Nedbrytning av vägar: Jämförelse mellan axlar med singel- respektive tvillingmontage.

Transkript

1 Nedbrytning av vägar: Jämförelse mellan axlar med singel- respektive tvillingmontage. Examensarbete Ylva Almqvist Avdelning för Väg- och banteknik Institution för Byggvetenskap Kungliga Tekniska Högskolan SE Stockholm TRITA-VBT 11:06 ISSN X ISRN KTH/VBT-11:06-SE Stockholm 2011

2

3 Nedbrytning av vägar: Jämförelse mellan axlar med singelrespektive tvillingmontage. Ylva Almqvist Avdelning för Väg- och banteknik Skola för arkitektur och samhällsbyggnad Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) SE Stockholm Abstract: When designing roads it s important to know what loads will be driven on it. The axles on heavy vehicles can either have super single tires or dual tires which, according to studies, damage the roads differently. The Swedish Transport Administration is developing an understanding for the character of these different kinds of axle and tire types on the loads induced on Swedish roads. In this thesis a field study was conducted to determine the distribution between axles with super single tires and axles with dual tires on heavy vehicles. A highway, a country road and a national road were investigated during the study. The result showed that the number of trucks with single tire axles, i.e. those with super single tires, varies between 39 and 48 percent on the different types of road. That the truck has a single tire axle means that the truck has at least one axle with single tires in addition to the steering axle. A small study was conducted to determine the width of tires on heavy vehicles. A comparison of trucks with single- and dual tire axles was carried out in terms of degradation of the roads. Permanent deformation of unbound layers and fatigue cracking were investigated since these degradation mechanisms are currently used as design parameters in the design of roads. Load values from Bridge Weight In Motion (BWIM) data were used in the calculations and vehicle type 113, 123 and were investigated. Permanent deformation and fatigue cracking were calculated according to the criteria given in ATB VÄG Dissipated Creep Strain Energy (DCSE) has been calculated for the selected truck types. The study showed that trucks with axles with single tires accelerate i

4 the degradation of the roads. The permanent deformation was almost the same for the two different kinds of axle types. Keywords: dual tires, super single tire, ATB VÄG 2005, DCSE, permanent deformation, fatigue cracking, BWIM. Sammanfattning: Vid dimensionering av väg är det viktigt att veta vilka laster som kommer att passera. Tunga fordons axlar kan antingen ha singeleller tvillingmontage vilket enligt studier bryter ner vägen olika mycket. Trafikverket har inte information om fördelningen mellan de olika montagen på de svenska vägarna. I detta examensarbete har en fältstudie genomförts för att ta reda på fördelningen mellan singel- och tvillingmontage på tunga fordon som körs på svenska vägar. En motorväg, en länsväg och en riksväg undersöktes. Resultatet visar bland annat att antalet lastbilar med singelmontage varierar mellan 39 och 48 procent på de olika vägtyperna. Att lastbilen har singelmontage innebär i detta fall att lastbilen åtminstone har en axel med singelmontage utöver styraxeln. En liten undersökning har därutöver utförts för att ta reda på bredden på tunga fordons däck. En jämförelse mellan lastbilar med singel- respektive tvillingmontage utfördes vad gäller nedbrytning av vägar. Permanent deformation i obundna lager och utmattning undersöktes då dessa nedbrytningsmekanismer idag används som designparametrar vid dimensionering av vägar. För beräkningarna togs verkliga lastvärden från Bridge Weight In Motion (BWIM) data och fordonstyp 113, 123 och undersöktes. Permanent deformation och utmattning beräknades enligt de kriterier som är givna i ATB VÄG Dissipated Creep Strain Energy (DCSE) för valda lastbilstyper har beräknats. Undersökningen visade att lastbilar med singelmontage påskyndar utmattningen av vägar. Den permanenta deformationen var nästintill densamma för de två olika montagen. Nyckelord: tvillingmontage, singelmontage, ATB VÄG 2005, DCSE, permanent deformation, utmattning, BWIM. ii

5 Förord Detta examensarbete har genomförts på uppdrag av Trafikverket. Arbetet har utförts på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm, på avdelningen för Vägoch banteknik. För handledning, stöd och även uppmuntran vill jag rikta ett stort tack till Björn Birgisson, handledare och examinator på KTH. Tomas Winnerholt, handledare på Trafikverket. Denis Jelagin, handledare på KTH. Jag vill dessutom tacka doktoranden Florentina Farcas på KTH, familj, pojkvän samt vänner för deras stöd under examensarbetets gång. Stockholm den 31 mars 2011 Ylva Almqvist iii

6 iv

7 Lista över symboler Standardaxelns last Aktuella axellasten som ska undersökas Tillåtet antal standardaxlar för bitumenbundet bärlager under klimatperiod i Antal klimatperioder Antal dygn under klimatperiod i Korrigeringsfaktor med avseende på befintlig beläggnings sprickighet och krackelering. För nybyggnad är Största horisontella dragtöjningen i bitumenbundet bärlager för klimatperiod i vid belastning med en standardaxel på vägytan Temperatur [ C] i bitumenbunden beläggning för klimatperiod i Antalet tillåtna belastningar av en standardaxel Procentandel av den totala skadan Tidsintervall som analyseras. Tiden det tar för en lastbil att passera en punkt [s]. Högsta kryptöjningshastighet Högsta spänningen i det bitumenbundna lagrets underkant [kpa] Viskoelastisk parameter för det bitumenbundna lagret Viskoelastisk parameter för det bitumenbundna lagret Tillåtet antal standardaxlar för terrassyta under klimatperiod i Korrigeringsfaktor med avseende på fukt och väta i terrassmaterial. För nybyggnad kan Största vertikala trycktöjningen i terrassyta under klimatperiod i vid belastning med en standardaxel på vägytan Tillåtet antal belastningar av en standardaxel v

8 vi

9 Lista över förkortningar AASHO - American Association of State Highway Officials ATB Väg - Allmän teknisk beskrivning Väg BNP - Bruttonationalprodukt BWIM - Bridge Weigh in Motion COST - European Cooperation in Science and Technology DCSE - Dissipated Creep Strain Energy EALF - Equivalent Axle Load Factor HMA - Hot Mix Asphalt MATLAB - Matrix Laboratory NOR - Nothing On the Road PMS - Pavement Management System PASS - Pavement Analysis for Stresses and Strains TCF - Tyre Configuration Factor TRVK Väg - Trafikverkets Krav Väg US EPA - United States Environmental Protection Agency VVK Väg - Vägverkets Krav Väg vii

10 viii

11 Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Syfte Metodik och begränsningar Litteraturstudie Däckets historia Tvillingmontage vs singelmontage Vägkroppens nedbrytning Utmattning Permanent deformation/spårbildning Fältstudie Bakgrund Val av väg och observationsplats Genomförande av fältstudie Resultat från fältstudien Resultat från fältstudien på Europaväg E Resultat från fältstudien på riksväg Resultat från fältstudien på länsväg Väg 252 i riktning söderut Väg 252 i riktning norrut Undersökning av dimensioner på däck Analys av fältstudie Jämförelse av lastbilar med singel- respektive tvillingmontage vad gäller permanent deformation och utmattning av vägar Bridge Weight In Motion - BWIM Val av lastbilar, laster samt överbyggnadens utformning Utmattning av vägar enligt ATB VÄG Dissipated Creep Strain Energy - DCSE Permanent deformation av väg enligt ATB VÄG Slutsats Källförteckning Bilaga A Bilaga B Bilaga C ix

12

13 1. Inledning 1.1 Bakgrund Ett industrialiserat samhälle skulle inte fungera utan transport av gods. Trots att lastbilstrafiken kräver i snitt 10 gånger mer energi per ton-km än tåg och sjöfart har utnyttjandet av vägar för godstransport i Sverige ökat markant de senaste decennierna, vilket framgår av Figur 1 och Figur 2. Lastbilens flexibilitet är dess stora fördel. Mellan 1980 och 2005 ökade användningen av lastbilar med drygt 60 procent medan transportarbetet (mätt i ton-km) totalt ökade med 43 procent (Figur 1) [1]. Figur 1. Ökning av transport för olika trafikslag samt BNP under perioden 1980 till 2005 [1]. Figur 2. Genomsnittlig energi per transportarbete för olika trafikslag [1]. 1

