Thiết kế tối ưu kết cấu mặt đường AASHTO-93
Trang 1i-Bài toán Tối u
1- Đặt vấn đề:
Tính toán thiết kế tối u kết cấu mặt đờng mềm theo hớng dẫn AASHTO-1993 ứng với các tham số đầu vào cho trớc theo điều kiện đảm bảo cờng độ và giá thành xây dựng 1m2 kết cấu
Với kết cấu mặt đờng bao gồm 4 lớp vật liệu nh hình vẽ ( thông thờng thì kế cấu áo đuờng chỉ có 4 lớp, nếu kết cấu áo đờng có 5 lớp trở lên thì các lớp phía dới đợc coi là lớp trên nền đờng) Yêu cầu tính toán chiều dày các lớp vật liệu để vừa đảm bảo khả năng chịu lực, vừa đảm bảo tính kinh tế
1- Bê tông nhựa mịn dày 3-10cm
2- Bê tông nhựa hạt thô dày 5-12cm
3- Cấp phối đá dăm loại I dày 15-25 cm
4- Cấp phối đá dăm loại II dày 15-25 cm
2- Nội dung kỹ thuật của bài toán:
Để đảm bảo khả năng chịu lực của kế cấu áo đờng mềm dới tác dụng của tải trọng xe chạy và các yếu tố khi hậu thuỷ văn thì kết cấu mặt đ-ờng phải có một giá trị chỉ số kết cấu SN phù hợp Giá trị đó đợc rút ra từ
ph-ơng trình cơ bản theo hớng dẫn AASHTO:
) 1 ( 07 , 8 lg
32 , 2 1
1094 4
, 0
5 , 1 2 , 4
lg 2 0 ) 1 lg(
36 , 9
lg
19 , 5
0
SN
PSI SN
S
Z
W
Trong đó:
a W18 : số lần tác dụng của tải trọng trục tiêu chuẩn nặng 17-8kip (ESAL18)
b ZR: Độ lệch tiêu chuẩn phụ thuộc vào độ tin cậy R
c S0: Sai số tiêu chuẩn tổng hợp
1
Trang 2d PSI tổng tổn thất mức độ phục vụ của kết cấu áo đờng trong suốt thời kỳ khai thác
e MR: Môduyn đàn hồi hữu hiệu của nền đất ứng với một loại nền đờng nhất
định ta sẽ xác định đợc giá trị của MR
Các giá trị của các đại lợng a,b,c,d,e ở trên đây có thể xác định đợc từ bảng tra ( tham khảo hớng dẫn AASHTO-1993) hoặc có thể điều tra dự báo
Sau khi có các số liệu thay vào (1) sẽ tính đợc một giá trị của SNYC đó
là chỉ số kết cấu yêu cầu tối thiểu mà kế cấu áo đờng cần phải đạt đợc
Tiếp theo tiến hành bố trí các lớp vật liệu cho kết cấu áo đờng và tính
ra chỉ số kế cấu thực của kết cấu vừa chọn: SNKC
Với kết cấu áo đờng gồm 4 lớp nh trên SNKC đợc tính nh sau:
SNKC = a1.D1 + a2.m2.D2 + a3.m3.D3 + a4.m4.D4 (2) Với D1, D2, D3, D4 là chiều dày các lớp vật liệu cấu tạo áo đờng, đây
là các giá trị đang yêu cầu tối u hoá
a1, a2, a3, a4 là các hệ số quy đổi tơng đơng các lớp VL phụ thuộc vào chất lợng vật liệu sử dụng ( tra bảng AASHTO-1993 )
m1, m2, m3, m4: là các hệ số kể đến ảnh hởng của điều kiện khí hậu thời tiết ( tra bảng )
Sau khi tính SNKC so sánh với SNYC nếu: SNKC SNYC thì bài toán đợc coi là đạt về mặt kỹ thuật
3- Lập hàm mục tiêu và điều kiện ràng buộc
a/ Hàm mục tiêu
Với kết cấu áo đờng nh trên thì hàm mục tiêu của bài toán là:
G = D1.g1+ D2.g2 + D3.g3 + D4.g4 (3) trong đó:
g1, g2, g3,g4: là giá thành 1m2 có chiều dày là 1cm của các lớp VL cấu tạo áo đờng
b/ Các điều kiện ràng buộc
Các tham số cầm tối u hoá là D1, D2, D3, D4 do đó các điều kiện ràng buộc là các điều kiện ràng buộc đối với các tham số và điều kiện ràng buộc
đối với kết cấu:
Do sự khống chế về chiều dày lu nèn, loại phơng tiện lu nèn, biện pháp thi công ứng với mỗi loại vật liệu làm kết cấu áo đờng ngời ta đều qui định
Trang 3chiều dày tối thiểu và chiều dày tối đa cho các lớp vật liệu Vậy điều kiện ràng buộc sẽ là:
Dmin Di Dmax
SNKC SNYC
4- Nhận xét mô hình bài toán
Với các điều kiện ràng buộc và hàm mục tiêu nh trên ta thấy bài toán
là đơn giản có thể giải bằng các thuật toán khác nhau: tìm nghiệm độc lập, tìm nghiệm ngẫu nhiên
Trong bài toán này sẽ áp dụng thuật toán tìm nghiệm độc lập
5- Trình tự các bớc giải bài toán và tổ chức chơng trình
Trình tự giải bài toán
Bớc1: Từ các số liệu đầu vào cho trớc: W18, ZR, S0, PSI, MR sử dụng công thức (1) để tính ra SNYC
Bớc2: Giả định chiều dày các lớp kết cấu áo đờng sau đó tính ra trị số
SNKC theo công thức (2) Bớc này là bớc lựa chọn thiết kế bố trí các tầng lớp
VL và chiều dày các lớp đó
Bớc3: So sánh SNKC SNYC nếu không đạt làm lại từ bớc 2với chiều dày kết cấu thay đổi, nếu đạt làm tiếp bớc 4
Bớc4: Tính toán giá thành theo công thức (3) sau đó lặp lại bớc 2 với chiều dày kết cấu thay đổi
3
Trang 4Sơ đồ khối tối u hoá mặt đờng mềm theo AASHTO
Bắt đầu
SN KC SN YC
GGmin
Nhập số liệu
W 18 , Z R , S 0 ,M R ,PSI,a 1 ,a 2 ,a 3 ,a 4
g 1 ,g 2 ,g 3 ,g 4 ,m 2 ,m 3 ,m 4 ,D 1,2,3,4min
D 1,2,3,4max,n, G min ,i,j,k,l
Tính toán theo công thức(1)
SN YC
i:=1, n
i n
D D
D
min 1
max 1 min 1 1
j:=1, n
j n
D D
D
min 2
max 2 min 2 2
k:=1, n
k n
D D
D
min 3
max 3 min 3 3
l:=1, n
l n
D D
D
min 4
max 4 min 4 4
Tính SN KC theo công thức (2)
Tính SN KC theo công thức (2)
Trang 5Kết thúc
ii-Phát minh sáng chế
VD: Chiếc ô tô
1- Thuật thu nhỏ: một chiếc ô tô gồm rất nhiều bộ phận nh động cơ, các bộ phận truyền lực, phanh, khung xe
2- Thuật toán tách khỏi: Nhiên liệu cháy tạo ra chất thải và thoát ra khỏi ô tô
3- Thuật phẩm chất cục bộ: trong chiếc ô tô có nhiều bộ phận rất cao
nh hệ thống phanh, động cơ nhng cũng có những bộ phận không yêu cầu chất lợng cao nh: còi xe, radiô
4- Thuật kết hợp: có nhiều bộ phận phụ kết hợp với bộ phận chính nh radiô, máy điều hoà nhiệt độ, các thiết bị báo tốc độ, các bộ phận nạp điện
5
In kết quả
Trang 65- Thuật lồng ghép: xăm lồng trong lốp, piston lống trong xilanh
6- Thuật cầu hoá: cấu tạo các vòng bi trong xe ôtô, các khớp quay của trục xe, của cần số
7- Thuật dự phòng: trong ô tô luôn dự phòng lốp xe
8- Thuật sử dụng kết cấu có dạng khí nén trong động cơ ôtô
9- Thuật đồng nhất: các ô tô thờng đợc sán xuất hàng loại, các bộ phận đợc sán xuất ra giống nhau nên có thể thay thế đợc khi hóng hóc
10- Thuật chuyển pha: nhiên liệu đợc cấp vào động cơ dới dạng pha lỏng, sau khi cháy chuyển sang pha khí làm chuyển động piston
11- Thuật dùng vật liệu composit: trong ôtô có rất nhiều bộ phận đợc chế tạo từ vật liệu composit
12- Thuật vạn năng: các ổ cắm Adater có thể làm đợc nhiều việc, có nhiều chức năng: nạp điện thoại di động, nạp điện cho radio, làm ổ cắm cho máy cạo râu
13- Thuật tự phục vụ: Bình xăng thờng đợc treo cao hơn động cơ để xăng tự chảy
Các thuật cải tiến:
1- Thuật đảo chiều hoạt động: tạo ra xe ôtô có hai vô năng tại hai đầu
xe có thể chạy theo hai hớng mà không cần quay đầu
2- Thuật đổi màu: tạo ra sơn xe có màu sơn đổi màu theo nhiệt độ môi trờng
3- Thuật quan hệ phản hồi: tạo ra xe ôtô chạy bằng độ cơ phản lực
