Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Wave-based analytical solution for heat propagation in pavement structures

Graczyk Mirosław, Rafa Józef, Zofka Adam, Rafalski Leszek

Archives of Civil Engineering

|

2022

|

Vol. 68, nr 1

479--502

EN

Pavements are layered systems from both the geometrical and physical points of view. Flexible pavements most often include a sequence of asphalt layers, typically composed of the wearing course, binder course and base course. So far, there is no definite analytical solution of such a layered system in relation to the temperature distribution that would consider different thermal properties of the respective layers and follow the physical laws of the thermal wave nature of heat propagation. This being so, we are unable to assess the effect of the thermal properties of the respective pavement courses on the overall temperature distribution in the asphalt portion. In multi-layer pavement systems also important are the phenomena taking place at the interfaces between the pavement courses which have a bearing on the service life of pavement. This article presents a new analytical solution to the problem of heat conduction and refraction in a multi-layer pavement. The solution was used to investigate and determine the effect of wave mode of heat propagation on the vertical temperature distribution, this considering that the pavement system is a sequence of layers comprising the soil subgrade, the base course and the wearing course. Moreover, the classical heat conduction equation is compared with the wave mode equation for a multi-layer pavement system and the temperature distribution in a layered system is compared with the temperature distribution in its homogenized equivalent. The solution of the heat conduction problem in a layered system showed a considerable effect of the thermal compatibility coefficients introduced by the authors and of the thermal refraction of the respective layers on the temperature distribution throughout the multi-layer pavement system. The output of this research includes prediction of the vertical temperature distribution in the pavement and definition of guidelines for reducing the effect of changing climatic conditions on the operation of layered flexible road and airfield pavements. In addition, the research results expand the toolkit for assessing the thermal effect on the actual pavements.

PL

Nawierzchnie w układzie geometrycznym i fizycznym są konstrukcjami warstwowymi. Najczęściej w nawierzchniach podatnych występuje pakiet asfaltowy w układadzie warstwa ścieralna, warstwa wiążąca i podbudowa. Dotychczas nie ma ścisłego rozwiązania analitycznego takiego układu warstwowego w odniesieniu do rozkładu temperatury z uwzględnieniem charakterystyk cieplnych każdej z warstw oraz z zachowaniem praw fizycznych falowego przepływu ciepła. W konsekwencji, nie ma możliwości oceny wpływu cech termicznych poszczególnych warstw na rozkład temperatury w całym pakiecie asfaltowym. W nawierzchni wielowarstwowej istotną rolę odgrywają także zjawiska zachodzące na granicach kolejnych warstw, które mają wpływ na trwałość całej konstrukcji jezdni. W pracy przedstawiono nowe rozwiązanie analityczne zagadnienia przepływu irefrakcji ciepła w nawierzchni warstwowej. Na podstawie uzyskanego rozwiązania zbadano i określono wpływ falowego charakteru propagacji ciepła na rozkład temperatur uwzględniając jednocześnie warstwowość konstrukcji nawierzchni: podłoże gruntowe - podbudowa - warstwa jezdna. Dokonano także porównania rozwiązania klasycznego przepływu ciepła z rozwiązaniem falowym w układzie warstwowym nawierzchni oraz porównania rozkładu temperatury w nawierzchni w układzie warstwowym z układem zhomogenizowanym. Rozwiązanie problemu przewodnictwa ciepła w układzie warstwowym wykazało znaczący wpływ wprowadzonych przez autorów współczynników dopasowania termicznego oraz refrakcji termicznej warstw na rozkład temperatur w konstrukcji nawierzchni warstwowej. Wynikiem pracy jest wyznaczenie rozkładu temperatury w nawierzchni oraz wskazanie kierunków działań zmniejszających wpływ zmiennych warunków klimatycznych na eksploatację wielowarstwowych podatnych nawierzchni drogowych i lotniskowych. Uzyskane rezultaty są także nowym elementem wzbogacającym możliwości oceny oddziaływania termicznego na rzeczywistą konstrukcję nawierzchni.

2

Pavement modelling using mechanical and thermal homogenization of layered systems

Graczyk M., Rafa J., Zofka A.

Roads and Bridges - Drogi i Mosty

|

2018

|

Vol. 17, no. 2

141--157

EN

The paper presents a model of the mechanical and thermal homogenization of the layered pavement system. The actual road/airport pavement consisting of several different layers resting on a sub-grade is modelled by a layer with dynamically and thermally equivalent physico-mechanical parameters. Using mass, wave, energy and thermodynamic criteria, equivalent models of the pavement in the homogenized system and in the multilayer system are presented. The modelling was conducted to obtain equivalence between the dynamic and thermal wave processes taking place in the multilayer system and in the homogenized system. The problem solution was constructed for a layer interacting with a half-space, modelling a layered pavement resting on a sub-grade (a half-space). The actual pavement was mathematically and physically modelled by the equivalent layer, taking into account the mechanical and thermal processes taking place in the latter. The presented solution enables one to carry out analyses of the universal problem of a layer resting on a sub-grade and to evaluate complex problems relating to the thermo-mechanics and condition testing of layered road and airport pavements.

PL

W artykule przedstawiono model homogenizacji mechanicznej i termicznej układu warstwowego nawierzchni. Rzeczywista nawierzchnia drogowo-lotniskowa, składającą się z kilku różnorodnych warstw spoczywających na podłożu, została zamodelowana warstwą o parametrach fizyko-mechanicznych równoważnych pod względem dynamicznym i termicznym. Wykorzystując kryteria masowe, falowe, energetyczne i termodynamiczne zaprezentowano autorskie modele równoważne nawierzchni w układzie homogenizowanym z układem wielowarstwowym. Modelowanie prowadzono w taki sposób, aby uzyskać równoważność dynamicznych i termicznych procesów falowych zachodzących w układzie wielowarstwowym oraz homogenizowanym. Skonstruowano rozwiązanie zagadnienia dla warstwy współpracującej z półprzestrzenią modelujące nawierzchnię uwarstwioną spoczywającą na podłożu (półprzestrzeni). Modelowanie rzeczywistej nawierzchni warstwą równoważną przeprowadzono pod względem matematycznym oraz fizycznym z uwzględnieniem występujących w niej procesów mechanicznych i termicznych. Przedstawione rozwiązanie umożliwia prowadzenie analiz uniwersalnego zagadnienia warstwy spoczywającej na podłożu gruntowym, w tym oceny złożonych problemów termo- mechaniki oraz diagnostyki drogowych i lotniskowych nawierzchni warstwowych.

3

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

Graczyk M., Rafa J., Rafalski L., Zofka A.

Roads and Bridges - Drogi i Mosty

|

2014

|

Vol. 13, no. 1

33--48

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.

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.