بتنی راهآهن در دو حالت پیشساخته و درجا تحلیل اسلبتراک 1 )کدA ( )کد مقاله 202-1F( -1 *2 *1 سید حسین حسینی مرتضی مدح خوان دانشجوی کارشناسی ارشد عمران- راه و ترابری دانشگاه صنعتی اصفهان دانشیار دانشکده مهندسی عمران دانشگاه صنعتی اصفهان Email:hosseini_pooya.2000@yahoo.com Email:madhkhan@cc.iut.ac.ir -5 چکیده امروزه یکی از بهترین سیستمهای حملونقل سیستم حملونقل ریلی میباشد و به منظور طراحی باید توجه ویژهای بهه نهو روسازی آن داشت. نو طراحی آن از لحاظ اجرا تعمیر و نگهداری ارتفا خط و مقاومت جانبی بهاتتر تفهاو اابهل تهوجهی بها روسازی متداول)باتستی( دارد. اجرای این نو خطوط در ایران به دلیل جدید بودن هنوز گسترش چنهدانی پیهدا نکهرده اسهت و اغلب در خطوط مترو و چند نقطه از راهآهن اجرا شده است. واتی که یک اطار از روی ریل عبور میکند ارتعاشا و نیروهایی ایجاد میشود که میتواند منجر به خرابیهای سازهای شود لذا شناخت بیشتر تنشها تغییرشکلها و عوامل به وجودآورندهی آنها میتواند باعث کهاهش ارهرا منفهی آنهها شهود. نتهای مطالعا حاکی از آن است که جنس خاک و ابعاد )طول عرض و ضخامت( اسلب تهراک بتنهی دو عامهل مههم در تعیهین میه ان تنشها و تغییرشکلهای بتن میباشند. با توجه به نیاز مهندسین به ارزیابی سریع از می ان تنشها و تغییرشکلهای روسازی بتنی در سیستم اطارهای سریعالسیر تزم است که تحلیلهایی انجام شود تا ارر نو خاک و ابعاد دال بتنی را در می ان این تنشهها و تغییرشکلها نشان دهد. در این تحقیق مجموعهی ریل پابندها و اسلبتراک با بهه کهارگیری المهانههای مناسهب در نهرم اره ار ANSYS مدل شدهاند. همچنین از المان Spring-damper14 که یک المان رنری است به منظور مهدلسهازی ررتهار خهاک استفاده گردیده است. براساس نتای به دست آمده مقادیر تنشها و تغییرشکلها در راستای عرضی نسبت به راستای طهولی دال اابل مالحظهتر است و لنگرهای عرضی منفی باعث ترکخوردگی دال میشود. هدف از این تحقیق انجام یک مطالعهی پارامتریک روی مقدار عرض دال- خط بتنی می باشد به گونهای که بتوان مقادیر لنگرهای مثبت و منفی داخلی دال را تا حدود زیادی به هم ن دیک کرد تا ار ایش باربری اسلبتراک را به همراه داشته باشد و در نهایت طراحی بهینهتر انجام شود. با توجه به نتای به دست آمده در دو حالت دال بتنی پیشساخته و درجا مقدار 1/4 متر به عنوان عرض بهینه دال به دست آمد. به عنهوان راهحهل دیگهر برای ار ایش باربری اسلبتراک میتوان خاک با مدول بستر بیشتری به کار برد که عالوه بر آن کاهش نشست سیستم را نیه دنبال دارد. بهه واژههای کلیدی: اسلبتراک روسازی بتنی دال- خط پیش ساخته 1- مقدمه و تاریخچه ی موضوع : 5. دال- خط 5
به طورکلی روسازی خطوط راهآهن به دو صور باتستی و بدون باتست )اسلبتراک بتنی( اجرا مهیشهود. روسهازی بتنهی از بهترین روسازیهایی است که با توجه به سرعت و بار واردهی ناشی از راهآهنهای مدرن تعریف میگردد ]5[. از لحاظ ااتصهادی مقایسهی ه ینههای دوران بهرهبرداری با ه ینههای سرمایهگذاری نشان از آن دارد که خطوط اسلبتراک بتنی روزبهروز مقبولیت بیشتری پیدا کردهاند. ازجمله م ایای این خطوط میتوان به کاهش عملیا تعمیر و نگهداری 06 الی 06 درصدی ار ایش دورهی عمر خط بهرهبرداری حداکثر از خط ارتقاء ایمنی در سیر و حرکت دستیابی به سرعتهای بیشتر پایداری بسیار بیشتر خط کاهش ارتفا و وزن سازه و نیاز نداشتن به تأمین مصالح باتست مناسب اشاره کرد. تاریخچهی مطالعا بهر روی خطهوط بهدون باتست از سال 5316 آغاز شده و عمدتا از سال 5306 گسترش یارته است. در این بین محققین زیادی بر روی موضهو تحلیهل و طراحی اسلبتراکها کار کردهاند. چارل و همکاران روش تحلیل دال بر بستر ارتجاعی را بهکار بردند و از مدل وینکلر و همچنهین نرم ار ار ABAQUS برای مدلسازی استفاده کردند. نتای گررته شده حاکی از آن بود که 5. تنش کششی حداکثر ایجاد شهده در دال ابتدا تابعی از ضخامت و عرض دال و سپس سختی بستر است 1. ار یش عرض دال بتنی منجر به ار ایش تهنش مهاک یمم دال و کاهش رشار ماک یمم در بستر دال میشود ]1[. زوارتد و همکاران روی دالهای مسلح شده بر روی خاکههای تثبیهتشهده تحقیق کردند و مقدار مسلحکننده در طرح بهینهی دال را 