Publiczna obrona rozprawy doktorskiej mgr inż. Pawła Tutki
|
Dnia 9 listopada 2023 roku odbyła się publiczna obrona rozprawy doktorskiej mgr. inż. Pawła Tutki pt. „Ocena wpływu wybranych efektów dynamicznych na kluczowe charakterystyki mechaniczne nawierzchni drogowej podatnej i półsztywnej.” Rozprawa przygotowana została pod kierunkiem prof. dra hab. inż. Romana Nagórskiego w roli promotora. Recenzentami rozprawy byli: dr hab. inż. Mirosław Graczyk, Prof. IBDiM oraz dr hab. inż. Piotr Mackiewicz, Prof. Politechniki Wrocławskiej. Komisja doktorska, której przewodniczył prof. dr hab. inż. Henryk Zobel, jednogłośnie przyjęła wniosek do Rady Naukowej Dyscypliny Inżynieria Lądowa, Geodezja i Transport o nadanie stopnia doktora. Dodatkowo komisja złożyła wniosek o wyróżnienie rozprawy doktorskiej. |
|
Przedmiotem pracy było zbadanie wpływu uwzględnienia sił bezwładności w modelach mechanicznych na wyniki stanu odkształceń i ugięć nawierzchni drogowej. Rozważono przypadki obciążenia zasadne przy projektowaniu nawierzchni drogowej podatnej i półsztywnej oraz w czasie badań nieniszczących polegających na pomiarze ugięć pod znanym, zmiennym w czasie obciążeniem. Podstawowym rozważonym zjawiskiem dynamicznym był wpływ sił bezwładności występujących w dynamicznie obciążanej nawierzchni na kluczowe odkształcenia i przemieszczenia nawierzchni. Dodatkowo uwzględniono dynamikę pojazdu oraz lepkosprężystość warstw asfaltowych.
Głównym narzędziem stosowanym w pracy były obliczenia metody elementów skończonych, wykonywane dla czterech modeli obliczeniowych zweryfikowane przy pomocy obliczeń analitycznych. Modele zróżnicowane były ze względu na występowanie sił bezwładności (rozważono sytuacje uwzględniania i nieuwzględniania sił bezwładności) oraz sposób uwzględnienia lepkosprężystości (przy użyciu uogólnionego modelu Maxwella lub modelu liniowo-sprężystego z modułem dynamiczny użytym jako moduł sprężystości). Przedstawione zostały wyniki dla trzech sytuacji obliczeniowych:
- ruchu koła pojazdu ciężkiego po nawierzchni drogi – obciążenie stosowane przy projektowaniu nawierzchni
- ruchu koła pojazdu ciężkiego po nawierzchni drogi z uwzględnieniem nierówności – podejście dające możliwość uwzględnienia wpływu nierówności na trwałość lub służące do symulowania badania TSD
- obciążenie przy badaniu FWD
W pracy rozważono obciążenie od koła pojazdu 100 kN osi pojazdu ciężkiego, poruszającego się jedną z pięciu prędkości 5 km/h, 30 km/h, 60 km/h, 90 km/h, 120 km/h. Siły bezwładności w rozważanym przypadku były pomijalne, natomiast zmienność krytycznych ugięć i odkształceń oraz trwałości obliczeniowych nawierzchni w zależności od prędkości obciążenia spowodowana była lepkosprężystymi własnościami warstw asfaltowych. Na podstawie zależności wyników od prędkości dla rozważanej konstrukcji nawierzchni, obliczono trwałość zmęczeniową wykorzystując rzeczywisty rozkład prędkości ruchu pojazdów ciężkich. Zaproponowano metodę obliczania prędkości efektywnej oraz rozważono wyniki dla występujących realnie rozkładów prędkości pojazdów ciężkich.
Rys.1 Trwałość zmęczeniowa warstw asfaltowych dla konstrukcji o kategorii ruchu KR5, obliczona dla rzeczywistych rozkładów prędkości w zależności od prędkości średniej pojazdów ciężkich.
Następnie rozważono ruch koła pojazdu ciężkiego po nawierzchni drogi z uwzględnieniem nierówności. W standardowym przypadku zakłada się stałe w czasie obciążenie, w rzeczywistości pojazd porusza się po nierównej drodze, co powoduje jego drgania, a zatem siła jest zmienna w czasie. W pracy znaleziono zależność odchylenia standardowego siły od koła pojazdu w zależności od nierówności drogi (opisanej parametrem IRI) dla poszczególnych prędkości ruchu. Na podstawie odchylenia standardowego zbudowano przedział ufności dla siły obciążającej nawierzchnię, użyto 95% kwantyl siły, który dla wybranej wartości prędkości i IRI użyto do obliczenia krytycznych ugięć i odkształceń, a następnie trwałości. Dla dużych nierówności krytycznym przypadkiem było obciążenie nawierzchni z wysokimi prędkościami. Podsumowując, wpływ sił bezwładności w pojeździe był w analizowanym przypadku znaczący, wpływ sił bezwładności w nawierzchni pozostawał pomijalny.
Rys.2 Proporcja trwałości nawierzchni dla danego IRI i prędkości do trwałości referencyjnej (odpowiadającej prędkości 60 km/h i IRI=0)
Ostatni przypadek obliczeniowy dotyczył badania Falling Weight Deflectometer (FWD), gdzie wartość obciążenia była szybkozmienna w czasie. Uwzględnienie sił bezwładności jest w tym przypadku konieczne. Wyniki analizy statycznej i dynamicznej znacznie się różnią. Zbadano wpływ tych różnic na obliczenia półodwrotne, również w tym przypadku efekty dynamiczne nie powinny być ignorowane. Dodatkowo zwrócono też uwagę na kwestię wrażliwości wyników obliczeń w badaniach półodwrotnych FWD.
Rys.3 Porównanie ugięcia w czasie dla różnych czasów obciążenia w przypadku braku sił bezwładności oraz w przypadku uwzględnienia sił bezwładności
Rys.4 Otrzymane wartości modułów sprężystości warstw asfaltowych, podbudowy i podłoża rodzimego w wyniku obliczeń półodwrotnych na podstawie badań FWD w przypadku zastosowania modelu statycznego i dynamicznego.
Najważniejsze wnioski wynikające z rozprawy doktorskiej:
- W projektowaniu konstrukcji można pomijać siły bezwładności w warstwach nawierzchni drogowej.
- Widoczna jest zależność trwałości od rozkładu prędkości pojazdów ciężkich (ze względu na lepkosprężystość warstw asfaltowych).
- Model liniowo-sprężysty warstw asfaltowych jest uproszczeniem wprowadzającym nieznaczne błędy w obliczeniach trwałości (przy zastosowaniu asfaltów drogowych zwykłych, niemodyfikowanych).
- Należy uwzględniać siły bezwładności w modelu obciążenia ze względu na nierówności nawierzchni oraz drgania pojazdu kołowego.
- W przypadku badań typu FWD (szybkozmienne obciążenia w czasie) należy uwzględniać siły bezwładności w nawierzchni.
- W przypadku obliczeń półodwrotnych należy zwrócić uwagę na wrażliwość obliczeń modułów sztywności.
