Analýza výpočtových metod cementobetonových vozovek

Abstract

Volba technicky správného konstrukčního typu vozovky je značně problematická, neboť ji významně ovlivňuje množství faktorů, vstupujících do návrhu vozovky. Aktuálně se na dálnicích a síti dopravně významných silnic I. tříd vyskytují převážně vozovky s tuhým (cementobetonovým) krytem a nebo vozovky s krytem asfaltovým. Navrhování vozovek všech konstrukčních typů se řídí TP 170 „Navrhování vozovek pozemních komunikací“ (dále jen TP 170). Z katalogu vozovek, který je součástí TP 170, je pro podmínky běžného silničního provozu možné vybrat vhodný konstrukční typ vozovky z běžných konstrukčních vrstev. U asfaltové vozovky je výpočtovým modelem vrstevnatý, lineárně pružný poloprostor. Konstrukční vrstvy a podloží vozovky se považují za homogenní a izotropní. Jednotlivé vrstvy jsou definovány návrhovými hodnotami modulů pružnosti, součiniteli příčného přetvoření a návrhovými tloušťkami vrstev. Na stycích vrstev se většinou předpokládá dokonalé spolupůsobení. Tuhé vozovky mají obvykle kryt z cementového betonu, který o něco lépe odolává extrémním zatížením (velké kolové tlaky nebo velmi vysoké intenzity těžké dopravy), koncentrovaným do jedné jízdní stopy vozidel. Proto se cementobetonové vozovky nejčastěji navrhují na dálnicích a na dopravně zatížených silnicích I. tříd. Výpočtovým modelem cementobetonových vozovek je tenká tuhá (Kirchhoffova) deska na podkladu podle Winklerovy hypotézy. Jednou z možností, jak lze přesně stanovit napětí v různých konstrukcích, je využití výpočetních programů pracujících na základě metody konečných prvků (dále MKP), v angličtině označované jako Finite Element Method (FEM). V práci je popsán vývoj této metody od raných začátků až k dnešním moderním výpočetním programům, využívajících grafické rozhraní modelování. Práce také popisuje základní princip metody konečných prvků. Primárním cílem a hlavním tématem je analýza výpočtových metod při využití software, fungujících na základě metody konečných prvků, na základě čehož jsou prezentovány výsledky napětí (resp. i přetvoření) z jednotlivých výpočtových modelů a jejich porovnání (např. porovnání výsledků napětí při použití výztužných prvků a bez jejich použití). Jedním z dílčích témat této práce je využití asfaltobetonových vozovek v dálničních tunelech. Česká a slovenská legislativa umožňuje v dálničních tunelech použití pouze cementobetonových vozovek. Tato práce si dává za cíl porovnat tento požadavek s ostatními zeměmi v Evropě.

Choosing the right type of road construction can be problematic because of lots of input factors for road design nowadays. There are mainly stiff and non – stiff road construction in highways and first class roads. Non – stiff roads are mainly made of asphalt layers and stiff roads are made of concrete layer. Design of all construction types of roads is led by TP 170 “Design of Roadways” (hereinafter TP 170). Here is possible to choose the road construction from the Roadways Catalogue, which allows road design from common construction layers for common road conditions. Designer can choose different type of road construction which is not included in the catalogue, but he has to assess it according to so – called Design Method. Computational model for non – stiff road construction is layered, linearly flexible half-space. Construction layers and subsoil are considered to be homogeneous and isotropic. Layers are defined by designed values of elasticity module, coefficients of lateral strain and designed layer thicknesses. There is assumption of mostly perfect interaction on the contact of layers. Stiff roads are usually made of concrete layer which has better properties for extreme loads (high wheel pressure or high traffic intensities), concentrated into the one vehicle track. That is the reason why concrete pavements are mainly used for highways and for highly loaded first class roads. Computational model of cement – concrete roads is thin stiff (Kirchhoff’s) board on the bed according to Winkler’s hypothesis. One option, how to precisely determine stress in different constructions is to usage of programs working on the base of the Finite Element Method (FEM). The work describes the development of this method from early beginnings to today's modern computer programs using the graphical interface. The thesis also describes the basic principle of the Finite Element Method. The primary goal and main topic is the analysis of computational methods using the FEM software, based on which the stress results (or deformations) from individual calculation models are presented together with its comparison (e.g. comparison of stress results with and without the use of reinforcement elements). One of the subtopics of this paper is also use of the asphalt road construction in highway tunnels. Czech and Slovak legislative allows to uses only concrete pavement in highway tunnels. This thesis also aims to compare this demand with other countries in Europe.