New analytical solution of flow and heat refraction problem in multilayer pavement

• Autorzy: Graczyk M. , Rafa J. , Rafalski L. , Zofka A.

Warianty tytułu

PL

Nowe rozwiązanie analityczne zadania przepływu i refrakcji ciepła w nawierzchni warstwowej

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The paper covers a new analytical solution of a flow and refraction problem in a multilayer pavement. The solution includes conditions of internal and external exchange as well as cyclic temperature and heat flux changes. Solution of a problem of heat conduction in a multilayer system showed a significant influence of coefficients introduced by the authors on the temperature and thermal stresses field in structure of a multilayer pavement. The coefficients were: diffusivity, thermal matching of layers and thermal refraction of layers. It was found that solar radiation is very important climatic factor acting directly on the upper layer of pavement, causing an increase in temperatures and creation ofan additional temperature gradient in a multilayer pavement. It is shown that temperature field in a multilayer pavement depends significantly on geometry of layers structure, thermal characteristics of upper and lower layers expressed by Biot and Fourier numbers, colour of a surface course, humidity, velocity of wind etc., which are expressed by value of an external heat transfer coefficient. Moreover, an original example of analysis of an influence of pavement layer and subgrade parameters as well as climatic conditions on the temperature field in three different pavement structures, is shown. Results of the presented analysis can be directly applied in roads and airstrips pavements design.

PL

W artykule przedstawiono nowe rozwiązanie analityczne zadania przepływu i refrakcji ciepła w nawierzchni warstwowej z uwzględnieniem warunków wymiany zewnętrznej i wewnętrznej oraz cyklicznych zmian temperatury i strumienia ciepła. Rozwiązanie problemu przewodnictwa ciepła w układzie warstwowym wykazało znaczący wpływ wprowadzonych przez autorów współczynników: dyfuzyjności, dopasowania termicznego warstw oraz refrakcji termicznej warstw na pole temperatury i naprężeń termicznych w konstrukcji nawierzchni warstwowej. Stwierdzono, że bardzo istotnym czynnikiem klimatycznym oddziaływującym bezpośrednio na górną warstwę nawierzchni jest promieniowanie słoneczne, które powoduje wzrost temperatury i powstawanie dodatkowego gradientu temperatury w nawierzchni warstwowej. Wykazano również, że pole temperatury w nawierzchni warstwowej w istotny sposób zależy od geometrii układu warstw, charakterystyk cieplnych warstwy górnej i dolnej opisanych liczbami Biota i Fouriera oraz koloru warstwy jezdnej, wilgotności, prędkości wiatru itp., które wyrażają się wartością współczynnika zewnętrznej wymiany ciepła. Ponadto przedstawiono oryginalny przykład analizy wpływu parametrów warstwy nawierzchni i podłoża oraz warunków klimatycznych na pole temperatury w trzech różnych konstrukcjach nawierzchni. Rezultaty pracy mają bezpośrednie zastosowanie w projektowaniu nawierzchni drogowych i lotniskowych.

Słowa kluczowe

EN

Biot number; Fourier number; heat flow and refraction; multilayer pavement; refraction coefficient; thermal matching

PL

dopasowanie termiczne; liczba Biota; liczba Fouriera; nawierzchnia warstwowa; przepływ ciepła; refrakcja ciepła; współczynnik refrakcji

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 13, no. 1
• Strony: 33--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Graczyk M.

• Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa

autor

Rafa J.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa

autor

Rafalski L.

• Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa

autor

Zofka A.

• Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa

Bibliografia

• [1] Moon P., Spencer D.E.: Field theory for engineers. D. Van Nostrand Company, Princeton USA, 1961
• [2] Southgate H.F.: An evaluation of temperature distribution of asphalt pavements and its relationship to pavement deflection. MSCE Thesis, University of Kentucky, Lexington, Kentucky, USA, 1968
• [3] Stubstad R.N., Baltzer S., Lukanen E.O., Ertman- Larsen H.J.: Prediction of AC mat temperature for routine load/deflection measurements. 4th International Conference on Bearing Capacity of Road and Airfields, Minnesota, USA, 1994
• [4] Lukanen E.O., Stubstad R.N., Briggs R.: Temperature prediction and adjustment factors for asphalt pavement. Report No FHWA-RD-98-085, Federal Highway Administration. McLean Virginia, USA, 2000
• [5] Sybilski D, Mirski K.: Zalecane lepiszcza asfaltowe w warstwach nawierzchni w Polsce z uwzględnieniem warunków klimatycznych i obciążenia ruchem. Prace IBDiM, 1-2/2000, 103-157
• [6] Park D.Y., Buch N., Chatti K.: Development of effective layer temperature prediction model and temperature correction using FWD deflections. Transportation Research Record 1764, Washington 2001
• [7] Mieczkowski P.: Model fizyczny obliczania temperatury górnej warstwy nawierzchni asfaltowej. Drogownictwo, LVI, 8, 2001, 230-235
• [8] Hermansson A.: Simulation of asphalt concrete pavement temperatures for use with FWD. Road Materials and Pavement Design, 3, 3, 2002, 281-297
• [9] Rafalski L.: Podłoże nawierzchni drogowej. Inżynieria Morska i Geotechnika, 3, 2009, 190-193
• [10] Wistuba M.: Determining design temperatures for asphalt pavements. Road Materials and Pavement Design, 4,3,2003,341-349
• [11] Wistuba M., Blab R., Litzka J.: Oberbauverstarkung Von Asphaltstrassen. Methodenuberblick und Ableitung von Klimadaten fur die analytische Bemessung. TU-Wien, 2004
• [12] GórszczykJ., Grzybowska W.: Analizy termiczne asfaltowej nawierzchni drogowej z wykorzystaniem MES. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 10, 4, 2011, 7-30
• [13] Wang D., Roesler J.R., Guo D.Z.: Analytical Approach to Predicting Temperature Fields in Multilayered Pave¬ment Systems. Journal of Engineering Mechanics, 135, 4, 2009, 334-344
• [14] Hall M.R., Dawson A.R., Grenfell J., Isola R.: Influence of the Thermophysical Properties of Pavement Materials on the Evolution of Temperature Depth Profiles in Different Climatic Regions. Journal of Materials in Civil Engineering, 24, 1, 2012, 32-47
• [15] Bryant P., Denneman E.: Improved Design Procedures for Asphalt Pavements: Pavement Temperature and Load Frequency Estimation. Austroads Technical Re¬ports AP - T248 - 13, September 2013, Sydney, Australia, 2013
• [16] GraczykM., Rafa J.: Wybrane aspekty zachowania się nawierzchni podatnych w modelach materiałów termo-lepkosprężystych. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 9, 2, 2010, 5-15
• [17] Graczyk M.: Nośność konstrukcji nawierzchni wielowarstwowychw krajowych warunkach klimatycznych. Studia i Materiały, Zeszyt 63, IBDiM, Warszawa, 2010
• [18] Nowacki W.: Termosprężystość. PWN, Warszawa, 1970
• [19] Piskorek A.: Fourier and Laplace'a transform and its applications. PWN, Warsaw, 1991