NordFoU Pavement Performance Models: Part 2; Project Level. NVF 14 mars 2011

Transkript

1 NordFoU Pavement Performance Models: Part 2; Project Level NVF 14 mars 2011

2 Hjulspår orsakas av dubbdäcksslitage samt deformationer i: Asfaltlagren De obundna överbyggnadslagren och Undergrunden

3 Orsaker till brott eller deformationer i ett material!

4 Kan man trycka sönder betong?

5 Kan man trycka sönder betong? Nej! Det blir ett skjuvbrott!

6 Kan man trycka sönder betong? Nej! Det blir ett skjuvbrott! Skjuvspänning

7 Var går en belastad balk eller platta sönder? Tryck Drag Dragpåkänning

8 Var spricker en belastad balk eller platta? Inte här, för betong eller asfalt tål stora tryckpåkänningar Tryck Drag Här, för betong eller asfalt tål inte stora dragpåkänningar Dragpåkänning

9 Skjuvsprickor i broar

10 Var spricker en asfaltbeläggning? Där dragtöjningarna/dragspänningarna är störst! Här är beläggningen ofta oxiderad och därmed sprödare Längsgående sprickor vid sidan av hjulen kommer oftast först Bottom up Top down

11

12 Var spricker en asfaltbeläggning? Där dragtöjningarna/dragspänningarna är störst! Här är beläggningen ofta oxiderad och därmed sprödare Men sprickor kommer även tvärs vägen, framför allt när det finns längsgående sprickor Bottom up Top down

13

14 Varför kan det rasa i en lerslänt?

15 Varför kan det rasa i en lerslänt? Skjuvspänningen blir större än lerans skjuvhållfasthet

16 Bild från SGI

17 Bild från SGI

18 Hur deformeras asfalt vid belastning?

19 Hur deformeras asfalt vid belastning? Komprimering Vid samma tryck från alla sidor blir deformationen liten och i huvudsak elastisk. När trycket släpper fjädrar materialet tillbaka. Det blir bara en mycket liten kvarstående permanent deformation, en komprimering, beroende på att kornen får en tätare struktur. Komprimeringen blir större vid varm väderlek

20 Hur deformeras asfalt vid belastning? Omlagring Krypning Vid mindre tryck på några sidor blir deformationen större och till stor del plastisk. När trycket släpper fjädrar materialet tillbaka, men det blir en kvarstående permanent deformation, krypning, beroende på att ballastkornen omlagras. Omlagringen blir betydligt kraftigare vid varm väderlek

21 Hur deformeras asfalt vid belastning? Materialvandring Flytning Vid litet tryck från sidorna kan materialet, under vissa omständigheter vandra i sidled. En viktig orsak är förhållandet mellan skjuv- och tryckspänning. För en asfaltbeläggning sker denna materialvandring i huvudsak vid varm väderlek och under tung trafik

22 Spårbildning som orsakats av flytning flow rutting i de bitumenbundna lagren Pressning av asfalt i sidled Asfalt lager Bär- och förstärkningsmaterial Terrass

23 Spårbildning som orsakats av flytning i de bitumenbundna lagren

24 Hur deformeras ett granulärt friktionsmaterial vid belastning?

25 Hur deformeras ett granulärt friktionsmaterial vid belastning? Komprimering Vid samma tryck från alla sidor blir deformationen liten och i huvudsak elastisk. När trycket släpper fjädrar materialet tillbaka. Det blir bara en liten kvarstående permanent deformation, komprimering, beroende på att kornen får en tätare struktur. Enskilda korn i ett för svagt stenmaterial kan spräckas eller krossas, vilket kan ge stora permanenta deformationer

26 Hur deformeras ett granulärt friktionsmaterial vid belastning? Omlagring, krossning av kornens kontaktkyta och/eller sönderbrytning av kornen Krypning Vid mindre tryck på några sidor blir deformationen större och till stor del plastisk. När trycket släpper fjädrar materialet tillbaka, men det blir en kvarstående permanent deformation, krypning, beroende på att kornen omlagras, krossas i kontaktytan och/eller går sönder. Omlagringen blir betydligt kraftigare vid hög fukthalt

27 Hur deformeras ett granulärt friktionsmaterial vid belastning? Materialvandring Vid litet tryck från sidorna kan materialet, under vissa omständigheter vandra i sidled. Orsakerna kan vara förhållandet mellan skjuv- och tryckspänning samt stenmaterialets hållfasthet och friktionen mellan de enskilda kornen. I ett obundet friktionsmaterial kan denna vandring ske vid en hög vattenhalt, t.ex. vid tjällossning

28 Utseende på spår vid komprimering och krypning Komprimering och krypning Asfalt lager Spåret blir bredare ju längre ner som deformationen sker Bär- och förstärkningsmaterial Komprimering och krypning Terrass

29

30 Materialegenskaper Elastiska egenskaper hos: Ett asfaltmaterial. Ett obundet friktionsmaterial

31 Elastiska egenskaper hos asfalt Dynamisk modul, E* (MPa) Temp. ( C) Frekvens (Hz) Medelvärde Standardavvikelse

32 Ett friktionsmaterial hårdnar vid belastning Kraften, S, för att uppnå samma deformation ökar vid hoptryckning av materialet S S ε v *h ε h *h*ν ε v *h h

33 S = 0 S = σ*b 1 S = σ*b 2 b 1 b 2 σ σ ε 2ε Trycket mellan enskilda korn, för att uppnå samma deformation, ökar vid belastning