5/1 تا 5/1 درصد به دست آوردند. ]9[. در ایران نی تحقیقهاتی توسهط مرک تحقیقا راه و ترابری بر اساس مدل تست Hino )که در ژاپن انجام شده است( صور گررت که تأریرسختی خاک بستر بر روی نیروها تنشها و تغییرمکانها بررسی گردید. در این تحقیق برای کم کردن نیروها تنشها و تغییرمکانها K>02kg/cm 3 برای بستر پیشنهاد گردید. بر اساس مطالعا انجام شده برای بار محوری 16 تن ضخامت 16 سانتیمتر بهترین گ ینهه ههم از نظر اجرایی و هم از نظر عملکرد دال توصیه شد که اره ایش بهاربری اسهلبتهراک را بهه همهراه دارد. ههمچنهین تغییهرا مهدول اتستیسیستهی بتن ضخامت تیهی آسفالتی و ممان اینرسی ریلها تأریر ناچی ی روی تهنشههای داخهل دال داشهته اسهت ]4[. اسولد و مارکین روی موضو طرح بهینهی دالهای راهآهن مطالعه کردند. برطبق نظهرآنهها چنانچهه یهک سهری مسهلحکننهده )میلگرد( در بات و پایین مقطع دال ارار داده شود مقاومت خمشی دال بات ررته و نیاز به بهبود خواص مکانیکی خاک بستر نمی- باشد ]1[. استین برگن و همکاران پارامترهای طراحی دالهای بتنی را از نقطه نظر دینامیکی بررسی کردند و دریارتند کهه بهبهود شرایط خاک بستر در ررکانسهای پایین و ار ایش ضخامت دال در ررکانسهای بات تأریر مثبت اابل مالحظهای درکاهش لهرزش- های اائم دال دارد. همچنین ار ایش عرض تماس دال و خاک بدون ار ایش ضخامت در رژیمهای ررکانسی پایین منجر به کاهش تغییرشکلهای دال میشود و میتوان همزمان با مینیمم کهردن )بهینههکهردن( ضهخامت عهرض دال را اره ایش داد کهه راحتهی مساررین را نی در پی دارد ]0[. مقدسنژاد و همکاران دالهای بتنی بر روی بسترهای خاکی با ضهرایب سهختی مختلهف را مهدل کرده و نتیجه گررتند که مقادیر تنشها و تغییرشکلها در راستای عرضی نسبت به راستای طولی اابل مالحظهتر است و لنگرهای عرضههی منفههی باعههث تههرکخههوردگی دال مههیشههود. هههمچنههین بهها کههاهش سههختی خههاک بسههتر مقههدار تغییرمکههان دال به شد ار ایش یارته و سرعت رشد آن در محدودهی K<02kg/cm 3 بسیار شدیدتر است. از دیگر نتهای آنهها ایهن بهود کهه مدول اتستیسیته و ضخامت تیهی آسفالت تأریر ناچی ی روی تغییرمکان اائم دال دارد و ضخامت 16 سانتیمتر و عرض 1/1 متر را به عنوان بهترین ابعاد اجرایی دال توصیه کرد ]0[. گالوین و همکاران بر روی ارتعاشا تولید شدهی ناشی از حرکت اطهارههای سریعالسیر در اسلبتراکهای با باتست کم مطالعاتی انجام دادند و نشان دادند که یک اسلبتراک بها ایهود اتصهالی کمتهر)آزادی حرکت بیشتر( میتواند درکاهش ارتعاشا سطحی دال مورر باشد ]8[. مدحخوان و همکاران با استفاده از نرمار ار اجه اء محهدود ANSYS و با درنظرگررتن ررتار اتستو پالستیک به تحلیل اسلبتراکها پرداختند. آنها با تحلیهل سیسهتمههای اسهلبتهراک پیشساخته به صور المانهای مج ا در دو حالت توپر و توخالی و سیستم اسلبتراک درجا به صور المانهای پیوسته بهه ایهن نتای دست یارتند: 5. نمونه دالهای پیشساختهی بتنی توپر در مقایسه با دالهای پیشساختهی توخالی ظرریت ترکخوردگی بهاربری نههایی و جهذي انهرژی بیشهتری دارنهد 1. اره ایش سهختی خهاک بسهتر در ههر دو مهورد دالههای پهیشسهاختهی توپر و توخالی مقاومت ترکخوردگی بیشتر باربری نهایی باتتر و شکلپذیری پایینتری را به دنبال دارد 9. براساس منحنیهای بار- تغییرمکان ترسیم شده ررتار هر دو نمونه دال در محدودهی اتستیک تا حدود زیادی به هم ن دیک است این در حالی اسهت که در ارر بارگذاری اطار مقادیر تغییرشکلها کوچک بوده و ررتار اسلبتراکها در محدودهی اتستیک بهاای مهیمانهد. لهذا بهرای اهداف طراحی استفاده ازدالهای پیشساختهی توخالی با 96 درصد کاهش وزن نسبت به دالهای پیشساختهی تهوپر گ ینههی مناسبتر پیشنهاد شد ]3[. دیواندری و العهنوی اسلبتراک بتنی به طول 5/58 و عرض 1/0 متر را که در جهت عرضی به میلگرد پیشتنیده مسلح شده بودند در نرمار ار Sap 2000 مدل کرده و نتای تنش محوری را در امتداد طولی و عرضی دال بهه دسهت آوردند. نتای حاکی از آن بود که در راستای طولی و عرضی حداکثر تنش رشاری در وجه رواانی و حداکثر تنش کششی در وجهه تحتانی و هر دو در محل ریل رخ داده است ]56[. ااری ارآن و همکاران اسلبتراک بتنی در عرض 9/1 متر و ضخامتههای 96 91 و 46 سانتیمتر را تحت بارگذاریهای مختلف به روش اج اء محدود تحلیل کرده و نمودارهایی ارائه کردند که مقهدار میلگهرد مسلحکننده را در جها طولی و عرضی ارائه میدهد ]55[. 1
و 0 و 1 پنجمین کنفرانس ملی سالیانه بتن ایران تهران 51 مهرماه 5931 با توجه به رراگیر شدن اسلبتراک بتنی در تمام نقاط دنیا روشهای گوناگونی برای اجرای آن وجود دارد که در هر کشور با توجه به امکانا و توسعهیارتگی آنها به روشهای مختلفی اجرا میگردد ]51[. لیکن به طور کلی میتوان ساخت و اجرای خطوط اسلبتراک بتنی را به دو دستهی استفاده از اطعا پیشساخته به همراه بتنری ی تکمیلی و اجرای دال بتنی درجا تقسیم نمود] 59 [. با توجه به اینکه پیشساخته کردن دالهای بتنی اسلبتراک میتواند در سرعت اجرا و بات بردن کیفیت سهم بس ائی ایفا نماید از اینرو در تحقیق حاضر به تحلیل اسلبتراکهای پیشساخته و درجا پرداخته و نتای آن در هر دو حالت مقایسه می- شوند که در نهایت میتوان متناسب با شرایط اجرای خطوط راهآهن کشور طراحی بهینهتری انجام داد. 2- تحلیل سازهای دال تحت بارگذاری قطار دال بتنی بر روی بستری ارار دارد که ررتار آن تاریر زیادی در نیروهای داخلی به وجود آمده در دال دارد. لذا شناخت روشهای تحلیلی جهت تحلیل و طراحی صحیح دالها از اهمیت بس ایی برخوردار میباشد. تحلیل سازهای دال روسازی به منظور تعیین نیروهای داخلی به وجود آمده در سازه در ارر نیروهای خارجی وارده انجام میگیرد. در این مقاله تحلیل سازهای با استفاده از مجموعه دال روسازی ریل و پابندها و بستر زیرین تحت بارگذاری ناشی از حرکت اطار انجام شده است. 3- مدلسازی ریل و پابندها در مدلسازی ریل از نو رای در ایران که ریل UIC60 میباشد استفاده شده است. وزن هر متر طول این ریل 06 کیلوگرم میباشد. روتد ریل دارای مدول ارتجاعی 166 گیگاپاسکال وزن مخصوص 0/81 تن بر مترمکعب و ضریب پواسون 6/9 میباشد. آزمایشهایی توسط محققین بر روی پابندهای موجود از نو وسلو (Vossloh) انجام و مقادیر سختی آنها ارائه شده که در این مقاله مطابق با مرجع ]54[ از مقدار رابت رنر K f برابر 56 4 0 N/m برای پابندها استفاده گردیده است. راصلهی پابندهای ارار گررتهی زیر ریل نی مطابق مراجع [ 51[ برابر 6/0 متر ررض شده است. شکل 5 مدل پابندهای ارار گررته زیر ریل را نشان میدهد. شکل 1. مدل پابندها و صفحات الستیکی قرار گرفته زیر ریل 1-3- مدلسازی اسلبتراک بتنی به منظور مدلسازی دال بتنی در نرمار ار از المان پوستهای )181 )Shell استفاده شده است. این المان با 0 درجهی آزادی )شامل 9 درجهی آزادی چرخشی و 9 درجه آزادی تغییرمکانی( در هر نقطه اادر به نمایش تغییرمکانها و چرخشها میباشد. مشبندی المان در ابعاد 1 1 سانتیمتر مربع انجام شده است. مدول اتستیسیته 16 گیگا پاسکال وزن مخصوص 1466 کیلوگرم بر مترمکعب ضریب پواسون 6/50 مقادیری هستند که مطابق مرجع ]1[ برای بتن منظور گردیده است. 2-3- مدل سازی خاک از رای ترین و سادهترین روشها برای مدلسازی خاک مدل وینکلر میباشد [ 50[. وینکلر محیط خاک را سیستمی از رنرهای یکسان اتستیک خطی مستقل از دو طرف با راصله ن دیک ولی مج ای از هم در نظر گررت. سختی هر رنر از ضري مدول عکسالعمل اائم خاک در مساحت سهمیهی باربر آن رنر محاسبه میشود. در نرمار ار مساحت باربر هر کدام از رنرهای وینکلر یک رضای مربعی 56 56 سانتی متر مربع درنظر گررته شده است. ضریب عکسالعمل بستر توسط ترزاای ]50[ و باول ]58[ ارائه شده که در این مقاله از مقادیر ارائه شده توسط باول استفاده شده است. 4- بارگذاری مطابق نشریه ]53[ 103 ترکیب بارگذاری خط به صور زیر میباشد: بار مرده + بار زنده )شامل اررا جانبی و طولی( + ارر ضربه )ضریب ضربه دینامیکی(. 9
بارهای مرده شامل وزن دال وزن ریل و سایر ادوا اتصال میباشد. در کشور عمدتا بار محوری )P( 16 و 11 تن به ترتیب برای اطارهای مسارربری و باری به عنوان بار زندهی طراحی در نظر گررته میشود ]0[. همچنین بار گستردهای )W( از اطار به هر دو ریل و در نهایت به دال وارد میشود که به ترتیب برای اطارهای مسارربری و باری 04 و 86 کیلونیوتن بر متر و در راصله 6/8 متر از بارهای متمرک وارد میشود ]0[. 1-4- اثر ضربه )ضریب ضربه دینامیکی( در این مقاله از رابطهی ارائه شده در مرجع ]53[ برای تعیین ضریب ضربه استفاده شده است. ɳ=1+α+β+λ )5( که در آن: α=0.04 (V/100) 3, β=0.2, λ=0.1+0.017 (V/100) 3 )1( در ررمول بات V سرعت اطار است که با جایگذاری مقادیر 506 و 516 کیلومتر بر ساعت به ترتیب برای اطار مسارربری و باری مقدار 5/81 و 5/1 برای ضریب ضربه به دست میآید که با ضري کردن آن در بار محوری اائم حالت مربوط به بارگذاری اطار باری بحرانیتر میباشد و در نهایت نحوهی بارگذاری یک ریل مطابق شکل 1 میباشد شکل 2. بارگذاری قائم وارد بر یک ریل با درنظر گرفتن ماهیت دینامیکی نیروها 5- بررسی رفتار و عملکرد اسلبتراک به منظور بررسی ررتار اسلبتراک ابتدا مدل مساله را ساخته و سپس به کمک المانهای مورد نیاز اسمتهای مختلف آن را مشبندی میکنیم. پس از مشبندی بارهای تزم را وارد نموده و در نهایت مساله تحلیل میشود. همانطور که اشاره شد دال- های بتنی راهآهن در دوحالت پیشساخته و درجا در نرمار ار مدل شده که پس از بارگذاری و تحلیل میتوان دیاگرام توزیع لنگر خمشی تغییرشکل و گسترش ترکها را در دال مشاهده کرد. در اسمت اول یک طول زیادی از خط مطابق با بارگذاری استاندارد در نرم ار ار مدل و تحلیل شد. از آنجا که اسلبتراک و ریل از طریق پابند به یکدیگر متصل میشوند بنابراین عامل به وجودآمدن تنش نشست و لنگرهای داخلی در دال نیروی به وجود آمده در هر یک از پابندهاست که باعث میشود نشست و تنش معادلی که در اسلبتراک به واو میپیوند اابل توجه باشد. همچنین باید توجه داشت که بیشترین لنگرها و تنشهای به وجود آمده در اسلبتراک در محدودهی پابندهایی است که بیشترین نیروها را متحمل میشوند. مطابق با تحلیلهای انجام شده بیشترین نیروی ایجاد شده در پابند مربوط به زمانی است که بار متمرک 580/1 کیلونیوتنی از روی پابند ریلها عبور میکند. این مقدار بار در این سیستم برابر 03/3 کیلونیوتن به دست آمد. شکل 9 مقادیر نیروی به وجود آمده در هر یک از پابندها را نشان میدهد که به خاطر متقارن بودن نو بارگذاری و هندسهی شکل تنها 0 متر از طول 51 متری خط نشان داده شده است. شکل 3. نیروی به وجود آمده در پابندها )کیلونیوتن( 4
1-5- سیستم دالهای پیش ساخته به منظور تشخیص ررتار این سیستم مقدار 1 متر در جهت عرضی 5/1 متر در جهت طولی و 16 سانتیمتر برای ضخامت دال منظور گردیده و برای خاک زیر دال مطابق با پیشنهاد باول مقدار متعارف مدول بستر )s K( که عمدتا در کشورهای مختلف اجرا میگردد 16 مگانیوتن بر متر مکعب در نظر گررته شده است ]16[. شکل 4 نمونه دال پیشساختهی مدل شده را نشان می- دهد. 120cm 06cm 16cm 166cm شکل 4. تحلیل یک نمونه اسلبتراک پیشساخته به ابعاد 0/2 1/2 2 متر )P=79/9KN( در شکلهای 1 و 0 نحوهی توزیع لنگر نشان میدهد که هم لنگر عرضی و هم لنگر طولی مثبت درست در زیر محل بارهای منتقل شده از ریل به دال به بیشترین مقدار خود میرسند. بیشترین مقدار لنگر منفی در وسط دال و کمترین آن در محلی رخ میدهد که دال دچار بیشترین انحنا شده است. همچنین نشست دال در محل چهار بار متمرک ماک یمم است. محل اعمال بار متمرک شکل 5. نمایش کیفی وعددی لنگرهای عرضی به وجود آمده در دال پیشساخته شکل 6. نمایش کیفی وعددی لنگرهای طولی به وجود آمده در دال پیشساخته 1
با توجه به مقادیر لنگر خمشی در طول و عرض دال میتوان به این نکته پی برد که لنگر خمشی منفی عرضی برتری اابل توجهی بر لنگرهای خمشی طولی دارد و بنابراین احتمال میرود که لنگرهای خمشی عرضی نقش تعیین کنندهای در ررتار دال دارند. این مطلب را نی میتوان با توجه به ترکخوردگی و انحنای یکطررهی دال در شکل 0 تایید کرد. شکل 7. کانتور نشست و انحنای به وجود آمده در دال )میلیمتر( در شکل 0 کانتور نشست و انحنای به وجود آمده در دال ترسیم شده است. واضح است که نشست و تنش معادل به وجود آمده در اسلبتراک در محل پابندها ماک یمم بوده و ررته ررته با حرکت به سوی مرک دال )وسط دو ریل( از مقدار آنها کاسته میشود. با دات در شکله یا پارامتر در طول دال میباشد. در وااع این حالت نی 1 تا 0 میتوان پی برد که گرادیان تنش و نشست در عرض دال بسیار بیشتر از تغییرا همین دو ررتار یکطررهی دال را تشدید میکند. در ادامه به کمک المان Solid65 که به منظور مدلسازی بتن در نرمار ار ANSYS به کار میرود اادر خواهیم بود که نحوهی شرو و گسترش ترکهای به وجود آمده در دال را مشاهده کنیم. نحوهی ترکخوردگی در 9 مرحله و در مرز المانها در شکلهای 8 تا 56 نشان داده شده است. برای این که ترکخوردگی دال اابل مشاهده باشد مدول بستر خاک 166 مگانیوتن بر مترمکعب در نظر گررته شده است. از تحلیلهای انجام شده نتای زیر به دست میآیند: 5- ترکها ابتدا از وسط وجه باتیی دال و بر ارر لنگر عرضی منفی شرو میشوند )شکل 8 (. 1- هم مان با باز شدن دهانهی ترکها در ناحیهی وسط در عرض دال نقاطی از دال در وجه باتیی که دایقا زیر محل اعمال بار ارار دارند بر ارر کشش ناشی از لنگر مثبت عرضی ترک میخورند. تا این مرحله همهی ترکها در ارر لنگرهای خمشی عرضی )مثبت و منفی( ایجاد شده که موازی با راستای طولی ریل میباشند )شکل 3 (. 9- در مرحلهی بعد ابتدا لنگرهای خمشی طولی مثبت )در محل بارهای وارده بر پابندها( و سپس لنگرهای خمشی طولی منفی )در بین دو بار و در جهت طولی( باعث ترکخوردگی دال میشوند )شکل 56 (. شکل 8. شکلگیری اولیهی ترکها در وسط وجه باالیی دال )ناشی از لنگر عرضی منفی( 0
شکل 9. بازشدن ترکهای کششی وسط دال وگسترش ترکخوردگی نمونه در زیر نقاط اعمال بار شکل 10. گسترش بیشتر ترکها و ادامهی ترکخوردگی دال ناشی از افزایش لنگرهای طولی تزم به ذکر است که در محدوهی سختی بستر 16MN/m 3 )که در اکثر کشورها اجرا میشود( ترکهای کششی در اسمت میانی دال ایجاد شده و در همان محدوده باای میماند که نشان از برتری لنگرخمشی عرضی منفی دارد و دال تنها یک انحنای یکطرره را متحمل میشود. با توجه به نتای تحلیل عددی شامل توزیع لنگر ترک و تنشهای به وجود آمده در اسلب تراک به این نکته پی برده میشود که در سیستم دال پیشساخته تنشها و لنگرهای خمشی عرضی تعیین کننده میباشند. بنابراین باید تالش شود تا به گونهای از ار ایش لنگر خمشی منفی عرضی در دال جلوگیری شود. یک راهحل برای این موضو میتواند ار ایش عرض اسلبتراک باشد. بدین منظور در ادامه تحلیلها برای عرضهای 1/4 و 1/1 و 9 متر نی انجام و نتای آن در جدول 5 آورده شده است. )بعد دال در جهت طولی 5/1 متر و مدول بستر خاک 16 مگانیوتن بر متر مکعب ررض شده است(. جدول 1.مقادیر لنگرهای خمشی در طول و عرض )برای یک متر طول دال( به ازای عرضهای مختلف اسلب تراک لنگر طولی منفی 6/00 6/80 6/35 6/81 لنگر طولی مثبت 50/61 51/55 51/60 51/61 لنگر عرضی مثبت 55/691 50/30 53/85 10/33 لنگر عرضی منفی 13/13 50/30 54/11 9/89 عرض دال)متر( 1 1/4 1/1 9 با نگاهی به جدول 5 مشاهده میشود که مقدار لنگر خمشی طولی منفی در مقایسه با دیگر لنگرهای خمشی ناچی به حساي آمده و نقش تعیین کنندهای ندارد. همچنین میتوان نتیجه گررت که تغییر عرض دال تاریر چندانی بر لنگرهای خمشی طولی نمیگذارد و بیشترین ارر را در لنگرهای خمشی عرضی داشته به گونهای که با ار ایش عرض دال از مقدار لنگر خمشی منفی 0
لنگر خمشی عرضی منفی (KN.m/m) لنگر خمشی عرضی (KN.m/m) مثبت لنگر خمشی طولی مثبت (KN.m/m) لنگر خمشی طولی منفی (KN.m/m) پنجمین کنفرانس ملی سالیانه بتن ایران تهران 51 مهرماه 5931 عرضی کاسته شده و در مقابل لنگر خمشی مثبت عرضی ار ایش مییابد. از طرری با دات در شکلهای ترکخوردگی دال )شکل- های 8 تا 56( متوجه میشویم که باید نگاه ویژهای به اندازهی لنگر خمشی عرضی منفی داشت چرا که عمدهی ترکخوردگی دال بتنی را ناشی میشود. در وااع همگام با کاهش لنگر خمشی منفی است که پایداری و دوام دال در برابر بارهای وارده بیشتر شده و ضریب ایمنی خط ار ایش مییابد. البته این موضو در گرو این است که لنگر خمشی مثبت عرضی ار ایش چندان زیادی نیارته باشد. در پی گفتههای ابلی و با توجه به این که در عمدهی روسازیهای بتنی اسلبتراکها مسلح به میلگرد میباشند و این المانهای مسلح کننده اکثرا روی محور خنثی و به منظور کنترل بازشدگی ترکها ارار داده میشوند باید عرض )عرض بهینه( دال به گونهای انتخاي شود که لنگرهای خمشی عرضی مثبت و منفی مقطع تا حد امکان به یکدیگر ن دیک شوند تا دال بتنی بیشترین راندمان و ظرریت خمشی را داشته باشد. شکل 55 توزیع لنگر خمشی در عرض بهینهی دال را نشان میدهد. شکل 11. توزیع کیفی لنگر در عرض بهینهی دال با دات در جدول 5 میتوان دریارت که برتری لنگر خمشی عرضی منفی تا یک مقدار عرض خاصی برارار است و در عرض 1/1 متر مقدار لنگر خمشی عرضی مثبت از مقدار لنگر خمشی عرضی منفی بیشتر به دست میآید و از آنجا به بعد با ار ایش عرض دال لنگر خمشی مثبت بیشتر از لنگر خمشی منفی میشود. همانطور که در جدول 5 دیده میشود با ررض 1/4 متر برای عرض دال مقدار لنگر خمشی عرضی مثبت 50/30 KN.m/m و لنگر خمشی عرضی منفی 50/30 KN.m/m به دست آمده- اند که تا حدود زیادی به هم ن دیک هستند. در وااع با این مقدار عرض از ظرریت خمشی کل مقطع استفاده شده و بهینهترین حالت را خواهیم داشت پس عرض 1/4 متر را به عنوان عرض بهینه برای دالهای پیشساخته در نظر میگیریم. در نمودارهای شکل 51 تاریر خاک بستر بر روی مقادیر لنگرهای خمشی مورد بررسی ارار گررته است. 20 18 16 14 12 10 8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 مدول بستر خاک )MN/m3( 15/2 15/15 15/1 15/05 15 14/95 14/9 14/85 14/8 14/75 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 مدول بستر خاک )MN/m3( 19/5 19 18/5 18 17/5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 مدول بستر خاک )MN/m3( 1/4 1/3 1/2 1/1 1 0/9 0/8 0/7 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 مدول بستر خاک )MN/m3( شکل 12.تاثیر سختی خاک بستر بر مقادیر لنگر خمشی در طول و عرض دال بتنی )0/2 1/2 2/4 متر( 8
به طور کلی با تغییر مدول بستر خاک محل واو لنگرهای ماک یمم و بیشترین نشست دال تغییری نمیکند. از شکل 51 میتوان رهمید که تغییر مدول بستر خاک تاریرا متفاوتی بر مقدار لنگرهای خمشی دارد و در این بین عمدهی تاریر آن بر مقدار لنگرهای خمشی عرضی میباشد. برای مثال با ار ایش سختی خاک بستر از مقدار لنگر خمشی عرضی منفی کاسته شده و بر مقدار لنگر خمشی عرضی مثبت ار وده میشود. لذا به عنوان یک راه حل دیگر برای ن دیک کردن مقادیر لنگر خمشی عرضی منفی و مثبت به یکدیگر )ار ایش ظرریت خمشی مقطع( می توان خصوصیا خاک بستر را بهبود بخشید به صورتی که مدول بستر آن ار ایش یابد که یکی از راههای آن متراکم کردن هرچه بیشتر خاک زیر دال میباشد. 2-5- سیستم اسلبتراک درجا برای شناسایی ررتار این سیستم ابتدا یک دال بتنی به طول 51 متر عرض 1 متر و ضخامت 16 سانتیمتر که بر روی خاکی با مدول 16 MN/m 3 ارار گررته در نرمار ار مدل و تحلیل شده که در زیر نحوهی توزیع لنگر در راستای طولی و عرضی آن آورده شده است. با دات در شکلهای 59 و 54 درمییابیم که مشابه با سیستم دال پیشساخته مقدار ماک یمم لنگرهای خمشی طولی و عرضی در محل بارهای متمرک )محل پابندها( رخ میدهد که نشان از اابل توجه بودن بارهای متمرک در مقایسه با بارهای گسترده میباشد. 51 متر 1 متر شکل 13.توزیع لنگر خمشی در راستای عرض دال شکل 14.توزیع لنگر خمشی در راستای طول دال از شکلهای 51 و 50 مشاهده میشود که گرادیان تنش و نشست در عرض بیشتر از همین مقدار در راستای طولی خط است. بنابراین در این سیستم نی میتوان در نظر گررت که اسلبتراک درجا مشابه با حالت پیشساخته ررتاری یکطرره دارد. شکل 15.کانتور نشست دال )میلیمتر( 3
شکل 16. کانتورتنش معادل ( بر اساس معیار فون مایسز( در دال ( 2 )KN/m جدول 1 مقادیر لنگر خمشی به وجود آمده در دال درجا را نشان میدهد که به منظور مقایسه نتای در حالت پیشساخته نی آورده شده است. لنگر طولی منفی 0/691 6/00 جدول 2. مقایسه لنگرهای خمشی در دوسیستم دال درجا و پیشساخته لنگر طولی مثبت 50/658 50/61 لنگر عرضی مثبت 55/1 55/691 لنگر عرضی منفی 10/10 13/13 نو سیستم اجرای دال بتنی دال درجا 6/1( 1 51 متر( دال پیشساخته 6/1( 1 5.1 متر( از جدول 1 نتیجه میگیریم که در سیستم دال درجا به دلیل پیوستگی دالها در طول بیشتر لنگرهای منفی که در راستای طولی ایجاد میشود )0/691KN.m/m( نسبت به حالت پیشساخته KN.m/m( 6/01( بیشتر به دست میآید. همچنین مقادیر لنگر خمشی عرضی بیش از مقادیر لنگر خمشی طولی است و لذا اابل پیشبینی است که در این حالت نی لنگرعرضی منفی منجر به ترکخوردگی اولیه شود. در شکل 50 ترکخوردگی دال بتنی پیوسته به کمک المان Solid65 نمایش داده شده است. شکل 17. مراحل ترک خوردگی دال پیوسته به ابعاد 0/2 2.4 12 متر 56
