị FWD. Mô phỏng 2.2 Kết quả mô hình và nhận xét: của tải trọng động được thực hiện bằng cách sử dụng nửa sóng hình sin: Q = 700sin(πt/Tp). Thời gian tải dao động là bắt đầu từ 0 s đến 0,025 s. Tại 0,0125 s là đạt được tải trọng cao nhất Q = 700 kPa. Từ 0,025 s đến 0,06 s là ngừng gia tải. Tải trọng theo thời gian được thể hiện ở Hình 2.1 Hình 2.1: So sánh kết quả độ võng mô hình Dựa vào kết quả so sánh từ biểu đồ có thể tính được sai số độ võng giữa mô hình giải bằng phần mềm ABAQUS và mô hình của Hình 2.1: Tải trọng động theo thời gian Rambod Hadidi là 7%. Sai số không quá lớn. Sau khi đã xây dựng xong các bước thiết Nên có thể sử dụng cách mô hình tải trọng lập mô hình trong ABAQUS. Tiến hành cho động bằng phần mềm ABAQUS như trên để ABAQUS chạy mô hình rồi xuất kết quả độ mô hình cho bước tính mô hình thực nghiệm võng. tiếp theo. 2.1 Kiểm chứng mô hình: 3. BÀI TOÁN KHẢO SÁT: Để kiểm chứng cách thiết lập mô hình là Bài toán khảo sát là một kết cấu mặt đúng, ở đây sẽ giải một bài toán khảo sát có đường QL, cấp cao A1 với 7 sensor D0, D1, yếu tố tải trọng động để từ đó so sánh bài D2, D3, D4, D5, D6 với khoảng cách từ toán. sensor đến tâm tấm ép lần lượt là 0, 200, 300, Với bài toán động mô hình kết cấu áo 450, 600, 900, 1200 mm tương ứng với các đường như hình 4.1[3]. Độ sâu từ bề mặt đến giá trị độ võng đo tương ứng là 0,043; 0,031; mặt đáy là 10 m. Giới hạn bên,bề ngang của 0,025; 0,018; 0,014; 0,009 và 0,0076 cm. miền khảo sát, là 10 m. Tấm ép tròn xoay của Với các số liệu các lớp áo đường theo Bảng 2 máy FWD có bán kính là 0,15 m. Chiều dày tấm ép bằng thép dày xấp xỉ 25 mm. Tải trọng rơi Q = 700 kPa. Q được mô phỏng là tải trọng động. Sử dụng mô hình đối xứng
3. Bảng 2: Thông số các lớp 4.2 Tải trọng động: Khối Chiều Mô-đun Hệ số Các lớp lượng dày (MPa) ν (kg/m3) (mm) BT nhựa mịn 2300 50 1798 0,35 BT nhựa trung 2300 70 3508 0,35 CPĐD loại I 2000 180 295 0,4 CPĐD loại II 2000 400 233 0,4 Nền 1500 ∞ 145 0,45 4. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH: 4.1 Tải trọng tĩnh: Hình 4.2: Độ võng tải trọng động Cũng như tải trọng tĩnh, sau khi giải mô hình tải trọng động bằng phần mềm ABAQUS thu được được giá trị độ võng. Hình 4.2. là biểu đồ chậu võng hình bát với tải trọng động theo thời gian. Mỗi chậu võng hình bát là mỗi giá trị đo độ võng theo thời gian tương ứng với mỗi điểm sensor là 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200 mm. Tại mỗi chậu võng hình bát lấy giá trị độ võng lớn nhất tại mỗi chậu võng để được độ võng đo tại các điểm sensor tương ứng (Hình 4.3). Hình 4.1: Độ võng tải trọng tĩnh Hình 4.1 là biểu đồ so sánh giá trị độ võng giải được mô hình bằng phần mềm ABAQUS có với tải trọng tĩnh tương ứng tại các điểm sensor là 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200 mm và giá trị độ võng thực đo. Sai số giữa giá trị độ võng thực đo và giá trị độ võng tải trọng tĩnh giải bằng phần mềm là 15%. Sai số mô hình là khá lớn. Hình 4.3: Độ võng tải trọng động Với tải trọng động các giá trị độ võng thu được từ mô hình giải bằng phần mềm gần sát với giá trị độ võng thực đo. Sai số của trường hợp này là rất nhỏ, 2%. Như vậy, với trường hợp tải trọng động thì sai số độ võng là rất nhỏ so với trường hợp tải trọng tĩnh khi giải bằng phần mềm để so sánh với giá trị độ võng thực đo.
4. 5 KẾT LUẬN: So sánh kết quả của 2 mô hình thí nghiệm FWD bằng tải trọng động và tải trọng tĩnh thì với mô hình tải trọng động cho kết quả gần với giá trị thực đo hơn, sai số là 2%. Như vậy, để tính toán và mô hình thí nghiệm FWD nên sử dụng tải trọng động sẽ cho kết quả gần chính xác nhất. Thông qua mô hình ABAQUS có thể mô phỏng gần đúng với thí nghiệm FWD thực, kết quả mô hình cho thấy được sai số độ võng không quá lớn giữa mô hình giả lập bằng ABAQUS và số liệu FWD thực đo. Ngoài ra, có thể dùng FEM để mô hình thí nghiệm FWD để đánh giá tình trạng của một kết cấu áo đường. Tài liệu tham khảo: [1]. Stefan A. Romanoschi and John B. Metcalf, Errors in Pavement Layer Mô-đun Backcalculation due to Improper Modeling of the Layer Interface Condition, 11 – 2002. [2]. James W. MAINA, Hiroshi YOKOTA and Kunihito MATSUI, Effect of errors in layer thickness on backcalculated layer mô-đun, pp 49 – 56, 1998. [3]. Rambod Hadidi, P.E A.M.ASCE; and Nenad Gucunski, Comparative Study of Static and Dynamic Falling Weight Deflectometer Back Calculations Using Probabilistic Approach, Journal of transportation engineering asce/ march 2010
5. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.