14 Ökningen av antal lastbilar har en betydande inverkan på dimensioneringen av en väg eftersom man vid dimensioneringen behöver information om de laster som ska passera vägen. De olika lasterna som belastar vägen räknas om till standardaxlar. En standardaxel är en fiktiv axel och är definierad enligt Figur 3 [2]. Figur 3. Standardaxel [2]. För att beräkna ekvivalent antal standardaxlar används 4-potensregeln, som är ett resultat från AASHO-försöken från slutet av 1950-talet i USA. Exponenten i formel (1) resulterade inte alltid i siffran 4 under studien utan varierade mellan 3,6 och 4,6 [3]. I formel (1) är EALF ekvivalent antal standardaxlar, standardaxelns last (100 kn) och den aktuella axellasten som ska undersökas. En fördubbling av axellasten från till exempel 4 till 8 ton sliter 16 gånger mer på vägen [4]. (1) Däckens dimensioner, läge och antal påverkar vägens nedbrytning då det är genom dessa som lastbilens last förs över till marken. Däcktillverkare har under åren introducerat olika typer av däck, t.ex. med olika diameter och slitbanor eller med högre bärförmåga. Så kallade singelmontage har alltmer ersatt tvillingmontagen (se avsnitt 2.1.1). Detta trots att de enligt studier ger ökad nedbrytning av vägar [5]. I rapporten COST 334 Effects of Wide Single Tyres and Dual Tyres sammanställs en studie som startades 1996 av EU kommissionen, i vilken det bl.a. ingick att fastställa inverkan av breddäck respektive parmonterade däck på nedbrytning av vägar [6]. Ett av studiens resultat är den s.k. Tyre Configuration Factor (TCF) som anger hur mycket ett däck bryter ner vägen i förhållande till ett godtyckligt valt referensdäck. Värdet på TCF beror på däcktyp (breddäck, parmonterade däck eller singeldäck), lufttryck, däckets diameter och fotavtryck, lasten samt potentiell skillnad i belastning mellan däck som är parmonterade. Ju större TCF, desto mer bryter däcket ner vägen [3]. Trafikverket använder PMS Objekt vid dimensionering av vägars bärighet vid såväl nybyggnad som förstärkning/underhåll. PMS stödjer dimensionering av väg enligt ATB VÄG och inkluderar analys av tjällyftningen. PMS Objekt tar idag inte hänsyn till fördelningen av singel- och tvillingmontage på de tunga fordon som körs på svenska vägar [7]. 2

15 1.2 Syfte Syftet med detta examensarbete var att: 1. Uppskatta andelen tunga fordon (lastbilar och bussar) som har singel- respektive tvillingmontage på svenska motorvägar, riksvägar och länsvägar. 2. Jämföra singel- och tvillingmontage hos tunga fordon vad gäller nedbrytning av en väg. 1.3 Metodik och begränsningar För att uppskatta andelen tunga fordon som har singel- respektive tvillingmontage genomfördes en fältstudie. Undersökningen begränsades till en motorväg, en riksväg och en länsväg. Observationer gjordes under tre dagar på vardera väg och under dessa dagar noterades antal axlar, axelkonfiguration samt dess montage på passerande tunga fordon. Studien begränsades även till att utföras mellan och samt att den främst gjordes genom visuella observationer. Den inhämtade informationen sammanställdes och analyserades. För jämförelsen av singel- och tvillingmontage användes informationen som inhämtats under fältstudien och fakta om verkliga laster togs från BWIM data (se avsnitt 4.1). Lastbilstyp 113, 123 samt valdes för undersökningen. Utmattning och permanent deformation i obundna lager på den valda vägen studerades då det är dessa nedbrytningsmekanismer som idag används som konstruktionskriterier vid dimensionering av vägar. Beräkningarna utfördes enligt Trafikverkets krav på vägkonstruktion, ATB Väg Dessa krav finns även i VVK Väg och i kommande TRVK Väg. Därutöver jämfördes DCSE (se avsnitt 4.4) för valda lastbilstyper. Spänningar och töjningar beräknades i PASS och verifierades med hjälp av KENPAVE. För mer information om PASS och dess validering rekommenderas Farhad Salour rapport Development of Software for Elastic Analysis of Pavements ([8]). Burmeister s flerskikt elasticitetsteori tillämpas vanligtvis vid design och analys av flexibla överbyggnader. Den är enkel att tillämpa och ger en acceptabel noggrannhet. Denna teori har implementerats i PASS [9]. I Burmeister s elasticitetsteori antas varje lager vara homogent, isotropt och linjärt elastiskt [4]. Vid beräkningarna har det inte tagits hänsyn till att däcken på singelrespektive tvillingmontage inte är placerade längs samma linje. Den procentuella skadan som passage av varje axel ger upphov till har trots detta summerats för att få fram den totala procentuella skadan som ett fordon orsakar. 3

16 2. Litteraturstudie 2.1 Däckets historia Trots att skotten Robert Thompson 1845 kom på idén med luftgummidäck ses John Boyd Dunlop ofta som dess uppfinnare. Vid den tiden var däcken uppbyggda av en remsa plattjärn fäst kring ett trähjul byggde Dunlop ett prototyphjul där en luftfylld slang sattes på hjulet. Dunlop däck var dock tänkt för cyklar och det första riktiga bildäcket uppfanns av bröderna Michelin förbättrade engelsmannen C.K. Welch däcket genom att placera en ståltråd längs varje kant. Samma år byggde amerikanen William Bartlett ett däck, som hölls på plats av slangens höga tryck. Detta däck hade inte trådkärnor i kanterna. Huvuddelen av de moderna däcken bygger på en kombination av Welch och Bartletts däck [11]. Däck har utvecklats mycket och däcktillverkare har under åren introducerat olika typer av däck, t.ex. med olika diameter och slitbanor, med högre lufttryck eller med högre bärförmåga [5]. Diagonaldäcken, vilka kom i början av 1920-talet, hade förstärkningstrådar av bomull, så kallade kordtrådar, placerade diagonalt under slitbanan. Dessa låg i flera nivåer, skilda åt av tunna gummilager. Livslängden var för dessa däck mycket längre än föregångaren. Genom att ändra vinkeln mellan kordlagren kunde vissa av däckets egenskaper bestämmas. Mjuka och därmed komfortabla däck erhölls vid 40 grader mellan lagren. Hårdare däck, som fungerade bra vid högre hastighet, skapades vid 20 grader mellan lagren. Diagonaldäckens svaghet var att de inte klarade hastigheter över 100 km/h så bra. Däckets sidor och slitbana var nästintill lika styva vilket medförde att däcket inte anpassade sig till underlaget utan tenderar att studsa [11]. Radialdäcket uppfanns av Michelin 1948 och sedan 1950-talet har diagonaldäck alltmer ersatts av radialdäck på tung trafik. Skyddslagren i radialdäckens stomme går tvärgående till däckets rullriktning. Däcksidorna och slitbanan är i radialdäck oberoende av varandra medan de i diagonaldäck är ömsesidigt beroende. Radialdäck har fördelar såsom att däcksidorna används mindre och kontaktytan mellan däck och mark hålls så stor och jämn som möjligt [11, 12]. Värmebildningen är mindre hos radialdäck och mönstrets lameller skaver mindre mot vägen [11]. Slanglösa däck, som kom runt 1947 i USA, hade fördelar såsom att de var lättare att reparera och drabbades mindre av punktering [11]. Mönstret på däcket kan vara längsgående eller tvärgående. Manövrerings- och bromsegenskaperna är bättre på ett däck med tvärgående mönster. Däck med längsgående mönster slits mindre och har bättre riktningsstabiliteten, men har en större risk att vattenplana [11]. Tvärsnittet på de första däcken var nästintill runda. Under åren har profilförhållandet mellan höjd och bredd minskat. En lägre däckprofil resulterar i en bredare kontaktyta som gör att bilen känns mer stabil i skarpa kurvor då däcket bättre klarar av sidopåkänningar [11]. 4

17 Däckets syften är att skydda hjulet mot slitage, bära fordonets tyngd, ingå som en del i fjädringssystemet och ge ett bra väggrepp på olika underlag. Däcktillverkare måste dock kompromissa då bästa möjliga egenskaper för alla syften är oförenliga. Däck med högt lufttryck har stor bärförmåga men dåliga fjädringsegenskaper. Lågt lufttryck ger goda fjädringsegenskaper men försämrar styr- och bromsegenskaper [13] Tvillingmontage vs singelmontage Figur 4. Singel- respektive tvillingmontage. Tunga fordons axlar har antingen singel- eller tvillingmontage (Figur 4). Tvillingmontage består av en axel med två däck på var ända av axeln och har använts på tunga fordons drivaxlar samt traileraxlar under de senaste 100 åren. En axel med parmonterade däck har nära dubbel lastförmåga jämfört med singelmontage med däck av samma dimension. Om ett däck punkteras kan de övriga däcken, om de har rätt lufttryck, bära det punkterade däckets last en kortare sträcka [14]. Singelmontage består av en axel med ett däck på vardera ända av axeln. Dessa har oftast super single däck (tillika breddäck) vilka på1980-talet kom som ett alternativ till tvillingmontage, se Figur 5. Bredden på dessa radialdäck var i början 385 mm men har under årens lopp ökats och idag finns däck med bredder upp till 495 mm [10]. Breddäck har fördelar såsom lägre rullmotstånd vilket bidrar till lägre bensinförbrukning. Detta tillåter högre nyttolaster vilket medför minskade kostnader för ägaren. De har också en lägre monteringsvikt [3]. En studie utförd på US EPA visar en minskad bensinförbrukning på 3-4 % vid användning av breddäck [15]. Figur 5. Breddäck (445/50R22,5) och däck för parmontering (275/80R22,5). 5

18 Enligt utförda studier har dock breddäck en mer nedbrytande effekt av vägar än parmonterade däck vid samma axellast och fälgdiameter [3]. De nyare bredare breddäcken med större däckavtryck har en mindre nedbrytande effekt på vägar än tidigare versioner där kontakttrycket var extra stort [10]. En studie utförd på University of Illinois at Urbana-Champaign i samarbete med U.S. Department of Transportation visade att en nyare version av breddäck (455/55R22.5) i genomsnitt gav upphov till 1,16 gånger större horisontell dragtöjning än konventionella parmonterade däck. För en äldre version av super single däck (425/65R22.5) låg denna siffra på 1,25. Studien visade även att parmonterade däck med olika lufttryck gav upphov till större horisontell dragtöjning än vid lika lufttryck [16]. 2.2 Vägkroppens nedbrytning För att en väg ska kunna bidra till ekonomisk tillväxt och välfärd måste den vara brukbar [17]. Brukbarheten bryts över tiden ned av bl.a. klimat, trafikbelastning, vägkroppens utformning och materialval samt väghållarens eventuella plog-, salt- och grävskador. Nedbrytningen leder till spår, sättningar, ojämnheter, sprickor m.m. Detta förlopp är oundvikligt men dess hastighet går att påverka [18]. Varje enskild belastning av en väg bidrar till dess nedbrytning. När totala antalet belastningar når en kritisk nivå, accelererar vägens nedbrytning. Underhålls inte vägen kommer den relativt snabbt att gå till brott (tillståndsnivå b i Figur 6). Vägkonstruktionen har vid brott inte kollapsats men behöver omfattande underhålls- eller förstärkningsåtgärder vilket leder till ökade kostnader och minskad körkomfort [18]. Figur 6. Schematisk bild av en vägkonstruktions tillståndsförändring [18]. En studie utförd i Storbritannien (Nunn et al, 1997), där COST 333 medlemsländerna fick svara på frågan om vilken typ av nedbrytning som var vanligast vid observation på plats, resulterade i följande lista som startar med den vanligaste nedbrytningsmekanismen [19]: 1. Permanent deformation i bundna lager; 2. Sprickning initierad vid ytan; 6

19 3. Längsgående ojämnheter; 4. Förlust av friktion; 5. Längsgående sprickor i hjulspåren; 6. Utmattning; 7. Allmän sprickning på ytan; 8. Stensläpp; 9. Permanent deformation i obundna lager; 10. Tjällyftning; 11. Nötning från dubbdäck; 12. Sprickning vid låg temperatur; Vid dimensionering av vägar används utmattning och permanent deformation i obundna lager som konstruktionskriterier [2]. Enligt listan ovan kommer dessa nedbrytningsmekanismer på plats nummer 6 och 9. Är det ändå acceptabelt att använda dessa som konstruktionskriterier eller bör nya sådana tas fram? Det bör dock påpekas att listan är en sammanfattning från resultatet av alla länder vilket t.ex. inkluderar länder med varmare klimat där nedbrytningsmekanismer som tjällyftning sällan förekommer [19]. Nedan beskrivs utmattning och permanent deformation. Det är dessa två nedbrytningsmekanismer som har undersökts i detta arbete Utmattning Utmattning är en av de främsta nedbrytningsmekanismerna. Upprepade trafikbelastningar (främst tung trafik) leder till mekanisk utmattning. Beläggningens styvhet minskar som resultat av en kombination av upprepade belastningar samt variationer i temperatur och nederbörd. Den lägre styvheten möjliggör större deformationer som slutligen leder till sprickor [17]. Dragtöjning i underkanten av asfaltlagret leder till utmattning, sprickbildning som initieras i underkant på asfaltslagret och sedan propagerar uppåt i beläggningen och slutligen bildar längsgående eller tvärgående sprickor i mitten av hjulspåret [18]. Vägsprickorna kan delas in i olika grupper efter den mekanism som primärt orsakade dem (strukturella sprickor, klimatbetingade sprickor och reflektionssprickor). Belastning, konstruktionsfel eller utförandefel är de främsta orsakerna till strukturella sprickor. Utmattningssprickor hör till de belastningsbetingade sprickorna. Till övriga belastningsbetingade sprickor hör kant- och glidningssprickor [18] Permanent deformation/spårbildning Då packat stenmaterial är ett flexibelt material kommer det, om det är för svagt, att deformeras plastiskt. Varje däckbelastning orsakar en plastisk deformation och tillsammans ger dessa belastningar upphov till spårbildning i överbyggnaden. En ökad spänning under däcken medför ökad spårbildning [20]. Deformation uppstår främst i instabila beläggningar under varma sommardagar [18]. 7

20 Vatten i spårbildningen rinner inte av utan tenderar att sugas in i överbyggnaden och skynda på nedbrytningen genom att minska bärigheten hos de granulära lagren eller/och samlas i ett spår under överbyggnaden. Dessutom ökar bränsleförbrukning och däckslitage p.g.a. större friktion mot däcksidan [20]. Permanent deformation kan ske både i bundna och obundna lager (Figur 7). Det är vanligast med materialomlagring i obundna lager och undergrund på beläggningar med tunna asfaltlager [18]. I ATB VÄG 2005 kriterier används den permanenta deformationen i obundna lager som designparameter [2]. Det finns flera företeelser som bidrar till deformationen, vilket medför att det blir svårt att förutse deformationen med en universell modell. De främsta orsakerna till deformationerna är slitage orsakad av dubbdäck, förlust av stenmaterial, packning av lager samt skjuvdeformationer [18]. Figur 7. Permanent deformation i bundna samt obundna lager [3]. 8

21 3. Fältstudie 3.1 Bakgrund Trafikverket har inte information om fördelningen mellan singel- respektive tvillingmontage på tunga fordon som körs på svenska vägar. Denna information är värdefull då de olika montagen bryter ner vägen olika mycket. En fältstudie, där denna fördelning studerats, ingick så i detta examensarbete. En motorväg, en länsväg och en riksväg studerades vardera under 3 dagar. Endast tunga fordon, d.v.s. lastbilar och bussar, undersöktes. Antal axlar, axelkonfiguration samt dess montage noterades. Trafiken registrerades endast i en riktning och exakt tid för passage av respektive typ av tungt fordon var inte av intresse. Fältstudien utfördes främst genom direkt observation, kompletterat med viss videoinspelning. 3.2 Val av väg och observationsplats För bästa resultat bör fältstudien ske i samband med en BWIM-mätning om den insamlade BWIM-datan senare ska användas vid en analys. Detta var dock inte möjligt. Därmed valdes vägar enligt följande. Europavägen E18 är en av Sveriges stora leder och sträcker sig från Stockholm till Oslo, via Enköping, Västerås, Örebro och Karlstad. Den valdes därmed som motorväg även om hela sträckan inte är det. Studien genomfördes i Hummelsta då 50 km/h hastighetsgränsen på denna sträcka skulle underlätta arbetet. Vägsträckan genom Hummelsta ersattes i slutet av oktober 2010 av en motorväg. Valet av riksväg (Rv) 80 grundade sig på att det fanns BWIM data från denna väg att tillgå. Dessa data skulle användas i den senare jämförelsen mellan lastbilar med singel- och tvillingmontage. Rv 80 sträcker sig mellan Gävle och Rättvik och passerar bland annat Falun. Rastplatsen vid Näsbysjön, som ligger några kilometer från BWIM-mätstationen nära Storvik, valdes som undersökningsplats. Vid val av länsväg för fältstudien var det viktigt att välja en väg som inte har en större väg i närheten som löper samma sträcka som länsvägen. Det kan annars hända att fordon väljer denna väg vilket kan leda till att vi får missledande värden i vår undersökning. Stockholmsområdet uteslöts då trafiken där inte är densamma som i resten av landet. Det finns även risk för att de tunga fordonen kör på motorvägarna och endast lämnar dessa då de är väldigt nära slutdestinationen. Trafiken på länsväg 252, som börjar strax söder om Ramnäs och slutar norr om Kvicksund, har studerats och detta har skett i närheten av Hallstahammar. För slutligt val av undersökningsplats togs hänsyn till följande aspekter: Brett synfält. God parkeringsmöjlighet. Säkerhet. 9

22 3.3 Genomförande av fältstudie Bra ljusförhållanden är en förutsättning för gott fältstudieresultat. Trafikverkets krav på genomförd kurs Säkerhet på väg satte dock vissa begränsningar då det inte fanns kurstillfällen förrän i slutet av september. Följande datum valdes därmed för fältstudien: E18: (tisdag-onsdag) samt (fredag) Rv 80: Väg 252: (måndag-onsdag) (torsdag-fredag) samt (måndag) Studien utfördes mellan och alla dagar förutom då den började Det var från början tänkt att trafiken endast skulle observeras i en riktning men den glesa trafiken på Väg 252 gjorde det möjligt att iaktta trafiken i båda riktningar. Vid E18 studerades trafiken som körde i riktning mot Oslo och vid Rv 80 den mot Gävle. Data om fordonen som passerade under fältstudien noterades i en tabell som förberetts för studien (Bilaga A). Tiden skrevs endast ned vid vissa tillfällen, främst under tiden för videoinspelning. På så sätt var det lättare att jämföra nedskriven data med det som var inspelat. Ett kryss gjordes i kolumnen för bussar vid passage av en buss. Hade lastbilen en axel med singelmontage noterades detta i Singel(S)/Tvilling(T) kolumnen med ett S. När t.ex. en 1222 lastbil passerade observationsplatsen skrevs 1222 i axelkonfiguration kolumnen och 22 i kolumnen axlar på trailer. Axlarnas montage noterades i början av studien, t.ex. SDDSSSS för en 1222 lastbil där två axlar hade tvillingmontage (axel 2 och 3). Längre in i studien insågs det att de flesta axelgrupperna hade samma konfiguration på axelmontagen. Därefter noterades det endast när det var en annan konfiguration. 3.4 Resultat från fältstudien Nedan följer sammanfattat resultaten från fältstudien vid samtliga vägar representerade i ett antal tabeller och figurer. Notera att då det i tabellerna står singelmontage inte innebär att alla axlar var av singelmontage utan att det, utöver styraxeln, åtminstone fanns ett singelmontage på lastbilen. Styraxeln hade alltid singelmontage där däcken antingen var breddäck eller vanliga däck av den dimension som används vid tvillingmontage (se avsnitt 3.5). Andra axeln på de tunga fordonen hade alltid tvillingmontage. Det finns för varje väg en tabell över fördelningen mellan antal parmonterade däck och singeldäck. Alla däck på lastbilarna är medräknade i dessa tabeller. Under fältstudien insågs värdet av att ta reda på däckens dimensioner (främst bredd). Detta då studier har visat att de nya bredare breddäcken bryter ner vägarna mindre [10]. I avsnitt 3.5 finns en sammanfattning av denna undersökning. Bussars däckdimensioner har också undersökts och det visade att 10

23 bussar aldrig har breddäck, även om bussar med axelkonfiguration 12 och 111 enligt fältstudien har en axel med singelmontage (utöver styraxeln). Ett tungt fordons axelkonfiguration kan variera. Siffran 1 i tabellerna och figurerna står för singel axel, 2 för tandem axel och siffran 3 för tridem axel. I Figur 8 visas de olika axelkonfigurationerna. Dessa är representerade med tvillingmontage men kan även ha singelmontage. Exempel på hur axelgruppen på en lastbil kan se ut enligt ovan förklarat i siffror visas i Figur 9. Figur 8. Singel axel, tandem axel samt tridem axel. (a) (b) Figur 9. Lastbil med axelgrupp 113 (a) samt 1222(b). För cirka 6 procent av lastbilarna i undersökningen var det svårt att avgöra axelkonfigurationen. Det gäller främst 1222 och lastbilar. För cirka 3 procent av alla axlar var det svårt att bedöma om axeln hade singel- eller tvillingmontage. Detta innebär att vissa av dessa fordon och axlar kan vara felklassificerade Resultat från fältstudien på Europaväg E18 Nedan följer resultatet från fältstudien vid E18 (Hummelsta). Under de tre dagarna registrerades totalt lastbilar. Fördelningen av dessa efter antal axlar visas i Tabell 1. Över 60 procent av lastbilarna hade mellan 5 och 7 axlar. En liten del hade 3 eller 4 axlar. Endast en lastbil hade 9 axlar. Tabell 1 visar fördelning av singel- och tvillingmontage uppdelat på antal axlar. Antalet lastbilar som studerats för varje typ är nedskrivet för att ge en indikation på hur tillförlitlig informationen är. Singelmontage var vanligt hos lastbilar med 3, 4, 5 samt 8 axlar. Tvillingmontage dominerade 6 och 7 axlars lastbilar. 11

24

25

26

27

28

29

30 3.6 Analys av fältstudie Fältstudien visade att antalet lastbilar med singelmontage varierade mellan 39 och 48 procent på de olika vägtyperna (Tabell 9). Högsta andelen påträffades på länsväg och minsta på riksväg. Mellan 42 och 49 procent av lastbilsdäcken antogs vid observationstillfället vara breddäck, där den undre gränsen kommer från riksväg 80 (se Tabell 2, 4, 6 och 8). Andelen breddäck på övriga vägar var mellan 48 och 49 procent. Den lägre andelen på riksväg 80 antas bland annat bero på den omfattande transporten av timmer. Styrdäcken är medräknade som singeldäck då de endast har två däck per axel. De är dock inte alltid breddäck (se Figur 17). Tabell 9. Procentandel lastbilar med singel- respektive tvillingmontage. Vägtyp Singelmontage Tvillingmontage Motorväg 45% 55% Riksväg 39% 61% Länsväg riktning söderut 48% 52% Länsväg riktning norrut 47% 53% Undersökningen av dimensioner på däck som presenterats i avsnitt 3.5 skall ses som en indikation på vanlig bredd på lastbilsdäck. På riksväg 80 transporterade många lastbilar timmer. Detta är inte lika vanligt i Västerås där endast en timmerlastbil påträffades under däckundersökningen. Notera att 3 respektive 4 procent av 295 mm och 315 mm däcken endast hade två däck per axel, vilket visas i Figur 15. Detta innebär att det finns en risk att en del däck som under fältstudien antogs vara breddäck då det endast fanns två däck per axel ändå var av samma dimension som parmonterade däck. Tabell 10. Fördelning av lastbilar med singel- respektive tvillingmontage på lastbilar med olika antal axlar på motorväg, riksväg och länsväg. S =Singelmontage T= Tvillingmontage Antal axlar per lastbil Motorväg Riksväg Länsväg Riktning söderut Riktning norrut T S T S T S T S 2 axlar 100% - 100% - 100% - 100% - 3 axlar 34% 66% 42% 58% 56% 44% 20% 80% 4 axlar 26% 74% 7% 93% 25% 75% 21% 79% 5 axlar 20% 80% 24% 76% 2% 98% 17% 83% 6 axlar 71% 29% 41% 59% 25% 75% 35% 65% 7 axlar 71% 29% 82% 18% 79% 21% 70% 30% 8 axlar 12% 88% 24% 76% 40% 60% 67% 33% 9 axlar 100%

31 Fördelning av singel- respektive tvillingmontage på lastbilar med olika antal axlar på respektive vägtyp visas i Tabell 10. Av lastbilar med 4 axlar på riksvägen hade drygt 14 procent fler singelmontage än på övriga vägtyper. Lastbilar med 2 axlar hade alltid tvillingmontage, vilket visas i Tabell 10. Hos 4 och 5 axlars lastbilar var singelmontage vanligast med totalt mellan 74 och 98 procent. Hos lastbilar med 7 axlar var däremot tvillingmontage vanligast med mellan 70 och 82 procent, där den hösta andelen påträffades på riksvägen. Vid jämförelse av trafik i olika riktningar på länsväg 252 kan noteras att skillnaden var stor för 3, 5 och 8 axlars lastbilar. Det bör påminnas om att antalet noterade lastbilar med respektive antal axlar varierade mycket från väg till väg. Information om antal registrerade lastbilar finns i avsnitten ovan. I Bilaga B finns figurer som visar antalet lastbilar med tvilling- respektive singelmontage fördelat på axelgrupp och vägtyp. Där visas att lastbilstyperna 113, 123 och förekom ofta under fältstudien. Dessa valdes därför för jämförelsen av singel- respektive tvillingmontage på lastbilar vad gäller permanent deformation och utmattning i följande kapitel. Tabell 11 visar procentandelen av lastbilar med tvilling- respektive singelmontage under fältstudien. Singelmontage dominerade i 113 lastbilar medan tvillingmontage dominerade i lastbilar. Tabell 11. Procentandel av lastbilstyperna 113, 123 samt med tvillingrespektive singelmontage under fältstudien (Bilaga B). S =Singelmontage T= Tvillingmontage Vägtyp T S T S T S E18 1,97% 98,03% 8,57% 91,43% 89,63% 10,37% Väg 80 1,12% 98,88% 2,44% 97,56% 97,55% 2,45% Väg 252 från E18 1,85% 98,15% 7,14% 92,86% 94,74% 5,26% Väg 252 mot E18-100,00% - 100,00% 97,56% 2,44% Medelvärde 1,24% 98,76% 4,54% 95,46% 94,87% 5,13% 19

32 4. Jämförelse av lastbilar med singel- respektive tvillingmontage vad gäller permanent deformation och utmattning av vägar 4.1 Bridge Weight In Motion - BWIM Information om verkliga laster på vägar ger ett underlag för beslut om åtgärder för att kunna följa reglerna bättre, planera vägunderhåll, dimensionera åtgärdsinsatser samt ge information om överlastade tunga fordon. Denna information ges av BWIM tekniken där SiWIM-system används för mätning av axellaster, bruttovikter, hastigheter och axelavstånd i normal trafikrytm. Kännedom om mätbrons reaktion på en känd last (kalibreringsbil) möjliggör beräkning av andra fordons bruttovikter och axellaster [21]. Figur 18. Principiellt montage av töjningsgivare och axeldetektorer [22]. Upp till 16 töjningsgivare kan monteras på undersidan av en bro. Figur 18 visar hur töjningsgivare och axeldetektorer som registrerar passerande fordon kan monteras. I Sverige används fyra töjningsgivare. Dessa placeras två och två på vardera axeldetektorn som i Figur 18 representeras som heldragna linjer. En mätdator monterad i ett skåp hanterar och lagrar informationen, se Figur 19 [22]. Figur 19. Principbild över SiWIM-systemet [22]. 20

33 Figur 20. Bro med hög dynamik (A). Bro med 0,8 m tjock platta (B). Bro med ortotropiskt däck (C). Balk-däck bro instrumenterade på plattan mellan balkarna (D) [23]. Tekniken är begränsad på så sätt att den bland annat inte noterar om fordonen har singel- eller tvillingmontage, dess däcktryck, sidoförflyttning eller körfältsfördelning [23]. Figur 20 visar bilder på olika typer av broar (som är lämpliga för NOR BWIM system) och dess reaktion vid passage av en lastbil med 5 axlar (två singel axlar och en tridem axel). Vid användning av NOR system upptäcks axlar med hjälp av töjningsgivare monterade på brons undersida. Består en bro av tunna plattor och är lång med egenfrekvenser som matchar de tunga fordonen eller om det finns ett gupp på vägen strax före eller på bron uppstår ytterligare toppar i signalen, ofta med en frekvens som är kortare än axelavståndet, se Figur 20. A. Dessa toppar bör ignoreras. Är överbyggnaden hård och slät uppstår troligen inte några dynamiska tillskott. Toppar från enskilda axlar, främst axlar från en axelgrupp, kan dock smetas ut och blir därmed svåra att identifiera. Se Figur 20.B. 21

34 Ortotropiska överbyggnader ger klarare signaltoppar, som kan ses i Figur 20.C. BWIM-mätningar går även att utföra på längre balkbroar. Ett sådant exempel visas i Figur 20D. Exempel på skillnaden mellan uppmätta signaler och bearbetade signaler visas i Figur 21 [23]. BWIM-mätningar har utförts av Trafikverket sedan Idag finns det 14 mätplatser placerade runt om i landet som ingår i det nationella mätprogrammet. Cirka 30 mätningar, som tar en vecka per mättillfälle, genomförs per år på uppdrag av Trafikverket [21]. Figur 21. Uppmätt och bearbetade signaler på ett 5-axlat fordon med två singel axlar och en tridem axel [23]. 4.2 Val av lastbilar, laster samt överbyggnadens utformning Vid jämförelsen av lastbilar med singel- respektive tvillingmontage har verkliga lastvärden från BWIM mätstationen på riksväg 80 använts då en del av fältstudien utfördes på denna väg. BWIM data fanns att tillgå från 2005 till 2009, men endast värden från 2009 har använts då information från ett år ansågs vara tillräckligt. Endast lastbilar med axelgrupperna 113, 123 samt har analyserats. Detta då singelmontage i dagsläget, enligt fältstudien, dominerar lastbilstyp 113 och valdes för att också undersöka en lastbil med trailer. Tabell 12. Antal registrerade lastbilar per axelgrupp. Värden tagna ur BWIM mätningen vid mätstationen i Storvik Mätstation: Datum för mätning: Rv 80 Storvik till (5:e mätningen) Axelgrupp Antal registrerade lastbilar För analysen användes medelvärdet samt 95 procent konfidensintervallet av alla registrerade lastbilar av de ovan nämnda axelgrupperna. Tabell 12 visar antalet registrerade lastbilar av respektive axelgrupp vid mätstationen i Storvik i juni Axelgrupp var vanligast. Tabell 13 anger medelvärdet samt 95 procent konfidensintervall av dessa lastbilars axellaster, hastigheter samt axelavstånd. Notera att lasterna på tridem axeln på 113 lastbilen är väldigt små i förhållande till de andra där lasterna mellan alla axlarna på lastbilen är mer jämnt fördelade. 22

35 Står det Medelvärde eller 95% konfidensintervall i tabeller i detta arbete innebär det att värden på laster, axelavstånd samt hastigheter som har använts för beräkningarna har tagits ur Tabell

36

37 Studiens syfte var att undersöka hur mycket större skada lastbilar med singelmontage orsakar jämfört med dem som har tvillingmontage. Figuren nedan visar hur lastbilar med singelmontage har antagits se ut, baserat på iakttagelser från fältstudien. För lastbilar utan singelmontage har alla axlar, förutom styraxeln, tvillingmontage. Avstånden i Figur 22 är inte i rätt proportioner. Figur 22. Bild på lastbilar med singelmontage som användes vid studien. Avstånden är inte i rätt proportioner. Värden för spänning och töjning i överbyggnaden beräknades med hjälp av PASS, ett program utvecklat på KTH av Björn Birgisson, Chenyang Wang samt Denis Jelagin för användning vid analys av flexibla överbyggnader. Programmet består av en samling koder som utvecklats i programmeringsspråket MATLAB där Burmeister s flerskikt elasticitetsteori har implementerats [9]. Värden beräknade med PASS verifierades med hjälp av KENPAVE. Skillnaden var mindre än 0,6 procent vilket är acceptabelt. Denna skillnad kan bero på avrundningsfel. 25

38 Information om överbyggnaden vid mätstationen i Storvik togs ur ritningen över vägen vid Storvik, vilken erhölls från Trafikverket (se Bilaga C). Till analysen valdes vägen precis efter bron, där undergrunden består av berg. Då PASS endast kan analysera överbyggnader med upp till fem olika lager slogs två lager ihop. De båda bärlagren (position 3 och 16 i ritning) med krossat material antogs ha samma elasticitetsmodul och därmed hade en sammanslagning av dessa i princip inte någon större påverkan i undersökningens resultat. Den valda överbyggnadens lagerstruktur visas i Tabell 14. Information om elasticitetsmoduler för respektive lager togs från PMS Objekt. Poisson s ratios antagna värden visas i Tabell 15 och varierar mellan 0,15 och 0,35. Kontaktytan mellan däck och väg antogs vara cirkulär och belastad med ett konstant tryck på 800 kpa. Centrum-centrum avståndet mellan de parmonterade hjulen antogs vara 300 mm. Tabell 14. Överbyggnaden vid mätstationen i Storvik enligt ritning från Trafikverket. Benämning Tjocklek [mm] Material Slitlager 32 AB 11 Bärlager 40 AG 16 Bärlager 178 Krossat material Bergbank 1000 Sprängsten Berg Fast berg Tabell 15. Elasticitetsmodul för nybyggnation för respektive lager och klimatperiod (PMS Objekt). Antagna värden för poisson s ratio. Benämning Elasticitetsmodul [MPa] Vinter Tjällossning Sommar Höst Poisson's ratio Slitlager ,35 Bärlager ,35 Bärlager ,25 Bergbank ,25 Berg ,15 Spänningar och töjningar i överbyggnad samt undergrund påverkas av rådande temperatur. Information om temperatur i bitumenbunden beläggning samt klimatperioders längd erhölls från ATB VÄG 2005 och visas här i Tabell 16 och 17. Riksväg 80 ligger i klimatzon 3. 26

39 Tabell 16. Temperatur i bitumenbunden beläggning [ C](ATB VÄG 2005). Klimatperiod Klimatzon Vinter -1,9-1,9-3,6-5,1-7 Tjällossningsvinter 1 1 Tjällossning 1 2,3 4,5 6,5 7,5 Senvår 4 3 Sommar 19,8 18,1 17,2 18,1 16,4 Höst 6,9 3,8 3,8 3,8 3,2 Tabell 17. Klimatperiodens längd [antal dygn under året](atb VÄG 2005). Klimatperiod Klimatzon Vinter Tjällossningsvinter Tjällossning Senvår Sommar Höst Utmattning av vägar enligt ATB VÄG 2005 Det har tidigare i arbetet nämnts att dragtöjning i underkanten av asfaltlagret leder till utmattning, sprickbildning som sedan propagerar uppåt i beläggningen och slutligen bildar längsgående eller tvärgående sprickor i mitten av hjulspåret. Enligt ATB VÄG 2005, som innehåller Trafikverkets krav på vägkonstruktion, beräknas antalet tillåtna belastningar av en standardaxel (N till,bb ) enligt formel (2) och (3) nedan. (2) (3) Tillåtet antal standardaxlar för bitumenbundet bärlager under klimatperiod i Korrigeringsfaktor med avseende på befintlig beläggnings sprickighet och krackelering (För nybyggnad är ) 27

40 Största horisontella dragtöjningen i bitumenbundet bärlager för klimatperiod i vid belastning med en standardaxel på vägytan Temperatur [ C] i bitumenbunden beläggning för klimatperiod i (Se Tabell 16) Antalet tillåtna belastningar av en standardaxel m Antal klimatperioder Antal dygn under klimatperiod i (Se Tabell 17) antogs vara ett. Den största horisontella dragtöjningen,, i det bitumenbundna bärlagret beräknades i PASS. Antal tillåtna belastningar av respektive axel på de olika lastbilstyperna beräknades enligt formel (2) och (3). Därefter beräknades skadan på vägen som respektive axel ger upphov till enligt formel (4) där D representerar den procentandel av den totala tillåtna skadan som passage av en axel orsakar. Skadorna orsakade av alla axlar summerades för hela lastbilen (Tabell 18) och denna siffra jämfördes med den skada som en standardaxel orsakar på den valda vägen. Tabell 18 visar även hur mycket större skada lastbilarna med singelmontage orsakar jämfört med de med endast tvillingmontage. (4) Tabell 18. Procentandel av totala tillåtna skadan som respektive lastbilstyp orsakar vad gäller utmattning. S =Singelmontage T= Tvillingmontage Procentandel av total tillåten skada vid utmattning enligt ATB Lastbilstyp Medelvärde 95 % konfidensintervall S T S/T S T S/T 113 1,04E-04 6,81E-05 1,53 1,12E-04 7,07E-05 1, ,70E-04 9,46E-05 2,85 2,94E-04 1,01E-04 2, ,52E-04 1,28E-04 2,75 3,60E-04 1,30E-04 2,77 Passage av en standardaxel på riksväg 80 står för 1,52E-05 procent av den totala tillåtna skadan. Tabell 19 visar hur mycket mer skada respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel. Denna skillnad är stor mellan 113 lastbilen och de andra två axelgrupperna. Detta kan bero på de små lasterna hos 113 lastbilen och att det bara fanns tre axlar som kunde vara antingen tvilling- eller singelmontage. Hos 123 och lastbilarna kunde fyra av lastbilens sex respektive sju axlar ha antingen singel- eller tvillingmontage. Skadan som lastbilen med singelmontage orsakar är nästan fyra gånger större än för 113 lastbilen trots att den endast har två axlar till. För tvillingmontage är ökningen avsevärt mindre då skadan som lastbilen orsakar jämfört med en standardaxel knappt fördubblats, se Tabell

41 Tabell 19. Skadan respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel vid utmattning enligt ATB VÄG Skadan respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel vid utmattning enligt ATB VÄG Lastbilstyp Medelvärde 95 % konfidensintervall Singelmontage Tvillingmontage Singelmontage Tvillingmontage 113 6,84 4,48 7,37 4, ,76 6,22 19,34 6, ,16 8,42 23,68 8,55 Genom fältstudien fick vi bland annat reda på procentandelen lastbilar med singel- respektive tvillingmontage hos samtliga lastbilstyper. För lastbilstyp 113, 123 samt visas resultatet av denna fördelning i Tabell 11. En kombination har gjorts av resultaten i tabellerna 11 och 19 där procentandelen singelmontage har multiplicerats med värdet som anger hur mycket större skada lastbilen med singelmontage orsakar jämfört med en standardaxel. Motsvarande utfördes med lastbilarna med tvillingmontage. Dessa två resultat adderades. På detta sätt fick vi ett vägt genomsnitt av hur mycket skada lastbilarna orsakade jämfört med en standardaxel. Beräkningen utfördes för Rv 80 och för medelvärdet av alla vägtyperna (Tabell 11). En sammanställning av dessa värden visas i Tabell 20. Tabell 20. Skadan respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel vid utmattning enligt ATB Väg Kombination av fältstudie (Tabell 11) och beräkning (Tabell 19). Både för Rv 80 och medelvärdet av procentandelen för samtliga vägar. Skadan respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel. Kombination av fältstudie och beräkning. Lastbilstyp Medelvärde 95 % konfidensintervall Rv ,82 7, ,48 19, ,78 8,92 Medelvärde av alla vägar 113 6,81 7, ,24 18, ,18 9,33 29

42 4.4 Dissipated Creep Strain Energy - DCSE Florida Cracking Model är en mekanistisk modell baserad på HMA brottmekanik. Roque et al. (1997) studie visade att DCSE gränsen lämpligt definierar en tröskel för sprickbildning samt fortplantning och riktning av spricktillväxten. Under denna gräns uppstår endast elastiska mikroskador medan makro skador, som uppstår då DCSE gränsen uppnåtts eller överskridits, leder till sprickbildning eller tillväxt av en spricka [24]. DCSE är den icke-elastiska delen av deformationen och kan uttryckas som arean under spänning-töjningskurvan (Figur 23) [25]. Figur 23. Fracture Energy och Dissipated Creep Strain Energy [25]. Modellen används för att beräkna skador på väg orsakade av fordon genom att beräkna energin som går förlorad vid kryptöjningen vid passage av ett helt fordon. DCSE för ett fordon ges av tidsintegralen av spänningen multiplicerat med töjningen, enligt formel (5), där σ är dragspänningen i underkant på det bitumenbundna lagret. Tidsintervallet erhålls genom att dividera sträckan med en antagen hastighet på den passerande lastbilen [25]. (5) (6) Tidsintervallet som analyseras. Tiden det tar för en lastbil att passera en punkt [s] Högsta kryptöjningshastighet Högsta spänningen i det bitumenbundna lagrets underkant [kpa] Viskoelastisk parameter för det bitumenbundna lagret Viskoelastisk parameter för det bitumenbundna lagret 30

43 D 1 och m varierar med temperaturen. Denna studie gjordes under klimatperiod höst. Temperaturen som användes för det bitumenbundna lagret visas i Tabell 16. Värden på D 1 och m erhölls genom att göra en tid-temperatur superposition på tabellen i bilaga D i rapporten A viscoelastic approach to flexible pavement design (Nilsson, R., 1999) ([26]). MPa -1 För lastbilarna med singelmontage är DCSE beräknad precis under däcken, d.v.s. x=15 cm, då spänningen är störst här. DCSE är, för tvillingmontage lastbilarna beräknad längs två linjer under ett av de parmonterade däcken (x=0 cm) och precis mellan däcken (x=15 cm), se Figur 24. För lastbilstyp 113 och 123 undersöktes 2500 punkter på sträckan -2 m till 15 m och för lastbilstyp undersöktes 3000 punkter på sträckan -2 m till 23 m. Figur 24. Lasterna från däcken på ena sidan av axlarna på en 113 lastbil med singelmontage. Figur från PASS. 31

44 DCSE [kj/m 3 ] 0,200 0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 DCSE för lastbil 113 Singelmontage 95 % konfidensintervall, x= 15 cm Singelmontage medelvärde, x= 15 cm Tvillingmontage 95 % konfidensintervall, x=15 cm Tvillingmontage medelvärde, x=15 cm Tvillingmontage 95 % konfidensintervall, x=0 Tvillingmontage medelvärde, x=0 cm 0,060 0,040 0,020 0, Hastighet [km/h] Figur 25. DCSE för lastbil 113. DCSE [kj/m 3 ] 0,450 0,400 0,350 0,300 0,250 0,200 0,150 DCSE för lastbil 123 Singelmontage 95 % konfidensintervall, x= 15 cm Singelmontage medelvärde, x= 15 cm Tvillingmontage 95 % konfidensintervall, x=15 cm Tvillingmontage medelvärde, x=15 cm Tvillingmontage 95 % konfidensintervall, x=0 Tvillingmontage medelvärde, x=0 cm 0,100 0,050 0, Hastighet [km/h] Figur 26. DCSE för lastbil

45 DCSE [kj/m 3 ] 0,500 0,450 0,400 0,350 0,300 0,250 0,200 DCSE för lastbil Singelmontage 95 % konfidensintervall, x= 15 cm Singelmontage medelvärde, x= 15 cm Tvillingmontage 95 % konfidensintervall, x=15 cm Tvillingmontage medelvärde, x=15 cm Tvillingmontage 95 % konfidensintervall, x=0 cm Tvillingmontage medelvärde, x=0 cm 0,150 0,100 0,050 0, Hastighet[km/h] Figur 27. DCSE för lastbil Figurerna visar DCSE vid olika fordonshastigheter för respektive lastbilstyp. Värdena är inte kalibrerade och kan därmed endast användas för jämförelse av dem sinsemellan. Tabell 21 visar hur mycket större DCSE en lastbil med singelmontage orsakar jämfört med en med tvillingmontage. För lastbil 113 är skillnaden mellan singeloch tvillingmontage minst mellan de två parmonterade däcken medan det för de andra lastbilstyperna är minst under ett av de parmonterade däcken. Detta då lastbil 113s tridem axel har små laster jämfört med övriga axlar, se Tabell 13. I kolumn medelvärde och x=0 cm i Tabell 21 visas hur mycket större DCSE lastbilar med singelmontage orsakar i relation till de med tvillingmontage, båda med medelvärde och beräknade längs x=0 cm (dvs. mitt under ett av de parmonterade däcken). Figur 28 visar spänningsfördelningen vid passage av en 113 lastbil med tvilling- samt singelmontage. Spänningen i underkanten på det bitumenbundna lagret är nästan dubbelt så stor för en lastbil med singelmontage. Tabell 21. Faktor som anger hur mycket större DCSE lastbilar med singelmontage orsakar jämfört med lastbilar med tvillingmontage. Faktor som anger hur mycket större DCSE lastbilar med singelmontage orsakar jämfört med de med tvillingmontage. Lastbilstyp Medelvärde 95% konfidensintervall x= 0 cm x= 15 cm x = 0 cm x = 15 cm 113 3,69 2,08 3,58 2, ,23 4,53 3,17 4, ,63 4,66 2,62 4,72 33

46 Figur 28. Spänningsfördelning i underkant på det bitumenbundna lagret vid passage av en hel 113 lastbil med tvillingmontage (a) samt singelmontage (b). Figur från PASS. 4.5 Permanent deformation av väg enligt ATB VÄG 2005 I PMS Objekt kontrolleras, enligt vad som är skrivet i ATB VÄG 2005, att antalet tillåtna belastningar av en standardaxel (N till,te ) är minst två gånger större än ekvivalent antal standardaxlar. Största vertikala trycktöjningen på terrassytan är avgörande vid permanent deformation av vägar och största tillåtna värde på denna töjning för flexibla överbyggnader är given i ATB VÄG (7) (8) är antalet tillåtna standardaxlar för terrassyta under klimatperiod i. Korrigeringsfaktor med avseende på fukt och väta i terrassmaterial,, antogs vara 1 vilket är vad som används vid nybyggnad. Största vertikala trycktöjningen i terrassyta under klimatperiod i vid belastning med en standardaxel på vägytan beräknades i PASS. (9) 34

47 Antalet tillåtna belastningar, N till,te, av respektive axel på de olika lastbilstyperna beräknades enligt formel (8) och därefter skadan D (procentandel av den totala skadan), som respektive axel orsakar på vägen, enligt formel (9). Skadorna orsakade av alla axlar adderades för hela lastbilen och resultatet visas i Tabell 22. Tabellen visar även hur mycket större skada lastbilen med singelmontage orsakar jämfört med den med tvillingmontage. Tabell 22. Procentandel av total tillåten skada vid passage av lastbil vid permanent deformation enligt ATB VÄG S =Singelmontage T = Tvillingmontage Procentandel av total tillåten skada vid permanent deformation enligt ATB Lastbilstyp Medelvärde 95 % konfidensintervall S T S/T S T S/T 113 2,46E-10 2,42E-10 1,02 2,80E-10 2,75E-10 1, ,19E-09 1,10E-09 1,08 1,49E-09 1,38E-09 1, ,16E-09 2,03E-09 1,06 2,30E-09 2,17E-09 1,06 Passage av en standardaxel står för 8,04E-10 procent av den totala tillåtna skadan. I Tabell 23 anges hur mycket mer skada respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel. Lastbil 113s små laster ger små vertikala trycktöjningar i terrassyta jämfört med standardaxeln vilket resulterar i de låga siffrorna i Tabell 16. Skillnaden mellan singel- och tvillingmontage är nästintill försumbar. Den undersökta vägen kommer inte att gå till brott på grund av permanent deformation i de obundna lagren utan på grund av utmattning. Tabel 23. Skadan respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel vid permanent deformation i obundna lager enligt ATB VÄG Skadan respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel vid permanent deformation enligt ATB VÄG Lastbilstyp Medelvärde 95 % konfidensintervall Singelmontage Tvillingmontage Singelmontage Tvillingmontage 113 0,31 0,30 0,35 0, ,48 1,37 1,85 1, ,69 2,52 2,86 2,70 35

48 Genom fältstudien fick vi bland annat reda på procentandelen lastbilar med singel- respektive tvillingmontage hos samtliga lastbilstyper. För lastbilstyp 113, 123 samt visas resultatet av denna fördelning i Tabell 11. En kombination har gjorts av resultaten i tabellerna 11 och 23 där procentandelen singelmontage multiplicerats med värdet som anger hur mycket större skada lastbilen med singelmontage orsakar jämfört med en standardaxel. Motsvarande utfördes med lastbilarna med tvillingmontage. Dessa två resultat adderades. På detta sätt fick vi ett vägt genomsnitt av hur mycket skada lastbilarna orsakade jämfört med en standardaxel. Beräkningen utfördes för Rv 80 och för medelvärdet av alla vägtyperna (Tabell 11). En sammanställning av dessa värden visas i Tabell 24. Tabell 24. Skadan respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel vid utmattning enligt ATB Väg Kombination av fältstudie (Tabell 11) och beräkning (Tabell 23). Skadan respektive lastbil orsakar jämfört med en standardaxel. Kombination av fältstudie och beräkning. Lastbilstyp Medelvärde 95 % konfidensintervall Rv ,31 0, ,48 1, ,53 2,70 Medelvärde av alla vägar 113 0,31 0, ,48 1, ,53 2,71 36

49 5. Slutsats I detta arbete har nedbrytning av vägar orsakad av lastbilar med singelrespektive tvillingmontage jämförts. En fältstudie har genomförts för att uppskatta andelen tunga fordon (lastbilar och bussar) som har singel- respektive tvillingmontage på svenska motorvägar, riksvägar och länsvägar. Fältstudien visade att antalet lastbilar med singelmontage varierade mellan 39 och 48 procent på de olika vägtyperna (Tabell 9). Att lastbilen hade singelmontage innebär i detta fall att lastbilen åtminstone hade en axel med singelmontage utöver styraxeln. Mellan 42 och 49 procent av alla lastbilsaxlar som passerade under undersökningstiden hade singelmontage. Det bör dock anmärkas att denna siffra även kan innehålla en andel däck med bredder som används i däck som parmonteras, vilket undersökningen av bredder på däck visade. Jämförelsen av singel- och tvillingmontage har gjorts för hela lastbilar med axelgrupperna 113, 123 och med laster givna i Tabell 13. Beräkningen av utmattning, enligt ATB VÄG 2005, av lastbilar med laster och axelavstånd som motsvarade medelvärdet av alla registrerade lastbilar av respektive fordonstyp, visade att 113 lastbilen med singelmontage skadade vägen 1,53 gånger mer än den med tvillingmontage. För fordonstyperna och 123 låg denna siffra på 2,75 respektive 2,85 (se Tabell 18). Vad gäller DCSE orsakade 113 lastbilen med singelmontage 2,08 gånger större DCSE än den med tvillingmontage. Motsvarande värde för 123 och lastbilarna var 3,23 och 2,63 (för lastbilar med medelvärdes laster och axelavstånd) vilket visas i Tabell 21. Singelmontage lastbilarna orsakade i stort sätt lika stor permanent deformation (enligt ATB VÄG 2005) som de med tvillingmontage vilket visas i Tabell 22. Framtida studier skulle kunna inkludera en undersökning av hur parametrar såsom lufttryck, asfaltens ålder, däckens dimension och slitbana samt lastbilens geometri påverkar nedbrytningen av vägen. 37

50 Källförteckning [1] Vägverket (2007), Klimatneutrala godstransporter på vägar en vetenskaplig förstudie, Sverige (sid.4-5) Tillgänglig: _godstransporter_pa_vag_en_vetenskaplig_forstudie.pdf, hämtad [2] Vägverket (2005), ATB VÄG 2005, Sverige (kapitel C, sid. 30, 47-48) [3] European Co-operation in the Field of Scientific and Technical Research (2001), COST 334 Effects of Wide Single Tires and Dual Tires, Task group 3 Final Report Version, Belgium (sid. 5, 32) [4] Huang, Y.H. (2003), Pavement Design and Analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J, Second Edition, United States of America (sid. 57, ) [5] Priest, A. et al. (2005), Mechanistic comparaison of wide-base single vs. standard dual tire configuration, Auburn University, NCAT Report 05-03, Alabama, United States of America (sid. 1-2) [6] Glaeser, K.P., Wide-base single tyres on truck drive axles and the effects for active safety, Federal Highway Research Institute (BASt) Tillgänglig: %20ISHVWD//WIDE- BASE%20SINGLE%20TYRES%20ON%20TRUCK%20DRIVE%20A XLES%20AND%20THE%20EFFECTS%20FOR%20ACTIVE%20SAF ETY%20-%20Glaeser.pdf, hämtad [7] Vägverket, PMS OBJEKT Version [8] Salour, F. (2010), Development of Software for Elastic Analysis of Pavements. Masters Degree Project, KTH-Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden [9] KTH Department of Architecture and Build Environment (2010), PASS for Windows v1.0 Beta, MCR Version 7.11, User s manual, KTH-Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden [10] Al-Qadi, I.L., Elseifi, M., Yoo, P.J. (2004), Pavement damage due to different tires and vehicle configurations, final report, Virginia Tech Transportation Institute, United States of America (sid. 4, 7-10) [11] Haventon, P. (2006), Däckets historia våra hjul från då till nu, (sid. 8, 92-97) [12] Michelin, Radialdäcket Tillgänglig: &lang=se, hämtad [13] Gardulf, R. (1978), Lastbil & buss 1. Fordonsteknik, Jyväskylä, Finland (sid. 56) 38

51 [14] Tyre Rack, Dual tires for light truck use, Tillgänglig: hämtad [15]Federal Highway Administration, Washington (2007), D.C., International Workshop on the Use of Wide-Base Tires Tillgänglig: Base_Tires/International_Workshop_on_the_Use_of_Widebase_Tires- Minutes-Final.pdf, hämtad [16] Al-Qadi, I.L., Wang, H. (2009), Evaluation of Pavement Damage Due to New Tire Designs, Illinois Center for Transportation, University of Illinois at Urbana-Champaign, United States of America Tillgänglig: hämtad [17]Lundström, R. (2001), Utmattning av asfalt. En litteraturstudie, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm, Sverige (sid. 1-2) [18]Isacsson, U. (2004), Drift och underhåll av vägar och gator, Arbetsrapport, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm, Sverige (kapitel 4 sid. 1,2,4,5) [19]European Commission (1999), COST 333 Development of New Bituminous Pavement Design Method, Final Report of the Action, Belgium (sid. 24, 33, 43) [20]Dawson, A., Kolisoja, P. (2006), Skötsel av spårbildning på lågtrafikerade vägar, Rodex III, Sverige (sid. 6-7) [21]Vägverket (2010), BWIM-mätningar 2009 Sammanfattning, Publikation 2010:9, Sverige (sid. 1) Tillgänglig: _2009_.pdf, hämtad [22]Vägverket (2004), BWIM-mätningar 2002 och 2003 Slutrapport, Publikation 2003:165, Sverige (sid ) [23] Kalin, J., Practical Implementation of Nothing- On The Road Bridge Weigh In- Motion System, Slovenian National Building and Civil Engineering Institute (sid. 3-5, 7, 10) Tillgänglig: docs/pdfs/session%207/s7-4%20115.pdf, hämtad

52 [24] Birgisson, B., Wang, J. Roque, R., (2005), A New Algorithm for Determination of Crack Growth path in HMA Materials, International Journal of Road Material and Pavement Design, University of Florida, United States of America (sid. 2) [25] Khavassefat, P. (2009), Evaluation of Damage Induced by Vehicles on Pavements, KTH- Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden (sid ) [26] Nilsson, R. (1999), A viscoelastic approach to flexible pavement design, KTH- Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, (Bilaga D) 40

53 Bilaga A I Bilaga A finns en tabell som användes under fältstudien för att notera de passerande tunga fordonen. Datum: Plats: Tid Buss Singel (S)/Tvilling (T) Axelkonfiguration Trailers Axlar på trailer 41

54 Bilaga B I Bilaga B finns ytterligare sammanställningar från fältstudien som visar antalet lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage. Det bör noteras att där det i figurerna står singelmontage innebär att det, utöver styraxeln, åtminstone finns en axel med singelmontage på lastbilen. Motorvägen E18 Antal lastbilar oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (motorväg) Tvillingmontage Singelmontage Lastbilstyp Figur A1. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage fördelade på olika lastbilstyper under fältstudien på motorvägen (5:e oktober). 42

55 Antal lastbilar oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (motorväg) Tvillingmontage Singelmontage Lastbilstyp Figur A2. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på motorvägen (6:e oktober). Antal lastbilar oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (motorväg) Tvillingmontage Singelmontage Lastbilstyp Figur A3. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på motorvägen (8:e oktober). 43

56 Tabell A1. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på motorvägen (totalt under de tre dagarna). 44

57 Riksväg 80 Antal lastbilar oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (riksväg) Tvillingmontage Singelmontage Lastbilstyp Figur A4. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på riksvägen (11:e oktober). Abntal lastbilar oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (riksväg) Tvillingmontage Singelmontage Lastbilstyp Figur A5. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på riksvägen (12:e oktober). 45

58 Antal lastbilar oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (riksväg) Tvillingmontage Singelmontage Lastbilstyp Figur A6. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på riksvägen (13:e oktober). Tabell A2. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på riksvägen (totalt under de tre dagarna). 46

59 Väg 252 i riktning söderut oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling - respektive singelmontage (länsväg riktning söderut) Tvillingmontage Singelmontage Antal lastbilar Lastbilstyp Figur A7. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på länsvägen i riktning söderut (14:e oktober) oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (länsväg riktning söderut) Tvillingmontage Singelmontage Antal lastbilar Lastbilstyp Figur A8. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på länsvägen i riktning söderut (15:e oktober). 47

60 20 18 oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (länsväg riktning söderut) Tvillingmontage Singelmontage Antal lastbilar Figur A9. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på länsvägen i riktning söderut (18:e oktober) Lastbilstyp Tabell A3. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på länsvägen i riktning söderut (totalt under de tre dagarna). 48

61 Väg 252 i riktning norrut Antal lastbilar oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (länsväg riktning norrut) Tvillingmontage Singelmontage Lastbilstyp Figur A10. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på länsvägen i riktning norrut (14:e oktober) oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (länsväg riktning norrut) Tvillingmontage Singelmontage Antal lastbilar Lastbilstyp Figur A11. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på länsvägen i riktning norrut (15:e oktober). 49

62 25 18 oktober: Antal lastbilar av de olika lastbilstyperna som har tvilling- respektive singelmontage (länsväg riktning norrut) Tvillingmontage Singelmontage Antal lastbilar Lastbilstyp Figur A12. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på länsvägen i riktning norrut (18:e oktober). Tabell A4. Antal lastbilar med tvilling- respektive singelmontage för respektive lastbilstyp under fältstudien på länsvägen i riktning norrut (totalt under de tre dagarna). 50

63 Bilaga C I Bilaga C finns ritningar över riksväg 80. Figur C1. Normalsektion, Riksväg

64 Figur C2. Översiktsplan, del av Riksväg