نشست دال (mm) پنجمین کنفرانس ملی سالیانه بتن ایران تهران 51 مهرماه 5931 در این حالت نی مشابه با سیستم پیشساخته ترک خوردگی از محل لنگر ماک یمم منفی در ناحیهی بارهای متمرکه شهرو شده ترک ررته ررته باز میشود و با توجه به ماهیت دینامیکی بارهای واردهی اطار ترک به صور طهولی پهیشروی مهیکنهد. بنابراین به منظور طرح بهینهی عرض دال برای اسلبتراک درجا نی باید لنگر عرضی منفی مدنظر ارار بگیرد.. البته از آنجا که لنگرهای عرضی در حالت درجا و پیش ساخته تفاو چندانی ندارند دال درجا در عرض 1/4 متر آنالی شده و نتای آن به همهراه دال پیشساخته در جدول 9 آمده است. جدول 3. مقادیر لنگرهای خمشی برای عرض 2/4 متر در دو حالت دال درجا و پیشساخته مدول بستر )MN/m 3 ( 11 16 01 566 دال درجا 6/1( 1/4 51 متر( لنگر عرضی لنگر عرضی لنگر طولی منفی مثبت مثبت 50/90 50/14 58/4 51/99 50/85 50/00 54/41 58/64 51/89 59/06 58/15 51/91 دال پیش ساخته 6/1( 1/4 5/1 متر( لنگر عرضی لنگر عرضی لنگر طولی منفی مثبت مثبت 58/18 50/06 51/51 50/30 50/30 51/55 51/35 58/11 51/63 51/61 58/40 51/60 همانطور که از جدول 9 پیداست در مقادیر متعارف مدول بستر خاک )که در اکثر کشورها اجرا میشود( و ضخامت 16 سانتیمتر برای دال میتوان نتیجه گررت که در هر دو سیستم دال پیشساخته و درجا عرض 1/4 متر عرض بهینهی دال خواهد بود چرا که مقادیر لنگرهای خمشی عرضی و لنگر مثبت طولی تا حد زیادی به هم ن دیک شدهاند که متعاابا ار ایش باربری اسلب تراک را به دنبال خواهد داشت. به منظور مقایسه نهایی نمودار تغییرا نشست ماک یمم دال بر حسب مدول بستر برای هر دو سیستم دال پیشساخته و درجا در شکل 58 نشان شده است. 5/5 5 4/5 4 3/5 3 2/5 2 1/5 1 0/5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 مدول بستر خاک ) 3 (KN/m شکل 18. نشست دال در دوسیستم دال درجا و پیشساخته همان طور که از نمودار شکل 58 مشخص است مقدار نشست در دال درجا تا حدودی برابر نشست دال پیشساخته میباشد. البته طبیعی است که نشست دال در سیستم گسسته کمی بیشتر از نشست در سیستم دال پیوسته باشد. مطابق با نشریهی ]15[ 934 در سیستم روسازی بدون باتست )اسلبتراک بتنی( در سرعت طرح 506 کیلومتر بر ساعت نشست پسماند و نشست نسبی به ترتیب به مقادیر 0 سانتیمتر و 0 میلیمتر محدود میگردد که در هر دو سیستم و برای دال با عرض بهینه و K s>16mn/m 3 مقدار نشست در محدودهی مجاز باای میماند. 55
6- نتیجه گیری نتای تحلیلها حاکی از آن است که جنس خاک و ابعاد اسلبتراک )طول عرض و ضخامت( دو عامل مهم در ررتار اسلب- تراکهای بتنی میباشد. در این تحقیق سعی شده است که ارر نو خاک ابعاد دال بتنی و نو سیستم اجرای دال )پیشساخته یا درجا( در می ان تنشها و تغییرمکانهای اسلبتراک بررسی شود. بر اساس نتای به دست آمده میتوان نتیجه گررت که در هر دو سیستم اجرای دال مقادیر تنشها و تغییرشکلها در راستای عرضی نسبت به راستای طولی اابل مالحظهتر است و لنگرهای عرضی منفی باعث ترکخوردگی دال میشود لذا به منظور بات بردن ظرریت خمشی اسلبتراک دو راهکار وجود دارد. شیوهی نخست بهبود خواص مکانیکی دال اعم از بات بردن کیفیت بتن و ار ایش درصد مسلح کننده ار ایش صلبیت دال به کمک ار ایش ضخامت دال و یا اجرای دال در عرض بهینه میباشد. روش دوم شامل بهبود ررتار سیستم شامل ار ایش سختی و متراکم کردن بستر دال میباشد. در این تحقیق مطابق با توصیهی مهندسین مشاور راهآهن ایران برای دال ضخامت دال در تمامی حالتها 16 سانتیمتر در نظر گررته شد. لذا تنها گ ینهی ممکن یارتن عرض بهینهی دال بود به گونهای که لنگرهای مثبت و منفی داخل دال تا حدود زیادی به هم ن دیک شوند که ار ایش باربری اسلبتراک را به همراه داشته است. براساس نتای به دست آمده این مقدار عرض بهینه مطابق با شرایط خطوط راهآهن داخل کشور 1/4 متر توصیه میشود. بهعنوان نتیجهی دیگر از این تحقیق ازآنجا که ررتار اسلبتراکها در هر دو حالت پیشساخته و درجا تا حدودی شبیه به هم میباشد و با توجه به این که ساخت اطعا پیشساخته از سرعت و کیفیت باتتری برخوردار است توصیه میشود که در صور مستقیم از اطعا پیشساخته استفاده شود. امکان در خطوط ریلی 7- مراجع: [1] Esveld, C. "Developments in High-Speed Track Design", Structures for High-Speed Railway Transportation, IABSE Symposium, Antwerp, August 2003, PP. 27 29. [2] Charles, W., Schwartz, D. and Tayabji., "Analysis of Concrete Slab Track System", University of Maryland, Australia, PP. 159 178. 2000. [3] Zwarthoed, J.M., Markine, V. and Esveld, C., "Slab Track Design: Flexural Stiffness Versus Soil Improvement", in Rail-Tech. Europe, Utrecht, ISSN 0169-9288 CD-ROM, 3-5 April 2001, PP. 1 22. [4] مهندسین مشاورتوسعه راهآهن ایران "طراحی انوا سیستمهای خطوط بدون باتست" وزار راه و ترابری راهآهن جمهوری اسالمی ایران 5985 [5] Esveld, C. and Markine, V. "Use of Expanded Polystyrene (EPS) Sub-Base in Railway Track Design", Proceedings Van De Wegbouwkundige Werkdagen, PP. 473 484, 2002. [6] Steenbergen, M.J.M.M., Metrikine, A.V. and Esveld, C., "Assessment of Design Parameters of a Slab Track Railway System From a Dynamic Viewpoint", Journal of Sound and Vibration, Vol.306, Issues 1-2, PP. 361 371, 2007. ]7[ وزار راه و ترابری. معاونت آموزش تحقیقا و رناوری "ضوابط طراحی و اجرای روسازی بدون باتست در راهآهن" تهران مرک تحقیقا و آموزش راه و ترابری 5989. [8] Galvin, P. Romero, A. and Dominguez, J., "Vibrations Induced by HST Passage on Ballast and Non- Ballast Tracks", Journal of Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol.30, Issue 9, PP. 862 873, September 2010. [9] Madhkhan, M., Entezam, M., and Torki, M.E., "Mechanical Properties of Precast Reinforced Concrete Slab Tracks on Non-ballasted Foundations", Journal of Scientia Iranica, Vol. 19, No.1, PP.20-26, September 2011. ]56[ دیواندری. العهنوی. منصور "بررسی پارامترهای طراحی اسلبتراک در سازههای ریلی" ششمین کنگرهی بینالمللی عمران سمنان ایران اردیبهشت 5936. [11] Gharighoran. A, Hamidi. A, Rafizadeh. A, "Investigation of the Subway Slab Track under Different Loading Condition, Case Study: Isfahan Subway", American Journal of Advanced Scientific Research, Vol. 1, Issue. 3, PP. 106-112, 2012. [12] Esveld, C. "Modern Railway Track. Second Edition", MRT-Productions, Zaltbommel, ISBN 90- ]59[ معاونت برنامهری ی و نظار راهبردی ریاست جمهوری نشریه 965 800324-3-3, PP. 231 274, 2001. "مشخصا رنی عمومی روسازی راهآهن" ایران 5984. 51
[14] Sadeghi, J. "Experimental Investigation on the Accuracy of Current Practices in Analysis and Design of Railway Track Sleepers", Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 35, No. 9, PP. 881-893(13), September 2008. [15] Dutta, S.C., Roy, R., "A Critical Review on Idealization and Modeling for Interaction among Soil Foundation-Structure System", Computers and Structures, Vol. 80, Issues 20-21, PP. 1579-1594, August 2002. [16] Stavridis, L.T, "Simplified Analysis of Layered Soil-Structure Interaction", Journal of Structural Engineering,Vol. 128, Issue 2, PP.224-230, February, 2000. [17] Terzaghi, K.V., 1955, "Evaluation of Coefficient of Subgrade Reaction", Geotechnique, Vol. 5, No. 4, PP. 297-326, 1955. [18] Bowles, J. E., "Foundation analysis and design", ISBN 0-07-006776-7 (5th ed),1988. ]53[ معاونت برنامهری ی و نظار راهبردی ریاست جمهوری نشریه 103 "مشخصا رنی عمومی زیرسازی راهآهن" ایران 5989. ]16[ مهندسین مشاورتوسعه راهآهن ایران "طراحی انوا سیستمهای خطوط بدون باتست" وزار راه و ترابری راهآهن جمهوری اسالمی ایران 5985. ]15[ معاونت برنامهری ی و نظار راهبردی ریاست جمهوری نشریه 934 "دستورالعمل طراحی و نظار بر روسازی راهآهن سریعالسیر" ایران 5980. 59