WP1 POZEMNÍ KOMUNIKACE – INTELIGENTNÍ A TRVANLIVÁ TECHNOLOGICKÁ ŘEŠENÍ S VYSOKOUTECHNICKOU ÚČINNOSTÍ

1.4 Návrhy vozovek s využitím probabilistických predikčních modelů a parametrů užitného chování1.4.2 Rozvoj, nastavení a validace nástrojů simulace degradačního chování, pokročilé degradační modely

Tento výsledek byl vytvořen s finanční podporou programu Centra kompetence TA ČR, projekt č.TE01020168 2015

ÚNAVOVÁ ANALÝZA CEMENTOBETONOVÉHO KRYTU VOZOVEK PKZpracovali: Ing. Petr Pánek, Ph.D., doc. Ing. Ludvík Vébr, CSc. (Fakulta stavební ČVUT v Praze)

SouhrnSoučasné návrhové metody pro cementobetonovévozovky u nás i ve světě obsahují několiknedostatků, které výrazně ovlivňují celkovoupredikovanou životnost vozovky. Mezi tytonedostatky patří uvažování lineárních průběhůteplotních gradientů po tloušťce desky a předpokladlineárního průběhu nárůstu poškození. Současnémetody předpokládají hromadění únavových trhlinpouze směrem od horního povrchu CB desky.Novější studie [1] prokazují významný vliv vzniku ahromadění únavových trhlin na spodním okrajidesky a jejich vliv na celkovou životnost. Moderníanalýzy této problematiky probíhají ve 3D MKPprogramech kvůli možnosti zohlednění většiny vlivůa s ohledem k realističtějšímu (prostorovému)chování modelované CB desky.

Oblast použitíFinálním cílem tohoto výzkumu je zjistit a conejpřesněji implementovat významné a doposudzanedbávané faktory (lépe modelovat proměnnýprůběh teplotního zatížení v kombinaci s cyklickýmkolovým zatížením, definovat okrajové podmínky,podloží, kontakt na styku vrstev, podmínky přivzniku CB desky a výztužné prvky) a hlavnědefinovat vhodný degradační materiálový model procementobetonový kryt vozovek pozemníchkomunikací (PK). Výsledný model následně pomůželépe predikovat chování tuhé CB vozovky a jehovyužití se předpokládá u návrhu CB vozovekvýznamných PK a při určování jejich zbytkovéživotnosti.

Metodika a postup řešeníV předcházejícím období byla zkoumána celá řadazahraničních studií, např. [2], [3] a mnoho dalších,které se zabývají problematikou degradačníchmodelů vozovek. Již samotné modelování některýchfaktorů (teplotní zatížení, vlhkost, materiálovévlastnosti, kolové zatížení) je ze své podstaty vysocekomplikované (časová proměnlivost, proměnlivostpolohy a velikosti zatížení). Pro výpočetní analýzuje třeba nejprve specifikovat určitá zjednodušení améně významné faktory vyloučit. Z hlediska

predikce životnosti CB krytu vozovek také přicházído úvahy různé negativní vlivy, které ji snižují.Jedná se např. o tzv. expanzivní reakce (alkalicko-křemičité, síranové), degradace krytu vlivempůsobení chemických látek a dále např. nekvalitnípodkladní systém (vznik tzv. pumpování desek).Některé tyto vlivy je možno omezit při dodrženítechnologických postupů a využití kvalitníchmateriálů. Únavové chování CB krytu je nejvícezávislé na velikosti a četnosti tahových napětívznikajících v různých místech CB desky a tohlavně od teplotních a kolových zatížení. Dále jezávislé na vlastnostech materiálů CB. Obsahvlhkosti a její rozložení v CB desce také ovlivňujejejí výslednou únavovou odolnost. Vliv vlhkosti nenívzhledem ke složitosti modelování součástí tohotovýzkumu. V dalších fázích výzkumu by mu měla býtnicméně věnována pozornost. Kolové zatížení odrůzných těžkých nákladních vozidel se dáaproximovat tzv. návrhovou nápravou a přeskontaktní plochu a velikost dotykového tlaku umístitdo polohy na CB desce. Při řešení únavové analýzyje nutné zavést toto zatížení jako časově proměnné aalespoň jako cyklické (ve skutečnosti má dynamickésložky, nerovnoměrné rozložení tlaku na kontaktníploše). Teplotní zatížení je vysoce komplikovanýmjevem, který je ve většině stávajících metoduvažován nepřesně. Teplotní zatížení je časověproměnné během dne i roku a má nelineární průběhpo tloušťce desky (obr. 1). V návrhové metodě TP170 [4] je uvažován lineární kladný gradient.Prakticky je nemožné namodelovat přesně tentoproměnný zatěžovací stav na dobu v řádech let.Proto je nutné stanovit charakteristické kladné izáporné teplotní gradienty, které vystihnou průběh vurčitém období.

