CHARACTERISTICS OF FRACTIONAL RHEOLOGICAL MODELS OF ASPHALT-AGGREGATE MIXTURES

Podobne dokumenty
Knovel Math: Jakość produktu

ASSESSMENT OF IMPACT OF THE RHEOLOGICAL PARAMETERS CHANGE ON SENSITIVITY OF THE ASPHALT STRAIN BASED ON THE TEST RESULTS

DUAL SIMILARITY OF VOLTAGE TO CURRENT AND CURRENT TO VOLTAGE TRANSFER FUNCTION OF HYBRID ACTIVE TWO- PORTS WITH CONVERSION

ROZPRAWY NR 128. Stanis³aw Mroziñski

Helena Boguta, klasa 8W, rok szkolny 2018/2019

IMPLEMENTATION OF THE GENERALIZED VISCOELASTIC HUET-SAYEGH AND BURGERS MODEL TO DETERMINE THE STIFFNESS MODULUS OF ASPHALT CONCRETE

ZASTOSOWANIE SPLOTU FUNKCJI DO OPISU WŁASNOŚCI NIEZAWODNOŚCIOWYCH UKŁADÓW Z REZERWOWANIEM

RESONANCE OF TORSIONAL VIBRATION OF SHAFTS COUPLED BY MECHANISMS

EXAMPLES OF CABRI GEOMETRE II APPLICATION IN GEOMETRIC SCIENTIFIC RESEARCH

MATLAB A SCILAB JAKO NARZĘDZIA DO MODELOWANIA WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNYCH

y = The Chain Rule Show all work. No calculator unless otherwise stated. If asked to Explain your answer, write in complete sentences.

Proposal of thesis topic for mgr in. (MSE) programme in Telecommunications and Computer Science

WŁAŚCIWOŚCI NISKOTEMPERATUROWE BETONÓW ASFALTOWYCH O WYSOKIM MODULE SZTYWNOŚCI (AC-WMS) W BADANIACH TRZYPUNKTOWEGO ZGINANIA

R E P R E S E N T A T I O N S

The Lorenz System and Chaos in Nonlinear DEs

INSPECTION METHODS FOR QUALITY CONTROL OF FIBRE METAL LAMINATES IN AEROSPACE COMPONENTS

Outline of a method for fatigue life determination for selected aircraft s elements

Fig 5 Spectrograms of the original signal (top) extracted shaft-related GAD components (middle) and

Installation of EuroCert software for qualified electronic signature

TTIC 31210: Advanced Natural Language Processing. Kevin Gimpel Spring Lecture 9: Inference in Structured Prediction

Hard-Margin Support Vector Machines

SYMULACJA TŁOCZENIA ZAKRYWEK KORONKOWYCH SIMULATION OF CROWN CLOSURES FORMING

ZASTOSOWANIE SPLOTU FUNKCJI DO OPISU WŁASNOŚCI NIEZAWODNOŚCIOWYCH UKŁADÓW Z REZERWOWANIEM

QUANTITATIVE AND QUALITATIVE CHARACTERISTICS OF FINGERPRINT BIOMETRIC TEMPLATES

Selection of controller parameters Strojenie regulatorów

Towards Stability Analysis of Data Transport Mechanisms: a Fluid Model and an Application

Weronika Mysliwiec, klasa 8W, rok szkolny 2018/2019

deep learning for NLP (5 lectures)

General Certificate of Education Ordinary Level ADDITIONAL MATHEMATICS 4037/12

Krytyczne czynniki sukcesu w zarządzaniu projektami

Dynamics of the Warsaw Stock Exchange index as analysed by the Mittag-Leffler function

Zmiany techniczne wprowadzone w wersji Comarch ERP Altum

Convolution semigroups with linear Jacobi parameters

SYMULACJA ZAKŁÓCEŃ W UKŁADACH AUTOMATYKI UTWORZONYCH ZA POMOCĄ OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH W PROGRAMACH MATHCAD I PSPICE

METODA MACIERZOWA OBLICZANIA OBWODÓW PRĄDU PRZEMIENNEGO

Demand Analysis L E C T U R E R : E W A K U S I D E Ł, PH. D.,

WŁAŚCIWOŚCI NISKOTEMPERATUROWE MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH. Część 1. Naprężenia termiczne nawierzchni jako skutek działania niskich temperatur

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2017/2018

Revenue Maximization. Sept. 25, 2018

TO ADVANCED MODELLING OF END PLATE JOINTS

VISCOELASTICITY OF ADHESIVES

Typ VFR. Circular flow adjustment dampers for the adjustment of volume flow rates and pressures in supply air and extract air systems

PRACA DYPLOMOWA Magisterska

Podstawy automatyki. Energetics 1 st degree (1st degree / 2nd degree) General (general / practical) Full-time (full-time / part-time)

Linear Classification and Logistic Regression. Pascal Fua IC-CVLab

Typ VFR. Circular flow adjustment dampers for the adjustment of volume flow rates and pressures in supply air and extract air systems

POLITECHNIKA WARSZAWSKA. Wydział Zarządzania ROZPRAWA DOKTORSKA. mgr Marcin Chrząścik

Komputerowo wspomagane projektowanie systemów sterowania

Aerodynamics I Compressible flow past an airfoil

Sargent Opens Sonairte Farmers' Market

REZONANS W RÓWNOLEGŁYM OBWODZIE REAKTANCYJNYM UŁAMKOWEGO RZĘDU

Few-fermion thermometry

Struktury proponowane dla unikalnych rozwiązań architektonicznych.

Rozpoznawanie twarzy metodą PCA Michał Bereta 1. Testowanie statystycznej istotności różnic między jakością klasyfikatorów

WIELOMIANOWE MODELE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH STOPÓW ALUMINIUM

Zastosowania metod analitycznej złożoności obliczeniowej do przetwarzania sygnałów cyfrowych oraz w metodach numerycznych teorii aproksymacji

ZASTOSOWANIE RACHUNKU UŁAMKOWEGO RZĘDU DO MODELOWANIA PEWNEJ KLASY GENERATORÓW NIELINIOWYCH

MR DAMPER INVERSE MODELING DEPENDENT ON OPERATING CONDITIONS

PROCEEDINGS OF THE INSTITUTE OF VEHICLES 2(106)/2016 (12 pt)

ANALIZA TRÓJELEMENTOWEGO OBWODU MEMRYSTOROWEGO NIECAŁKOWITEGO RZĘDU

SZKŁO PIANKOWE JAKO TERMOIZOLACJA PODŁOGI NA GRUNCIE USE OF FOAM GLASS AS A SLAB ON GRADE THERMAL INSULATION

ANALIZA WŁAŚCIWOŚCI FILTRU PARAMETRYCZNEGO I RZĘDU

Akademia Morska w Szczecinie. Wydział Mechaniczny

Latent Dirichlet Allocation Models and their Evaluation IT for Practice 2016

MODELOWANIE MECHANICZNEGO ZACHOWANIA CIECZY UŻYWANEJ W TŁUMIKACH DRGAŃ

IDENTYFIKACJA I ANALIZA PARAMETRÓW GEOMETRYCZNYCH I MECHANICZNYCH KOŚCI MIEDNICZNEJ CZŁOWIEKA

KONSPEKT DO LEKCJI MATEMATYKI W KLASIE 3 POLO/ A LAYER FOR CLASS 3 POLO MATHEMATICS

DOI: / /32/37

Machine Learning for Data Science (CS4786) Lecture11. Random Projections & Canonical Correlation Analysis

Zakopane, plan miasta: Skala ok. 1: = City map (Polish Edition)

miniature, low-voltage lighting system MIKRUS S

Przedmioty do wyboru oferowane na stacjonarnych studiach II stopnia (magisterskich) dla II roku w roku akademickim 2015/2016

OpenPoland.net API Documentation

Nauka Przyroda Technologie

Inverse problems - Introduction - Probabilistic approach

WSCHÓD I ZACHÓD SŁOŃCA SUNRISE / SUNSET

Auditorium classes. Lectures

MULTI CRITERIA EVALUATION OF WIRELESS LOCAL AREA NETWORK DESIGNS

European Crime Prevention Award (ECPA) Annex I - new version 2014

2017 R. Robert Gajewski: Mathcad Prime 4. Solution of examples Rozwiązania przykładów

WSCHÓD I ZACHÓD SŁOŃCA SUNRISE / SUNSET

WSCHÓD I ZACHÓD SŁOŃCA SUNRISE / SUNSET

PRÓBY EKSPLOATACYJNE KOMPOZYTOWYCH WSTAWEK HAMULCOWYCH TOWAROWEGO

Conception of reuse of the waste from onshore and offshore in the aspect of

Machine Learning for Data Science (CS4786) Lecture 11. Spectral Embedding + Clustering

MODELE RELAKSACJI NAPRĘŻEŃ W PŁYTACH PILŚNIOWYCH ZAWIERAJĄCYCH KOMPONENT SŁOMY

Zwyczajne równania różniczkowe (ZRR) Metody Runge go-ku/y

Lecture 18 Review for Exam 1

EGZAMIN MATURALNY Z JĘZYKA ANGIELSKIEGO POZIOM ROZSZERZONY MAJ 2010 CZĘŚĆ I. Czas pracy: 120 minut. Liczba punktów do uzyskania: 23 WPISUJE ZDAJĄCY

XXIII Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE 2018

Zarządzanie sieciami telekomunikacyjnymi

Course syllabus. Mathematical Basis of Logistics. Information Technology in Logistics. Obligatory course. 1 1 English

WSCHÓD I ZACHÓD SŁOŃCA SUNRISE / SUNSET

The impact of the global gravity field models on the orbit determination of LAGEOS satellites

WSCHÓD I ZACHÓD SŁOŃCA SUNRISE / SUNSET

Katowice, plan miasta: Skala 1: = City map = Stadtplan (Polish Edition)

LEPKOSPRĘśYSTE ZJAWISKA RETARDACYJNE W MODELOWYM UKŁADZIE SKROBIA KUKURYDZIANA-GUMA GUAR Paweł Ptaszek, Mirosław Grzesik

Edycja tekstu w programie LATEX wstawianie grafiki. 13 listopada 2017

TTIC 31210: Advanced Natural Language Processing. Kevin Gimpel Spring Lecture 8: Structured PredicCon 2

Probabilistic Methods and Statistics. Computer Science 1 st degree (1st degree / 2nd degree) General (general / practical)

Transkrypt:

Artur ZBICIAK Wiesław GRZESIKIEWICZ Asphalt-aggregate mixtures, Rheological models, Fractional derivatives CHARACTERISTICS OF FRACTIONAL RHEOLOGICAL MODELS OF ASPHALT-AGGREGATE MIXTURES The procedure of the formulation of constitutive equations for asphalt-aggregate mixtures is based very often on linear rheological schemes composed of classical elastic and viscous elements. The parameters of these schemes can be obtained based on laboratory experiments. It was proved in the literature that it is possible to obtain better curve fitting results using non-classical viscoelastic elements described by fractional derivatives. In this paper we will present the characteristics of the fractional Huet-Sayegh model. The problem of estimation of its parameters was analyzed in our previous paper []. We will show the results of calculations in the form of creep and relaxation curves as well as hysteretic loops. The characteristics of the fractal model will be compared with the characteristics of the classical viscoelastic Burgers model. The results were obtained using algorithms of numerical calculation of inverse Laplace transforms. CHARAKTERYSTYKI FRAKTALNYCH MODELI REOLOGICZNYCH MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH W procedurze formułowania relacji konstytutywnych mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) są wykorzystywane najczęściej liniowe struktury reologiczne zawierające klasyczne elementy spręŝyste i lepkie. Wartości parametrów takich struktur wyznacza się na podstawie wyników badań doświadczalnych. W wielu pracach wykazano, iŝ zastosowanie nieklasycznych elementów lepkospręŝystych, opisywanych za pomocą pochodnej ułamkowego rzędu (pochodnej fraktalnej), umoŝliwia lepsze dopasowanie wyników badań. W niniejszym opracowaniu zajmujemy się charakterystykami fraktalnego modelu Hueta- Sayegha. Zagadnienie estymacji jego parametrów przedstawiliśmy we wcześniejszej pracy []. Podamy wyniki obliczeń w postaci krzywych pełzania, relaksacji i pętli histerezy. Charakterystyki modelu fraktalnego zostaną przedstawione na tle charakterystyk klasycznego, lepkospręŝystego modelu Burgersa. Rozwiązania uzyskano przy zastosowaniu algorytmów numerycznego wyznaczania odwrotnych transformat Laplace a. Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, POLAND; Warsaw -637; 6 Armii Ludowej Ave. Phone: +48 34-63-49, Fax: +48 85-89-46, E-mail: a.zbiciak@il.pw.edu.pl Warsaw University of Technology, Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering, POLAND; Warsaw -54; 84 Narbutta Str., Phone: +48 849-5-34, Fax: +48 849-3-6, E-mail: wgr@simr.pw.edu.pl

4 Artur ZBICIAK, Wiesław GRZESIKIEWICZ. INTRODUCTION Asphalt-aggregate mixtures constitute basic component for the road pavements construction. The mechanistic design procedures are based on the analysis of stresses and strains in critical points of the structure. Having calculated these values one can evaluate the fatigue resistance based on empirical formulas. The fundamental problem in the procedure of pavement design is to elaborate the appropriate constitutive model suited for the structural behaviour modelling within wide range of mechanical and environmental loadings. Constitutive equations for asphalt-aggregate mixtures are formulated very often using classical rheological models consisting of springs and dashpots [4]. The simplest models are the Kelvin-Voigt and Maxwell models consisting of spring and dashpot in parallel and in series respectively. A more accurate model of viscoelastic behaviour for asphaltic materials is the Burgers model, which consists of the Maxwell model combined in series with the Kelvin-Voigt model. It is possible to express the constitutive equation of viscoelastic materials in terms of fractional order derivatives of stress and strain. Such formulation leads to so called fractional rheological models. Applying this formulation it is possible to obtain better curve fitting results in the procedure of parameters evaluation based on experimental data. In this paper we will present the characteristics of the fractional Huet-Sayegh model. The problem of estimation of its parameters was analyzed in our previous paper []. We will show the results of calculations in the form of creep and relaxation curves as well as hysteretic loops. The characteristics of the fractional model will be compared with the characteristics of the classical viscoelastic Burgers model.. LINEAR RHEOLOGICAL ELEMENTS Rheological properties of viscoelastic materials may be modelled applying the stress relaxation function G, which determines the time history of the stress excited by unit step change in strain [, 5]. Thus, the relaxation function is a step characteristic of rheological scheme. Applying the relaxation function one can define an integral operator assigning the stress function σ to the differentiable strain function ε what leads to the following equation ( t) = G( t) ε ( ) + G( t τ ) ε ( τ ) t σ & dτ () The above equation represents the integral form of the constitutive equation for a viscoelastic solid. The equation is also referred to as a hereditary or convolution integral. Let us assume the following stress relaxation function defining so called fractional rheological element [8] ( ) G ( t) : = η ; (,) Γ t () where η denotes a material parameter and Γ denotes Gamma function

CHARACTERISTICS OF FRACTIONAL 4 Γ t ( ): = t e dt (3) Constitutive relationships of the fractional rheological element may be expressed in differential form ( ): = η D ε ( t) ; (,) σ t (4) d where D denotes the -th derivative operator having the following form [3, 6] dt D ε ( t) : = Γ ε ( ) + ( ) t Γ( ) t & ε ( τ ) ( t τ ) The creep compliance function of the fractional element is defined as follows ( + ) dτ ( ) : = t J t ; (,) η Γ (6) Comparative visualization of elastic, fractional and viscous elements is shown in Fig.. Along to the graphical symbols the operator descriptions are given based on Eq. (4). (5) Fig.. Comparative visualization of elastic (a), fractional (b) and viscous (c) elements. The constitutive description of the fractional element shows that this element exhibits both elastic and viscous properties depending on the value of (,). For the elastic properties are dominant while in case of the element behaves like a viscous dashpot. Figure presents two viscoelastic rheological models suited for constitutive modelling of asphalt-aggregate mixtures classical Burgers model and fractional Huet-Sayegh model. Our previous paper [] was devoted to the problem of estimation of their parameters based on experiments. In case of the Burgers model the following results were obtained: E = 446MPa, E = 795MPa, 368MPa s c = and c = 6MPa s. For the Huet-

4 Artur ZBICIAK, Wiesław GRZESIKIEWICZ Sayegh model the procedure of the curve fitting leads to the values as follows: 5 E = 3 MPa, E = MPa, =. 787, =. 47, η = 66MPa s, η experiments within wide range of the excitation frequencies. = 985MPa s. It was proved that using the fractional model one can better fit the Fig.. Classical Burgers model (a) and fractional Huet-Sayegh model (b). 3. NUMERICAL RESULTS In order to establish the characteristics of rheological models shown in Fig., we will use their transfer functions. In case of Burgers model we have the following equation E B ( s) = + + E sc E + sc (7) while the Huet-Sayegh transfer function is as follows ( s) E H = E + + + E ηs η s (8) For linear systems analyzed in this paper we can write the following equation relating stresses and strains σ s = E s ε s (9) ( ) ( ) ( ) where σ ( s) and ε ( s) denote Laplace transforms of the stress σ ( t) and strain ( t) ε states respectively. Having analytical forms of the Laplace transforms for excitations suited for evaluation of such characteristics as creep/relaxations curves and hysteretic loops one can

CHARACTERISTICS OF FRACTIONAL 43 find the solution using inverse Laplace transform. This operation will be carried out numerically using algorithms described in [7]. The results of numerical calculations are shown in Fig. 3 5. It shows the differences in characteristics for the classical Burgers model and fractional Huet-Sayegh model..5 3 x 9 Huet-Sayegh Burgers Stress [Pa].5.5...3.4.5.6.7.8.9 Time [sec] Fig. 3. Stress relaxation curves for Burgers and Huet-Sayegh models..6 x -9.4. Huet-Sayegh Burgers Strain [].8.6.4..5..5..5.3.35.4.45.5 Time [sec] Fig. 4. Creep compliance behaviour of Burgers and Huet-Sayegh models.

44 Artur ZBICIAK, Wiesław GRZESIKIEWICZ x 9 x 9 6 Huet-Sayegh 6 Burgers 4 4 Stress [Pa] Stress [Pa] - - -4-4 -6-6 - -.5.5 Strain [] - -.5.5 Strain [] Fig. 5. Hysteretic loops of Huet-Sayegh and Burgers models (strain excitation). 4. FINAL REMARKS The majority of methods used for numerical calculation of inverse Laplace transforms have serious limitations concerning the class of functions that can be inverted or the achievable accuracy. The procedures applied in this paper can be used for analysis of fractional rheological models. The required accuracy of the results can be enhanced without changing the algorithm, only at the cost of a longer computation time. 5. REFERENCES [] Bland D. R.: The Theory of Linear Viscoelasticity. Pergamon Press, Oxford 96. [] Grzesikiewicz W., Zbiciak A.: Zastosowanie pochodnej ułamkowego rzędu do modelowania mieszanek mineralno-asfaltowych. Pomiary Automatyka Kontrola, 9/, s. 48-5. [3] Kaczorek T.: Wybrane zagadnienia teorii układów niecałkowitego rzędu. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 9. [4] Kim Y.R.: Modeling of Asphalt Concrete. ASCE Press, McGraw-Hill, New York 9. [5] Nowacki W. Teoria pełzania. Arkady, Warszawa 963. [6] Podlubny I.: Fractional Differential Equations. Mathematics in Science and Engineering Vol. 98, Academic Press, 999. [7] Valsa J., Brancik L.: Approximate formulae for numerical inversion of Laplace transforms. Int. J. Numer. Model., 53 66, 998. [8] Zbiciak A.: Dynamika materiałów i konstrukcji o nieklasycznych charakterystykach spręŝysto-dyssypacyjnych. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Budownictwo z. 5, s. -56, OWPW, Warszawa.