Wpływ zmian temperatury na stan przemieszczeń i naprężeń w płycie betonowej

• Autorzy: Mackiewicz Piotr , Szydło Antoni
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Oddziaływanie temperatury w ciągu doby powoduje istotne zmiany w odkształcaniu się płyt betonowych wbudowanych w nawierzchnie drogowe. W związku z rozszerzalnością termiczną oraz nierównomiernym oddziaływaniem temperatury, płyta betonowa odkształca się w ciągu doby w zależności od różnych warunków jej posadowienia. Związane jest to z różnymi typami warstw oraz stanem podłoża, na którym spoczywa płyta. W Polsce, z uwagi na częste zmienne warunki pogodowe, nawierzchnie betonowe poddawane są cyklicznym oraz zróżnicowanym odziaływaniom termicznym w ciągu roku i doby. W artykule przeanalizowano wpływ różnych warunków podparcia płyty na stan przemieszczeń i naprężeń w analizowanym układzie warstwowym. Obliczenia numeryczne przeprowadzono w zależności od zmiennej temperatury dobowej z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych (MES). Z obliczeń wynika, że na skutek dobowych zmian temperatury w obszarze szczelin poprzecznych w podbudowie mogą pojawić się skumulowane przemieszczenia pionowe oraz naprężenia rozciągające prowadzące do uszkodzenia nawierzchni. Wykazano, że stosowanie sztywnych podbudów prowadzi do powstawania większych naprężeń rozciągających w płycie niż dla podbudów podatnych. Natomiast w podbudowach podatnych o małym module sztywności i dodatkowo o małej grubości będą pojawiać się skumulowane przemieszczenia. Pokazano wpływ zmiany wartości modułów i podłoża na wartości termicznych naprężeń rozciągających w płycie betonowej. Stwierdzono, że nawet niewielka zmiana grubości płyty w zakresie 5 cm w specyficznych warunkach może powodować zmiany w odkształceniach i naprężeniach. Przeprowadzone analizy mogą być pomocne przy projektowaniu nowych nawierzchni betonowych jak również ocenie nośności nawierzchni istniejących spoczywających na różnorodnych podłożach.

EN

The impact of temperature over the course of a day causes significant changes in the deformation of concrete slabs embedded in road pavements. Due to thermal expansion and uneven temperature effects, a concrete slab deforms over the course of a day depending on the different conditions of its foundation. This is related to the different types of layers and the condition of the substrate on which the slab rests. In Poland, due to frequent changing weather conditions, concrete pavements are subjected to cyclic and varying thermal actions throughout the year and day. This paper analyzes the effect of different slab support conditions on the state of displacements and stresses in the analyzed pavement system. Numerical calculations were carried out as a function of varying diurnal temperature using the Finite Element Method (FEM). The calculations show that due to diurnal temperature changes, cumulative vertical displacements and tensile stresses leading to pavement failure can occur in the area of transverse cracks in the substructure. It has been shown that the use of rigid substructures leads to higher tensile stresses in the slab than for susceptible substructures. On the other hand, cumulative displacements will occur in susceptible substructures with a low modulus of stiffness and, in addition, a low thickness. The effect of changing modulus and substructure values on the values of thermal tensile stresses in a concrete slab is shown. It was found that even a small change in slab thickness in the range of 5 cm under specific conditions can cause changes in deformations and stresses. The analyses carried out can be helpful in designing new concrete pavements as well as in evaluating the load-bearing capacity of existing pavements resting on a variety of substrates.

Słowa kluczowe

PL

płyta betonowa; naprężenie termiczne; stan przemieszczenia; temperatura; MES; metoda elementów skończonych; podłoże

EN

concrete slab; thermal stress; state of displacement; temperature; FEM; finite element method; substrate

• Wydawca: Stowarzyszenie Producentów Cementu
• Czasopismo: Budownictwo, Technologie, Architektura
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 3
• Strony: 46--51
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Mackiewicz Piotr

• Politechnika Wrocławska, Katedra Dróg, Mostów, Kolei i Lotniska

autor

Szydło Antoni

• Politechnika Wrocławska, Katedra Dróg, Mostów, Kolei i Lotniska

Bibliografia

• 1. Westergaard H.M. (1927). Analysis of stresses in concrete due to variations of Temperature, Proceedings of the 6th Annual. Meeting Highway Research Board, National Research Council, Vol. 6, pp 201-215.
• 2. Teller L.W., Sutherland E.C. (1935). The structure design of concrete pavements, part 2: observed effects of variations in temperature and moisture on the size, shape, and stress resistance of concrete pavement slabs. Public Roads, 16(9), 169-197.
• 3. Thomlinson L. (1940). “Temperature variations and consequent stresses produced by daily and seasonal temperature cycles in concrete slabs”. Concrete Constructional Engineering, 36(6).
• 4. Mohamed A.R., Hansen W. (1997). Effect of Nonlinear Temperature Gradient on Curling Stress in Concrete Pavements. Transportation Research Record, 1568, pp. 65 - 71.
• 5. Mackiewicz P. (2014). “Thermal stress analysis of jointed plane in concrete pavements”. Applied Thermal Engineering, 73 (2014), 1167-1174
• 6. Mackiewicz P., Szydło A. (2013). Wpływ temperatury na nośność betonowych nawierzchni lotniskowych. Przegląd Komunikacyjny 7/2013.
• 7. Tabatabai A.M., Barenberg E.J. (1978). “Finite-element analysis of jointed or cracked concrete pavements”. Transportation Research Record, 671, Transportation Research Board, Washington, D.C.
• 8. Tayabji S.D., Colley B.T. (1986). Analysis of Jointed Concrete Pavements. Technical Report FHWA-RD-86-041, Federal Highway Adminstration, McLean, Virginia.
• 9. Chou Y.T. (1981). Structural Analysis Computer Programs for Rigid Multicomponent Pavement Structures with Discontinuities: WESLIQUID and WESLAYER. Technical Report GL-81-6. Vicksburg, MS: U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station.
• 10. Khazanovitch L., Yu H.T., Beckemeyer C. (2000). Application of ISLAB2000 for Forensic Studies. Proceeding of the 2nd International Symposium of 3D Finite Element for Pavement Analysis, Design, and Research, Charleston, West Virginia, pp. 433-450.
• 11. Beegle D.J., and Sargand S.M. (1995). Three-Dimensional Finite Element Modeling of Rigid Pavement. Final Report No. ST/SS/95-002, Ohio Department of Transportation, Federal Highway Administration, Columbus, Ohio.
• 12. Zokaei-Ashtiani A., Carrasco C., Nazarian S. (2014). Finite element modeling of slab-foundation interaction on rigid pavement applications. Computers and Geotechnics 62, 118-127.
• 13. COSMOS/M. (1993). Advanced modules user guide, Santa Monica, CA.
• 14. Rusiński, E. (1994). Metoda elementów skończonych. System COSMOS/M, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa