автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование метода расчета нежестких аэродромных покрытий

На правах рукописи

СКУТИН Сергей Леонидович

Совершенствование метода расчета нежестких аэродромных

покрытий

(05.23.11. - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

Авто реферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре „Аэропорты" Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Степушин Александр Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Руденский Андрей Владимирович, кандидат технических наук Гвоздев Владимир Афанасьевич

Ведущая организация 26 ЦНИИ МО РФ

Защита состоится "17" февраля 2005г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК Минобразования РФ при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ). Автореферат разослан января 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Борисюк Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью повышения надежности конструкций аэродромных покрытий, так как аэродромные покрытия являются наиболее капиталоемкими сооружениями комплекса аэропорта. Решение этой задачи возможно лишь на основе привлечения математических методов теории вероятностей и случайных функций, позволяющих учесть изменчивость эксплуатационных нагрузок, прочностных и деформационных характеристик конструкционных материалов, закономерности распределения нагрузок от колес главных опор воздушных судов на отдельных участках аэродромных покрытий, а также отклонения геометрических параметров конструктивных слоев от проектных значений, обусловленные технологическими факторами.

Цель диссертационных исследований - совершенствование практической методики расчета конструкций нежестких аэродромных покрытий и слоев усиления жестких аэродромных покрытий из асфальтобетона с применением вероятностно-статистических методов и теории случайных функций.

Задачи исследований:

1. Провести теоретическое исследование по обоснованию статистических коэффициентов условий работы конструкции нежестких аэродромных покрытий и слоев усиления жестких покрытий из асфальтобетона.

2. Разработать методику для прогнозирования числа приложений нагрузок от колес главных опор с учетом вероятностного характера распределения движения воздушных судов по ширине элементов аэродрома.

3. Разработать программу для расчета статистических коэффициентов условий работы нежестких аэродромных

покрытий и слоев усиления жестких покрытий из асфальтобетона.

4. Провести статистические исследования по определению закономерности распределения физико-механических характеристик материалов конструктивных слоев нежестких аэродромных покрытий, взлетных масс воздушных судов и проходов колес главных шасси по ширине ИВПП и рулежных дорожек.

5. Провести вычислительный эксперимент для оценки влияния вероятностно-статистической изменчивости базисных аргументов на несущую способность и функциональную надежность конструкции нежесткого покрытия.

6. Выполнить технико-экономическую оценку практических предложений по совершенствованию методики расчета нежестких аэродромных покрытий и слоев усиления из асфальтобетона.

Методика исследования. В основу исследований положен вероятностно-статистический расчет конструкций нежесткого аэродромного покрытия, с заданным уровнем надежности на стадии проектирования, позволяющий более точно учесть вероятностный характер воздействия эксплуатационных нагрузок от колес главных опор шасси воздушных судов, температуру и изменчивость прочностных и деформационных характеристик материалов конструктивных слоев и их геометрических параметров по сравнению с детерминированными методами расчета.

Научная новизна:

Впервые получены аналитические решения для определения статистических коэффициентов условий работы нежесткого аэродромного покрытия по величине растягивающего напряжения при

изгибе в асфальтобетоне и общему прогибу всей конструкции в целом с использованием математического аппарата теории надежности.

Практическая ценность:

1. Разработаны практические рекомендации по проектированию и оценке несущей способности нежестких аэродромных покрытий из асфальтобетона, предложения по совершенствованию существующей нормативной базы по проектированию аэродромов.

2. Разработаны программы расчета ,^ТК1" и ,^Ж2" для ПЭВМ по совершенствованию нормативной базы проектирования нежестких аэродромных покрытий, записанные в библиотеке научных программ кафедры „Аэропортов" МАДИ (ГТУ).

Реализация результатов работы. Результаты работы нашли применение в учебном процессе кафедры „Аэропорты" МАДИ(ГТУ), а также намечены к внедрению в 26 Центральном научно-исследовательском институте МО РФ.

Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) в 2001-2004гг.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 138 стр., включает введение, 4 главы, общие выводы, 21 рисунок, 28 таблиц, список использованной литературы из 72 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель работы, изложена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены существующие методы расчета конструкций нежестких аэродромных покрытий. Проведен анализ исследований, посвященных учету вероятностно-статистической природы эксплуатационных нагрузок, прочностных и деформационных характеристик материалов.

Выполнен анализ существующего детерминированного метода расчета нежестких аэродромных покрытий. Установлено, что принятые в нормативных документах значения коэффициентов условий работы нежесткого аэродромного покрытия нуждаются в строгом теоретическом обосновании. Актуальность этой проблемы диктуется ростом взлетных масс современных сверхтяжелых широкофюзеляжных воздушных судов, имеющих многоколесные главные опоры с внутренним давлением в шинах, достигающим 1.6 МПа, и нагрузку на колесо, превышающую 250 кН. Тогда как принятые в действующих нормах расчета нежестких аэродромных покрытий коэффициенты условий работы были установлены более 60 лет назад, на основе экспериментальных данных испытаний установками, имитирующими воздействие главных опор воздушных судов с нагрузкой на колесо, не превышающую 50-100 кН. Это обстоятельство является одной из причин преждевременного разрушения нежестких аэродромных покрытий.

В связи с этим на современном этапе являются актуальными теоретические исследования, направленные на уточнение существующего метода расчета нежестких аэродромных покрытий.

Исследованию вопросов совершенствования и развития метода расчета нежестких аэродромных и дорожных покрытий посвящены работы: А.М.Богуславского, Л.И.Горецкого, А.С.Смирнова, В.Е.Тригони, В.П.Апестиной, С.Л.Нерубенко, В.А.Гвоздева, В.М.Сиденко, В.Ф.Бабкова, Н.Н.Иванова, С.В.Коновалова, Н.Н.Ермолаева, В.П.Носова, В.А.Семенова, Ю.М.Яковлева,

М.С.Коганзона, А.П.Васильева, Н.В.Горелышева, В.Н.Кононова, М.В.Немчинова, Т.П.Лещицкой, А.В.Руденского, В.К.Апестина и др.

Существующие методы расчета нежестких аэродромных покрытий являются детерминированными и не учитывают вероятностно-статистическую изменчивость расчетных параметров: модуля упругости асфальтобетона, материалов конструктивных слоев искусственных оснований и фунтов, геометрических характеристик слоев, числа приложений нагрузок от спектра воздушных судов и взлетных масс воздушных судов.

В свете современных представлений несущая способность конструкции нежесткого покрытия является функцией случайных аргументов: взлетной массы воздушного судна (эквивалентной нагрузки на колесо), числа приложений расчетных нагрузок, прочностных и деформационных характеристик материалов, толщин конструктивных слоев и температуры. Поэтому совершенствование существующего метода расчета нежестких аэродромных покрытий возможно лишь на основе применения математических методов теории надежности: теории вероятностей и случайных функций. Оценка уровня функциональной надежности запроектированной конструкции нежесткого аэродромного покрытия по существующему методу расчета неизвестна, что может привести к преждевременному разрушению или, наоборот, к излишнему запасу прочности нежесткой конструкции и неоправданным экономическим затратам. Поэтому на современном этапе, в условиях ограниченных экономических ресурсов, разработка вопросов, направленных на совершенствование методики расчета и оценки прочности конструкций нежестких покрытий с использованием математических методов теории надежности, является актуальной.

В связи с выше изложенным, целью настоящей диссертационной работы является совершенствование практической методики расчета

конструкций нежестких аэродромных покрытий и слоев усиления жестких аэродромных покрытий из асфальтобетона с применением вероятностно-статистических методов и теории случайных функций.

Во второй главе диссертации рассматриваются теоретические исследования, связанные с определением вероятностно-статистических характеристик растягивающих напряжений при изгибе и прогибов в конструкции нежестких аэродромных покрытий, позволяющих учесть случайный характер внешних нагрузок, изменчивость физико-механических свойств материалов, толщины плиты и заданный уровень надежности. С этой целью были использованы метод статистической линеаризации и теория случайных функций нескольких случайных аргументов.

При определения математического ожидания и дисперсии случайных функций к детерминированной аналитической зависимости для вычисления величины растягивающего напряжения в асфальтобетоне от воздействия эксплуатационной нагрузки используем формулу:

где - изгибающий момент от воздействия эксплуатационной нагрузки в центре плиты, лежащей на линейно-деформированном основании, который согласно решению М.И.Горбунова-Посадова может быть вычислен по формуле:

(1)

тс =^(0.0592-0.2137^-) ,

(2)

где - расчетная нагрузка на колесо:

где - максимальная взлетная масса воздушного судна;

д- ускорение силы тяжести;

К&ч - коэффициент, учитывающий долю взлетной массы

приходящегося на главные опоры шасси; К^ - коэффициент, учитывающий динамичность воздействия

нагрузки;

- коэффициент, учитывающий разгрузку колес главных шасси за

счет влияния подъемной силы;

п- количество главных опор шасси; щ - количество колес на главной опоре; Я - радиус отпечатка пневматика:

(ав - толщина асфальтобетона.

Дисперсию случайной функции растягивающего напряжения при изгибе асфальтобетона от колесной нагрузки определяем как дисперсию случайной функции четырех случайных аргументов по формуле:

да а дал да а дал где ——'~дЁ~ - частные производные функции (1) по

случайным аргументам: нагрузки на колесо толщины

асфальтобетона модуля упругости асфальтобетона и модуля упругости основания

(4)

^ - упругая характеристика:

(5)

= [0.0768 -1.2822{-

(7)

Еав( \-И2)

*па г ~

г , И )

авл

\ 6£(1-//2)

(9)

(10)

Коэффициент вариации случайной функции растягивающего

напряжения в асфальтобетоне от воздействия эксплуатационной нагрузки получили в следующей форме:

У^ =К

«„2.2

Я

>2 2

{-г-[-0.0768 -1.2822у]} сг + {-^[2.56440.1536]}^; +

* пл * лв

(11)

+ 0.0344 ^-[Гр + УЪ]] /[0.3552^- -1.2822

-4 1 £„ 1 -2 -2

'ав 'ав 'ав

Для определения математического ожидания и дисперсии случайной функции предельного растягивающего напряжения при изгибе для асфальтобетона использован метод статистической линеаризации к детерминированной зависимости, определяющей прочность монолитного слоя из асфальтобетона при многократном воздействии эксплуатационной нагрузки:

»ЛоМгО-^лО . (12)

где нормативное значение предельного сопротивления

асфальтобетона растяжению при изгибе в расчетный (весенний) период при однократном воздействии нагрузки;

- коэффициент, учитывающий снижение прочности асфальтобетона вследствие усталостных явлений при многократном воздействии нагрузки;

- коэффициент, учитывающий снижение прочности асфальтобетона от воздействия природно-климатических факторов;

'Я

коэффициент вариации прочности асфальтобетона на

растяжение при изгибе;

коэффициент нормативного отклонения (определяющий количество стандартных отклонений от среднего значения и зависящий от уровня заданной надежности).

Дисперсия случайной функции предельного сопротивления асфальтобетона растяжению при изгибе при многократном воздействии нагрузки определена как дисперсия двух случайных

аргументов по формуле: Я»., -

(13)

8Я

Па, =Дш =(ак2Мр11т)2я1 + (~£

тИ

ак2Я

(1//п)+1

2о2

N.

Г 5

(14)

Для определения коэффициента вариации случайной функции

растягивающего напряжения при многократном воздействии нагрузки получены следующие зависимости:

- для плотного асфальтобетона

(15)

■Л5Щ

для пористого асфальтобетона

Аналитическое решение для определения статистического коэффициента условий работы нежесткого покрытия по первому предельному состоянию (прочности) получено в следующем виде:

Кро = (1 - 1 - О - [{-^[-0.0768 -1.28221ё |]}2 ^ + V 1ав

+ {%2.564418|:-0Л536]}2<72 + 7* Ь <*

»па

+ 0.0344 Ц- [К2 + ]] / [[0.3552 -1.2822 Щ- \ё £]]2) х 'ав 'ав 'ав

[ (4.75^/222)252 +0-0311Ч^)24р]2

(1 - г2р 1--2-\т -—)>'

21.5296Л N

п-г2р-

(4.75^-222)2 52+(1.0311-^-)24 ]2

N

21.5296А2Л^'778

(17)

где аргумент нормированного нормального распределения,

взятый при заданной надежности Р.

Для определения математического ожидания и дисперсии случайной функции прогиба нежесткого покрытия от воздействия расчетной нагрузки использован метод статистической линеаризации к детерминированной зависимости:

£ ^ и''3 Л

(18)

где - прогиб покрытия от воздействия расчетной нагрузки;

Д - диаметр круга, равновеликого по площади отпечатку пневматика;

ра - внутреннее давление в шинах колес;

- толщина покрытия;

где Еае и Е - модули упругости асфальтобетона и основания.

Дисперсию случайной функции расчетного прогиба конструкции нежесткого покрытия определяем как дисперсию случайной функции пяти случайных аргументов по формуле:

Для определения коэффициента вариации случайной функции

расчетного прогиба конструкции нежесткого покрытия получена следующая формула:

"И",

Для определения статистических параметров случайной функции предельного прогиба нежесткого покрытия использовано детерминированное решение, полученное Н.Н.Ивановым:

0.55 Др

IV,, =-

(27)

где предельно допустимый прогиб конструкции нежесткого

покрытия;

р - давление в шинах колес;

Д - диаметр круга, равновеликого по площади отпечатка пневматика;

- толщина и модуль упругости верхнего слоя; Е - модуль упругости грунта.

Дисперсия случайной функции предельного прогиба нежесткого покрытия из асфальтобетона определена как дисперсия случайной функции пяти случайных аргументов:

Здесь ^ = (29)

Ф Е'ав V Еав

Ш Л «й I Р

(30)

(31)

(32)

(33)

Для определения коэффициента вариации случайной функции

предельного прогиба нежесткого покрытия из асфальтобетона получена следующая зависимость:

Аналитическое решение для определения статистического коэффициента условий работы нежесткого аэродромного покрытия при расчете по относительному упругому прогибу имеет вид:

где Zp - аргумент нормированного нормального распределения, взятый при заданной надежности Р.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по определению статистических параметров нежестких аэродромных покрытий.

В целях исследования влияния воздействия различных факторов на значение статистических коэффициентов условий работы конструкций нежестких покрытий по предельному относительному прогибу и величине растягивающего напряжения при изгибе были разработаны на языке Паскаль специальные программы „STK1" и „STK2" для персонального компьютера IBM PC/AT и проведен вычислительный эксперимент.

Программами „STK1" и „STK2" предусмотрен вывод на печать исходных данных, толщин асфальтобетона и значений статистических

коэффициентов условий работы нежесткого аэродромного покрытия соответственно по величине растягивающего напряжения при изгибе и относительному прогибу, вычисленных с заданным уровнем надежности Р.

В целях иллюстрации влияния изменчивости случайных аргументов на величину статистического коэффициента условий работы асфальтобетона на растяжение при изгибе ниже приведены результаты вычислительного эксперимента, полученные при следующих исходных данных:

^ = 80.0 кН УР = 0.05 - -0.10

Г = 0.05-0.25м Уг- = 0.05- 0.20

1ае = 2.% МП а Ул = 0.05- -0.20

Еав = 700 - 4500М7я УЕ =0.05 ов -0.20

Е0 = 150 - 600 МП а УЕ = 0.05- -0.30

N = 200000 Уы = 0.05- -0.10

ка = 1.1, у/ = 1Д ра = 600000М77а, цт = 0.25, ц0 = 0.30.

Анализ результатов расчета по программе ,^ТК1" показал, что величина статистического коэффициента условий работы асфальтобетонного покрытия толщиной 0.05-0.25м на растяжение при изгибе при заданных условиях надежности Р = 0.80, 0.90 и 0.95 изменяется соответственно в интервалах:

0.791-0.794; 0.685-0.687 и 0.598-0.602 при коэффициенте вариации толщины асфальтобетонного покрытия = 0.05;

0.756-0.761; 0.632-0.640 и 0.534-0.544 при коэффициенте вариации толщины асфальтобетонного покрытия V, = 0.10;

0.647-0.661; 0.472-0.494 и 0.337-0.364 при коэффициенте вариации толщины асфальтобетонного покрытия = 0.20.

Вычисленные значения статистического коэффициента условий работы при заданном уровне надежности Р=0.8-0.95 значительно

отличаются от принятых в нормативном документе по проектированию аэродромных покрытий СНиП 2.05.08-85.

Значения статистического коэффициента условий работы асфальтобетонного покрытия по прочности на растяжение при изгибе, вычисленные по программе ,^Ж2" при заданных уровнях надежности: Р=0.5; 0.6; 0.7; 0.8; 0.9 и 0.95, соответственно составляют: 1.0; 0.86; 0.72; 0.55; 0.35 и 0.19.

Анализ результатов расчета показал, что вероятностно-статистическая изменчивость модуля упругости асфальтобетона и основания, характеризуемая средними значениями Еае = 4500МПа и Е= 150МПа и коэффициентами их вариации Уд =0.20 и =0.30,

влияет на значение коэффициента условий работы асфальтобетонного покрытия по величине растягивающего напряжения при изгибе в большей степени, чем на значение коэффициента условий работы по величине относительного упругого прогиба (табл.1).

Таблица1

Наименование Значения коэффициентов условий работы при

параметра заданном уровне надежности Р

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95

]г лрсг 1.0 0.86 0.71 0.55 0.34 0.19

к 1.0 0.88 0.76 0.62 0.42 0.30

Как показывает анализ данных табл. 1, при уровне заданной надежности Р=0.5 значения коэффициентов кр(Хи к^ совпадают и

равны 1.0. С увеличением уровня заданной надежности Р=0.6-0.95 между значениями данных коэффициентов имеет место расхождение, которое составляет от 2.3 до 57.9%. При изменении уровня заданной

N * Р

\ ч \ \ \ К N \ ч \

\ \ \ \ Ч N Ч \ ч! \ у с < N

\ \ ч ч \ Ч Ч >

N \ % ч Ч <

\ \ > \

05 06 0? 08 09 095 09Э

Рис.1. Изменение статистического коэффициента условий работы кри от коэффициента вариации модуля упругости УЕ грунтового

основания и заданного уровня надежности

надежности Р в интервале 0.6-0.7 это расхождение незначительно: всего лишь от 2.3 до 7.0%.

На рис.1 приведены зависимости, характеризующие изменение статистического коэффициента условий работы асфальтобетонного покрытия от коэффициента вариации модуля упругости фунтового основания и уровня заданной надежности Р, полученные по программе ,^Ж2".

Анализ зависимостей, представленных на рис.1, показывает, что вероятностно-статистическая изменчивость параметра

деформативности грунтового основания значительно влияет на величину статистического коэффициента условий работы асфальтобетонного покрытия по относительному упругому прогибу при одинаковом уровне заданной надежности.

Так, при уровне заданной надежности Р=0.70 с изменением коэффициента вариации от 0.1 до 0.30 значение коэффициента кр„ изменяется в интервале от 0.90 до 0.82, т.е уменьшается на 9%.

С увеличением уровня заданной надежности Р влияние изменчивости модуля упругости фунта на величину к^ возрастает. При Р=0.90 с

изменением коэффициента вариации Уд от 0.10 до 0.30 значение статистического коэффициента к^ уменьшается от 0.70 до 0.45, т.е. на 50%.

Проведены статистические исследования толщины асфальтобетонного покрытия. В целях исследования изменчивости конструктивных слоев нежесткого аэродромного покрытия был проведен отбор проб верхнего слоя усиления железобетонного покрытия из асфальтобетона на участке ВПП-1 от ПК0+30 до ПК19+20 аэродрома „Чкаловский".

Отбор кернов осуществляли по длине ВПП от ПКО+30 до ПК19+20. Для отбора кернов использовали установку Сб1г. Всего было отобрано 98 кернов диаметром 7см. Точность измерения высоты кернов (толщины) верхнего слоя асфальтобетона составила ± 1мм.

Результаты проведенного статистического исследования подтвердили гипотезу о нормальном распределении толщины асфальтобетона в конструкции нежесткого аэродромного покрытия. Для проверки гипотезы о нормальном распределении толщины асфальтобетонного покрытия был использован критерий К.Пирсона.

Статистический анализ результатов исследований показал, что коэффициент вариации толщины верхнего слоя асфальтобетона составляет 19.61%. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с данными других исследователей.

Для исследования закономерности распределения прочности асфальтобетона были использованы результаты испытаний образцов кернов на растяжение при расколе, при температуре Т=0°С приготовленного на АБЗ ,,Бетас" и уложенного в верхний слой покрытия МКАД, а также асфальтобетонной смеси, приготовленной на АБЗ „Дорасфальт" и уложенной на 7-92км МКАД в 1999г.

На рис. 2 приведена графическая интерпретация результатов статистического исследования прочности асфальтобетона на растяжение при расколе, приготовленного на АБЗ „Бетас" и „Дорасфальт". Как показывает анализ данных рис.2, с увеличением коэффициента вариации прочности асфальтобетона на растяжение при расколе, теоретическая интегральная функция распределения имеет более пологий характер. Между эмпирической и теоретической функцией распределения прочности асфальтобетона, приготовленного на АБЗ ,,Бетас", наблюдается значительное расхождение, что обусловлено неоднородностью смеси.

Изменчивость прочности асфальтобетона на растяжение при расколе, приготовленного на АБЗ „Дорасфальт" и „Бетас", составила 13.3% - 32%, что хорошо согласуется с данными, установленными В.А.Семеновым, для прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе.

Проведены исследования закономерности распределения взлетных масс воздушных судов.

С этой целью были выполнены статистические исследования распределения взлетных масс воздушных судов в аэропорту Внуково. Для статистической обработки были использованы данные штурманского отдела о фактических взлетных массах воздушных судов, зафиксированные в заданиях на полет за период с 1.01 по 1.09.2000г.

Анализ результатов статистического исследования показал, что коэффициент вариации взлетной массы воздушных судов изменяется в интервале 4.8 - 7.2%. Полученные данные хорошо согласуются с данными, полученными ранее другими исследователями. В практических расчетах конструкций нежестких аэродромных покрытий с использованием вероятностных методов величина коэффициента вариации взлетных масс воздушных судов может быть принята равной среднему значению - 6%.

В четвертой главе диссертации проведено обобщение результатов экспериментально-теоретических исследований и даны практические предложения по расчету нежестких аэродромных покрытий с заданным уровнем надежности.

Практический расчет конструкций нежестких аэродромных покрытий с заданным уровнем надежности на стадии проектирования рекомендуется выполнять из условий:

Рис.2. Гистограмма эмпирической и теоретической функции распределения прочности асфальтобетона на растяжение при расколе:

1 - теоретическая интегральная функция Ф^) для асфальтобетонной смеси АБЗ ,,Дорасфальт";

2 - теоретическая интегральная функция Ф^) для асфальтобетонной смеси АБЗ ,,Бетас";

3 - эмпирическая функция распределения прочности асфальтобетона на растяжение при расколе АБЗ „Бетас"

- по относительному прогибу

- по величине растягивающего напряжения при изгибе в асфальтобетоне:

(40)

где кр„ и кра - статистические коэффициенты условий работы

нежесткого аэродромного покрытия соответственно по относительному прогибу и растяжению асфальтобетона при изгибе, учитывающие вероятностно-статистическую изменчивость

эксплуатационных нагрузок от колес воздушных судов, деформационных, прочностных и геометрических характеристик конструктивных слоев нежесткого покрытия, с заданным уровнем надежности.

Проведено сопоставление результатов расчета нежесткого аэродромного покрытия по СНиП 2.05.08-85 и уточненной методике.

Требуемая толщина асфальтобетонного покрытия, вычисленная по уточненной методике с заданным уровнем надежности, на 48.8% (в 1.4 раза) превышает таковую, определенную по СНиП 2.05.08-85. Это подчеркивает актуальность учета совместного неблагоприятного влияния вероятностно-статистической изменчивости прочностных и деформационных характеристик материалов, эксплуатационных нагрузок и возможных отклонений толщин конструктивных слоев нежестких покрытий от проектных, обусловленных технологическими факторами.

Общие выводы.

1. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать практическую методику вероятностно-статистического расчета конструкций нежестких аэродромных покрытий из асфальтобетона с учетом изменчивости

прочностных и деформационных характеристик асфальтобетона, фунтового основания, толщины конструктивных слоев, взлетных масс воздушных судов и вероятностного характера распределения эксплуатационных нагрузок.

2. Разработана методика прогнозирования числа приложений нагрузок от воздушных судов с учетом вероятностного характера распределения проходов колес главных опор по ширине элементов аэродрома.

3. Получены аналитические решения для определения статистических коэффициентов условий работы нежесткого аэродромного покрытия по величине растягивающего напряжения при изгибе в асфальтобетоне и общему прогибу всей конструкции в целом с использованием математического аппарата теории надежности.

4. Результаты экспериментальных исследований позволили установить статистические параметры и закономерности распределения прочности на растяжение при изгибе и модуля упругости асфальтобетона, толщины асфальтобетонного покрытия, взлетных масс воздушных судов и проходов колес главных шасси по ширине элементов аэродрома.

5. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические предложения по совершенствованию существующего метода расчета нежестких аэродромных покрытий с заданным уровнем надежности.

6. Для практического использования разработанных предложений по совершенствованию существующей нормативной базы по проектированию нежестких покрытий разработаны программы расчета ,^ТК1" и ,^ТК2" для ПЭВМ, записанные в библиотеке научных программ кафедры „Аэропортов" МАДИ (ГТУ).

По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатные работы, в которых отображены основные положения диссертации.

1. Скутин С.Л. К расчету числа приложений нагрузок от воздушных судов на аэродромные покрытия. Деп. в ВИНИТИ 14.11.01, №2371-В01 .-М.,2001 .-7с.

2. Скутин С.Л. Деформирование асфальтобетонных покрытий под воздействием эксплуатационных нагрузок. Сборник научных трудов/ МАДИ, 2001. - С. 78-84.

3. Степушин А.П., Скутин С.Л. Определение статистического коэффициента условий работы нежесткого аэродромного покрытия по относительному прогибу конструкции. Деп. в ВИНИТИ 22.05.02,№902-В02. - М., 2002. - 7с.

4. Степушин А.П., Скутин С.Л. Исследование статистического коэффициента условий работы асфальтобетона по прочности на растяжение при изгибе. Сборник научных трудов/ МАДИ, 2003. -С. 5-28.

Подписано в печать М.01.2005г.

Печать офсетная Усл печ л 1,4

Тираж_100_экз_Заказ г_

Ротапринт МАДИ(ГТУ) 125319, Москва, Ленинградский просп, 64

Формат 60x84/16 Уч -изд. л 1,2

of ¿Ъ

Введение 4

Глава 1. Постановка проблемы. Цель и задачи исследований

1.1. Анализ существующих методов расчета нежестких аэродромных покрытий 7

1.2. Вероятностно - статистические закономерности распределения прочностных и деформационных характеристик материалов конструктивных слоев

1.3. Учет закономерности распределения нагрузок от колес главных шасси воздушных судов 24

1.4. Учет воздействия природно - климатических факторов 30

1.5. Выводы . Цель и задачи исследований 35 -

Глава 2. Теоретические исследования

2.1. Основные положения вероятностно - статистического расчета нежестких аэродромных покрытий 39

2.2. Определение статистического коэффициента условий работы нежесткого аэродромного покрытия по прогибу 44

2.3. Определение вероятностно - статистических характеристик случайной функции растягивающего напряжения при изгибе в асфальтобетоне от воздействия эксплуатационных нагрузок 49

2.4. Расчет вероятностно - статистических параметров случайной функции предельного растягивающего напряжения при изгибе для асфальтобетона 56

Глава 3. Экспериментальные исследования

3.1. Задачи и алгоритм программы вычислительного эксперимента на ЭВМ 61

3.2. Исследование статистического коэффициента условий работы асфальтобетонного покрытия на растяжение при изгибе 66

3.3. Исследование статистического коэффициента условий работы асфальтобетонного покрытия по упругому прогибу 79

3.4. Статистическое исследование изменчивости толщины асфальтобетонного покрытия 88

3.5 Исследование закономерности распределения модуля упругости и прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе 96

3.6. Исследование закономерности распределения взлетных масс воздушных судов 102

Глава 4. Разработка практических рекомендаций по расчету нежестких аэродромных покрытий

4.1. Методика вероятностно-статистического расчета нежестких аэродромных покрытий 112

4.2. Сопоставление результатов расчета нежесткого аэродромного покрытия по существующей и уточненной методике 116

4.3. Выводы 130-131 Общие выводы 132-133 Список использованных источников 134

Одной из наиболее актуальных задач на современном этапе проектирования аэропортов является повышение надежности конструкций аэродромных покрытий, являющихся наиболее капиталоемкими сооружениями комплекса аэропорта.

Для решения этой задачи на стадии проектирования аэродромных покрытий необходимо располагать данными, характеризующими вероятностно - статистическую изменчивость эксплуатационных нагрузок и физико-механических свойств конструкционных материалов.

Применяемый в практике проектирования детерминированный метод расчета нежестких аэродромных покрытий не отражает стохастическую природу деформационных и прочностных характеристик материалов, вероятностного характера воздействия нагрузок от колес главных шасси воздушных судов и геометрических характеристик параметров.

Сложившееся в практике проектирование аэродромных покрытий положение в значительной мере объясняется отсутствием разработанной методики расчета жестких аэродромных покрытий с заданным уровнем надежности на стадии проектирования. Устранение этого недостатка возможно лишь на основе привлечения математических методов теории вероятностей и случайных функций, позволяющих учесть изменчивость физико-механических свойств материалов, геометрических характеристик конструктивных слоев и вероятностный характер распределения нагрузок от воздушных судов на отдельных участках аэродромных покрытий.

В вероятностной трактовке величины расчетного и предельного растягивающих напряжений, а также величин расчетного и предельного относительных прогибов нежесткого покрытия, являются случайными функциями нескольких случайных аргументов. Закономерности распределения случайных функций предельного и расчетного изгибающих моментов до настоящего времени не установлены.

Вместе с тем закономерности распределения случайных аргументов: прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе, деформационных характеристик грунта, геометрических характеристик сечения конструктивных слоев, нагрузок от воздушных судов и климатических факторов изучены достаточно широко.

Это обстоятельство позволяет, используя методы теории случайных функций, по известным законам распределения случайных аргументов установить статистические параметры распределения случайных функций: математическое ожидание и дисперсию расчетного и предельного прогиба конструкции нежесткого покрытия и растягивающего напряжения в асфальтобетоне. Анализ полученных теоретических решений с применением ЭВМ позволит оценить влияние любого случайного аргумента на статистические параметры перечисленных случайных функций. Результаты исследования на ЭВМ могут быть использованы для обоснования статистического коэффициента условий работы нежестких аэродромных покрытий, позволяющего учесть совместное неблагоприятное воздействие изменчивости эксплуатационных нафузок, физико-механических свойств материалов, отклонение толщин конструктивных слоев от проектных значений, обусловленных технологическими факторами и заданным уровнем надежности конструкции нежесткого покрытия на стадии проектирования.

Для разработки практической методики расчета нежесткого аэродромного покрытия с заданным уровнем надежности на стадии проектирования необходимо располагать данными о вероятностно-статистических закономерностях распределения взлетных масс воздушных судов, принимаемых в действующем СНиП 2.05.08-85 детерминированными величинами. Учет вероятностного характера распределения взлетных масс воздушных судов и распределения проходов колес главных опор шасси по ширине элементов аэродрома позволяет выявить имеющийся резерв несущей способности конструкции покрытия по сравнению с вычисленными детерминированными методами расчета.

В настоящей работе сделана попытка устранить недостатки, имеющиеся в практике проектирования нежестких аэродромных покрытий. В ней отражены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, связанные с разработкой вероятностного метода расчета нежесткого аэродромного покрытия с заданным уровнем надежности. Приведена программа расчета статистического коэффициента условий работы нежесткого аэродромного покрытия на ЭВМ, результаты численного эксперимента по исследованию влияния изменчивости прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе, модуля упругости асфальтобетона, толщины конструктивных слоев, модуля упругости фунтового основания, числа приложений нагрузок от колес главных опор воздушных судов, амплитуды колебания температуры на поверхности покрытия и заданного уровня надежности на величину статистического коэффициента условий работы нежесткого аэродромного покрытия.

Приведены практические рекомендации и примеры расчета нежесткого аэродромного покрытия с заданным уровнем надежности на стадии проектирования.

Общие выводы

1. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования -позволили разработать практическую методику вероятностно - статистического расчета конструкций нежестких аэродромных покрытий из асфальтобетона с учетом изменчивости прочностных и деформационных характеристик асфальтобетона, фунтового основания, толщины конструктивных слоев , взлетных масс воздушных судов и вероятностного характера распределения эксплуатационных нафузок.

2. Разработана методика прогнозирования числа приложений нафузок от воздушных судов с учетом вероятностного характера распределения проходов колес главных опор по ширине элементов аэродрома.

3. Впервые получены аналитические , решения для определения статистических коэффициентов условий работы нежесткого аэродромного покрытия по величине растягивающего напряжения при изгибе в асфальтобетоне и общему прогибу всей конструкции в целом с использованием математического аппарата теории надежности. Полученные аналитические зависимости позволяют учесть совместное неблагоприятное влияние воздействия изменчивости эксплуатационных нафузок, физико - механических свойств материалов и толщин конструктивных слоев, обусловленных технологическими факторами с заданным уровнем надежности нежесткого покрытия на стадии проектирования.

-1334. Результаты вычислительного эксперимента проведенного на ПЭВМ PC AT по разработанным программам, позволили установить влияние вероятностно --статистической изменчивости базисных аргументов на несущую способность конструкции нежесткого покрытия.

5. Результаты экспериментальных исследований позволили установить статистические параметры и закономерности распределения прочности на растяжение при изгибе и модуля упругости асфальтобетона, толщины асфальтобетонного покрытия, взлетных масс и проходов колес главных шасси воздушных судов по ширине взлетно -посадочных полос и рулежных дорожек.

6. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации по проектированию и оценке несущей способности нежестких аэродромных покрытий из асфальтобетона, предложения по совершенствованию существующей нормативной базы по проектированию аэродромов.

7. Для практического использования разработанных предложений по совершенствованию существующей нормативной базы по проектированию нежестких покрытий разработаны программы расчета "STK1" и "STK2" для ПЭВМ, записанные в библиотеке научных программ кафедры аэропортов МАДИ ( ГТУ).

1. Ашфорд Н., Райт П.Х. Проектирование аэродромов. Пер. с англ. А.П. Степушин. -М.: Транспорт, 1988. - 328 с.

2. Бируля А.К. Конструирование и расчет нежестких одежд автомобильных дорог. М.: Транспорт. 1964.

3. Богуславский А.М. Теоретические основы деформирования асфальтобетона. Дисс. на соиск. докт. техн. наук. М. : МАДИ.1971.

4. Большее Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математических статистик. М.: Наука, 1983. - 416 с.

5. Васильев А.П. Содержание и ремонт автомобильных дорог : Справочник инженера дорожника. - М. Транспорт, 1989. - 287с.

6. Васильев А.П., Сиденко В.М. Эксплуатация автомобильных дорог и организация дорожного движения. М. : Транспорт, 1990.-304с.

7. Виноградов А.П. Надежность и сертификация прочности цементобетонных покрытий аэродромом. -М : АО Ирмаст. 1994.-125 с.

8. Глушков Г.И., Маквелов Л.И. Реконструкция бетонных покрытий аэродромов. М.: Транспорт, 1965. - 222с.

9. Ю.Горбунов Посадов М.И., Маликова Т.А. Расчет конструкций на упругом основании. -М ., 1973.

10. Горелышев Н.В. Повышение качества асфальтобетона и долговечности дорожных покрытий на его основе. М. : Труды СоюздорНИИ. Вып 79.1975. 15 20с.

11. Горецкий Л.И. Эксплуатация аэродромов. М. : Транспорт. 1965.-280 с.

12. Дмитрович А.Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов. М.: Стройиздат, 1963.

13. Ермолаев Н.Н., Михеев В.В. Надежность оснований сооружений . -Л.: Стройиздат , 1976. -152 с.

14. Захаров С.Б. Экспериментальное определение однородности фунтового основания бетонных и железобетонных конструкций. Куйбышев. КуИСП., 1975. 191-193 с.

15. Золотарь И А, Некрасов В.К. и др. Повышение надежности автомобильных дорог. М.: Транспорт. 1977.

16. Иванов Н.Н., Ефремов J1.Г. О работоспособности асфальтобетона в дорожном покрытии. М. Труды МАДИ. Вып. 63.1973. 52-59с.

17. Игнатова О.И. Об изменчивости характеристик фунтов оснований зданий и сооружений. Сборник. Вопросы надежности железобетонных конструкций. Куйбышев. КуИСП., 1975.78-83 с.

18. Йодер Е.Д. Причины проектирования дорожных и аэродромных одежд. М.: Транспорт. 1964.

19. Казарновская Э.А. Реологические свойства асфальтобетона при отрицательных температурах. М. : Труды СоюздорНИИ. Вып. 11.1967.107 -113с.

20. Ковалев Я. Н. Исследование процесса прогрева асфальтовых покрытий под действием солнечной радиации. Минск. Сб. Проблемы строительной теплофизики. Высшая школа,1965.

21. Коган Б.И. Точное решение теории упругости для многослойного полупросфанства , для расчета нежестких дорожных покрытий. Труды ХАДИ. Вып.21. Харьков. 1958. 34-42с.

22. Коновалов П.А., Рудницкий Н.Я. О коэффициенте изменчивости модуля деформации фунта. Основания, фундаменты и механика фунтов №3,1964.16 -18 с.

23. Кононов В.Н. Асфальтовый бетон в условиях напряженного состояния городских дорог. Сб. Технический прогресс в строительстве инженерных коммуникаций и сооружений. М .: 1982. 77 - 81с.

24. Кононов В.Н. Методические указания по расчету и конструированию дорожных покрытий с асфальтобетонным покрытием. ВСН 5 - 68 Главмосстроя. - М. : 1968. 40-68с.

25. Кононов В.Н. О повышении долговечности и эксплуатационных качеств покрытий городских дорог. М. Строительство и архитектура Москвы. N10.1968. 34 36с.

26. Кононов В.Н. Причины преждевременных разрушений асфальтобетонных покрытий. Автомобильные дороги N 9. 1967. 24-25с.

27. Кононов В.Н. Эксплуатационные особенности асфальтобетона в несущих слоях дорожных одеед г.Москвы. 40 ая научно - методическая и научно -исследовательская конференция МАДИ. 1982.

28. Королев И.В. Дорожный теплый асфальтобетон. Киев. Высшая школа. 1975.

29. Ладыши Б.И. и др. Методика определения расчетной высокой температуры асфальтобетона. Минск. Доклады АН. БССР. Том XII, №12.1968.

30. Макагонов В.А. Основные принципы устройства асфальтобетонных слоев по цементобетонным покрытиям. Аэропорты. Прогрессивные технологии №1(14), 2002. 2-5 с.

31. Мединков И.А. Напряжения в покрытиях из раномодульных материалов. М. Труды МАДИ, Вып.14.1967. 16-20с.

32. Носов В.П. Прогнозирование ресурса дорожных одежд при проектировании автомобильных дорог // Научно-технические проблемы дорожной отрасли стран СНГ : Сб. науч. тр. М. 2000. 115 122.

33. Носов В.П. Учет изменчивости деформативных слоев земляного полотна при расчете цементобетонных покрытий. / Труды МАДИ. Строительство и эксплуатация автомобильных дорог. Вып.170. / М. : МАДИ. 1979. 72-78 с.

34. Носов В.П., Болормао Р. Влияние качества строительных работ на накопление повреждений. Сб. науч. тр. МАДИ. Анализ и пути совершенствования методов строительства и эксплуатации автомобильных дорог. М. : МАДИ. 2002. 160-167с.

35. Отдельные дорожные нормы ОДН 218.046 01. Проектирования нежестких дорожных одежд. -М-Информавтодор. 2001. -144 с.

36. Повышение надежности автомобильных дорог. Под. ред. П 42. Золоторя И.А. -М., "Транспорт", 1977.

37. Поляков А.В. Аэродромные покрытия. Л. : Л ВИКА им. Можайского , 1968. - 455 с.

38. Радовский Б.С. Поведение дорожной конструкции как слоистой вязко-упругой среды под действием подвижной нагрузки. Новосибирск. Изд-во Вузов. Строительство и архитектура. 1975. N 4.126- 130с.

39. Романов Н.И., Смирнов С.Л. Аэродромные покрытия из асфальтобетона. Аэропорты. Прогрессивные технологии №1(6), 2000.6 9 с.

40. Руденский А.В., Штронберг А.А., Шестакова Н.А. О выборе расчетных значений модулей упругости асфальтобетона при проектировании конструкции дорожной одееды. Труды Гипродорнии. Вып. 8. 1973 . 112- 119 с.

41. Руденский А.В. Дорожные асфальтобетонные покрытия. -М.: Транспорт,1992.-253 с.

42. Руденский А. В. Влияние климатических и эксплуатационных условий на работу асфальтобетонных покрытий.

43. Семенов В.А. Качество и однородность автомобильных дорог. -М.: Транспорт, 1989.-125с.

44. Сиденко В.М. и др. Автомобильные дороги (совершенствование методов проектирования и строительства) Киев.Будивельник.1973.

45. Скачко А.Н., Шамин С.С. Оценка неоднородности грунтов по результатам штамповых испытаний: / Наука и техника граеданской авиации. №3/, 1975.46 52с.

46. Смирнов А. В. Динамика дорожных одеед автомобильных дорог. Омск.Зап.Сиб.Изд-во.1975.

47. Смукрович В. В. Исследование расчетных параметров взлетно-посадочных полос на аэродромах гражданской авиации. БНТИ ГПИ и НИИ ГА Аэропроекг. -М., ОНТИ. Аэропроект,1967.48-79с.

48. Степушин А. П. Определение количества воздействий нафузок от колес самолетов на плиту жесткого аэродромного покрытия. Труды ГПИ и НИИ ГА Аэропроекг. Вып.11.-М.:ОНТИ Аэропроект. 1973.37-51с.

49. Степушин А.П., Сабуренкова В.А. Основы научных исследований в аэропортостроении : Учебное пособие /МАДИ(ТУ).-М.,2000.-117с.

50. СНиП II 47 - 80. Аэродромы.Госстрой СССР.-М.: Стройиздат,1981 .-56с.

51. СНиП 2.05.08 85.Аэродромы.53. СНиП 32.03.96.

52. Сюньи Г.К., Билай Л.В. Использование старого асфальтобетона. -М. Автомобильные дороги №8.1969.

53. Теляев П.И, Смирнов Ю.И. Обоснование значений динамического коэффициента к нафузке применительно к расчету дорожных одежд. Труды СоюздорНИИ. Вып.114.1979. 16-21 с.

54. Яковлев Ю.М., Коганзон М.С. Качество и надежность дорожного строительства.-М., 1981.

55. Яковлев Ю.М., Коганзон М.С. Оценка и обеспечение прочности дорожных одежд нежесткого типа: Учеб. Пособие.-М.,1990.

56. Яковлев Ю.М., Апестин В.К. Испытание и оценка прочности нежестких дорожных одежд. -М.,1977.

57. Яковлев Ю.М. Сравнение методов оценки прочности нежестких дорожных одежд. М. Труды МАДИ. Вып. 170.1979. 3 8с.

58. Яцкевич И.К. Трещиностойкость асфальтобетона при низкой температуре. Минск. Наука и техника. 1972. 99-119с.

59. AASHO Road test. Washington. 1962.

60. Ahivin R.G., Brown D.N. Stress repetitions in pavements design. Journal Aero Space Transport. Div. Proc. Amer. Soc. Civic Engrs. 1965. Vol 91, No 2, pp 29 - 37.

61. Dezmond P.J., Hansen R.C., Flight Path Display Can Improve Safety Operational Efficiency ICAO Journal. Vol 45. No 3, 1990. pp. 14-18.

62. Ho Sand U.A. Field Survey and analysis of aircraft distribution on aircraft pavements. Transp. Res. Board. Spec. Rept. No 175, pp. 84 87.

63. Marszalek J. Metoda podzialy nawierzchni startowej na obszary badawcze. Drogownistwo. No 12.1980, pp. 359 361.

64. Mitchel R.J. Jlexible pavement design in Zimbabve. Proc. Justn. Civ. Engrs. Part 1. 1982, Vol 72, pp.333 354.

65. Paccard R.G. Design of concrete airport pavement. Portland cement association. Skokie Jllinois 1973, p.61.

66. Paccard R.G. Fatigue concepts bor concrete airport pavement design. Transp. Eng. Journ. Procced of ASCE. Vol 100. No ТЕЗ 1975, pp. 567 582.

67. Philippe R.R., Mellinger F.M. Structural behavior of heavy duty concrete airfield pavement. Highway Res. Rec. Vol 35. 1956, pp. 87-100.

68. Seed H.B., Chou C.K., Jee C.E. Resistance characteristics of subgrade soils and their relation to fatigue failure in asphalt pavements. Proceed Jutern. Conf. of the Sruct. Design of asphalt pavements. Univ. of Michigan, 1962, pp. 611 -636.

69. Shah S.C., Adam Verdi. Statistical evalution of highway materials specifications. Hughway Res. Rec. 1968. No 248, pp. 50-76.

70. Uzan J., Jivneh M ., Jshai I. Thickness design of flexible pavements with different layer structures. Australian Road Research. Vol 10. No 1. March 1980, pp. 8 20.

71. УТВЕРЖДАЮ» ЗАМЕСТИТЕЛЬ НАЧАЛЬНИКА 26 ЦНИИ МО РФ ПО НАУЧНОЙ РАБОТЕlT ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК „НАУЧНЫЙ СОТРУДНИК1. С. ИВАНКОВ2004 г.1. АКТ

72. Внедрения научных положений и выводов кандидатской диссертации аспиранта МАДИ (ГТУ) Скутина Сергея Леонидовича

73. Начальник I управления доктор экономических наук профессор

74. Начальник 15 отдела кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник1. С. Буянов