Obr. 1 Teplotní gradienty po tloušťce CB desky [1].

Vzájemná kombinace kolového a teplotního zatíženíje při analýze naprosto zásadní. Při různýchteplotních gradientech v CB desce působí kolové

Tento výsledek byl vytvořen s finanční podporou programu Centra kompetence TA ČR, projekt č.TE01020168 2015

zatížení, v závislosti na své aktuální poloze, buďv součinnosti, nebo proti teplotnímu namáhání(obr. 2). Při kladném teplotním gradientu a polozekolového zatížení v polovině podélné hrany deskydosahují tahová napětí svého maxima. Naopak přizáporném teplotním gradientu vznikají největšítahová napětí na horním povrchu při umístění kolv blízkosti příčné spáry. Díky současnému působeníobou zatížení, můžeme lokalizovat místa CB desky,ve kterých nejčastěji vznikají největší tahová napětí,a kde se předpokládá hromadění únavových trhlin(„dílčích poškození“).

Obr. 2 Negativní (a) a pozitivní teplotní gradient (b),vzniklá napětí a odpovídající poloha kolového zatížení [1]

Správné by bylo uvažovat všechny vzniklé teplotnígradienty v různých obdobích během roku a dne vkombinaci s pohyblivým kolovým zatížením.Zjednodušením je uvažování jen nejvýznamnějšíchkombinací zatížení. V praxi jsou často pozoroványpříčné trhliny v polovině CB desky (obr. 3), av blízkosti příčných spár. To by odpovídalo nejvícenamáhaným místům (viz předchozí). Další častouporuchou je lámání rohů vlivem špatného podepřenía tzv. pumpování desek. Tento únavový jev nenív rámci tohoto výzkumu řešen.

Obr. 3 Různé průběhy trhlin v CB krytu [1].

Vhodný materiálový degradační model pro CB krytmusí umožnit hromadění dílčích poškození, kterájsou závislá na četnosti a velikosti tahových napětívznikajících v CB desce. Byla vyvinuta řada postupůa únavových rovnic, které na základě experimentůprováděných na trámečcích prokazují nelineárnízávislost hromadění tahových poškození v čase.V rámci tohoto výzkumu je pro definici únavovéhochování CB použit „Concrete damaged plasticity“(CDP) model obsažený v programu ABAQUS [5].Model reprezentuje pružné i plastické chování CB.Je určený pro cyklická i dynamická zatížení aumožňuje řadu dalších nastavení.

VýsledkyV době řešení byly vytvořeny pokusné pracovnímodely zabývající se převážně kombinací zatížení(obr. 4). Vytvořen byl také první pokusný únavovýmodel CDP na obr. 5, s využitím vstupních údajů[6].

a)

b)

c)Obr. 4 Průběhy tahových napětí v CB desce – a) zatížení

od kol, b) zatížení od teploty, c) kombinace zatížení.

Obr. 5 Plastické deformace v CB desce (CDP model).

ZávěrV dalším období řešení se výzkum zaměří nazpřesňování vstupních údajů pro modelaci účinkůteploty a kolového zatížení a hlavně na parametryúnavového materiálového (CDP) modelu procementové betony vozovek pozemních komunikací.

Literatura[1] Sotelino, E. D., A. Asgari, A. C. Saksa, and G. Cedeno.

Damage Analysis of Jointed Plain Concrete Pavementsin Indiana, West Lafayette, Indiana, 2005. doi:10.5703/1288284313170.

[2] Darter, M. I. and Barenberg, E. J., “Design of ZeroMaintenance Plain Jointed Concrete Pavement”, ReportNumber FHWA-RD-77-11, Volume 1, Federal HighwayAdministration, 1977

[3] Miner, M.A., “Cumulative Damage in Fatigue”,American Society of Civil Mechanical Engineers,Transactions, Volume 67, 1945

[4] Fakulta stavební, ČVUT v Praze, VUT v Brně, Stavbysilnic a železnic, a.s., ODS, a.s., TP 170, Navrhovánívozovek pozemních komunikací (včetně Dodatku). 1sted. Praha : MDČR, 2004. 400 pp.

[5] “ABAQUS/Standard User’s Manual”, Version 10.1,[6] Jankowiak, T., Lodygowski, T., ” Identification of

parameters of concrete damage plasticity constitutivemodel”, Poznan University of Technology, Institute ofStructural Engineering (ISE), Poland, 2005.