34 Elasticitetsmodul (Resilientmodul) som funktion av omgivningstryck (σ 1 + σ 2 + σ 3 ) y = x R 2 = Resilient Modulus (MPa) Sum of principal stresses (kpa)

35 Beräkning av hållfasthet

36 Hållfasthet (σ) Utmattningshållfasthet Asfalt och betong m.m. Brott vid en belastning Brott vid N st. belastningar Antal belastningar (N)

37 Koppling mellan medelspänning, p, och skjuvhållfasthet, q = 2 τ Skjuvhållfastheten blir större ju större medelspänningen är, eftersom friktionen mellan de enskilda kornen ökar

38 Huvudspänningar τ zx σ z σ 1 τ zy τ xy σ x σ 2 σ y τ yz τ yx τ xz Spänningar på en utskuren kub ur en kontinuerlig kropp σ 3 I ett visst läge försvinner samtliga skjuvspänningar. På kubens sidor verkar nu enbart huvudspänningar

39 Deviatorspänning q kpa 200 Redovisning av spänningar bör göras i ett p q diagram 160 q = σ 1 σ 3 σ1 σ m Brottgräns för obundet material σ2 40 S p = (σ 1 + σ 2 + σ 3 )/3 Medelspänning p kpa

40 Det går inte att ta upp dragpåkänning mellan enskilda korn a)

41 Men kornen kan inte förflyttas i sidled utan motstånd b) Verkliga friktionsoch tryckkrafter Dessa krafter verkar som en draghållfasthet mellan kornen (en inre kohesion)

42 Ett alternativ är att kornen förflyttas uppåt, dilatation, men för det krävs energi Volymökning, dilatation c)

43 Ett annat alternativ är att kornen börjar rotera, spricka sönder och omlagras d) Kornen kan rotera och omlagras Kornen kan spricka sönder

44 Vad händer när brottgränsen överskrids? Materialet flyter Horisontalspänningar Asfalt Bärlager + F-lager Drag Brottgräns Tryck Terrass Drag Materialet flyter Tryck Material med sämre kvalitet kan bli överbelastat även här

45 Deformationsegenskaper hos vissa vägbyggnadsmaterial

46 4 3 ε p Utvärdering av triaxial test Töjning q/p = 3,0 ε p = a N b q/p = 2,5 Olika a och b vid olika q/p 2 1 q/p = 2,0 q/p = 1,5 Antal belastningar: N

47 Forskningsrapport från Norge (SINTEF) år 2000 Skjuvspänning E D C B A Tryckspänning

48 Standardiserade nivåer på accepterade spänningar Permanenta deformationer (spår) Brottgräns vid statisk belastning Nivå C: Deformationer vid en spänningsnivå över Plastic Creep gränsen men under den dynamiska brottgränsen. Inkrementell kollaps. Nivå D: Brott i materialet Nivå B: Deformationer vid en spänningsnivå över Plastic Shakedown gränsen, men under Plastic Creep gränsen. Krypning. Nivå A: Deformationer vid en spänningsnivå under Plastic Shakedown gränsen. Komprimering. Antal belastningar, N

49 Olika nivåer på brottlinje samt Creep och Shakedown gränserna från Rv

50 300 Deviatorspänning q kpa Spänningsnivå Rv 31 vid Nässjö: A. Botten av förstärkningslager B. 0,125 m över terrass C. 0,25 m över terrass D. 0,375 m över terrass D A B C 50 Gräns för brott i obundna friktionsmaterial Plastic Creep gräns Plastic Shakedown gräns Medelspänning p kpa

51 Det är lätt att göra fel! 300 Deviatorspänning q kpa D A B C 50 Gräns för brott i obundna friktionsmaterial Tension cut of Plastic Creep Limit Plastic Shakedown Limit Medelspänning p kpa

52 Det är lätt att göra fel! Deviatorspänning q kpa Gräns för brott i obundna friktionsmaterial A B C D Tension cut of Plastic Creep Limit Plastic Shakedown Limit Medelspänning p kpa

53 Det är lätt att göra fel! Deviatorspänning q kpa Gräns för brott i obundna friktionsmaterial Plastic Creep Limit A B C D Tension cut of +Fukt + Inb. spänning Plastic Shakedown Limit Medelspänning p kpa

54 Det är lätt att göra fel! Deviatorspänning q kpa Gräns för brott i obundna friktionsmaterial Plastic Creep Limit A B C D Tension cut of +Fukt + Inb. spänning Plastic Shakedown Limit Medelspänning p kpa

55 Deformationer vid triaxialförsök Permanent deformation (spår) g = e + f Deformationer vid spänningar över Plastic Shakedown gräns, men under Plastic Creep gräns. f. Deformationer vid utmattningslast, Plastic Creep. Krypning. e. Deformationer vid spänningar under Plastic Shakedown gräns. Komprimering. Antal belastningar, N

56 Spår mm Rv 33 Vimmerby Krypning Komprimering År 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 12 V 1 2

57 Spänningsnivån i vägen, framför allt skjuv- och dragspänningen, har en mycket stor betydelse för spårbildning och sprickbildning Det är därför viktigt att kunna beräkna och redovisa spänningarna i en vägkropp

58 Spänningen i olika delar av en vägkropp är viktig för att kunna beräkna spår och sprickor p P z y x h asfalt E 1, ν 1 h bär- o förstärkn lager ε 1 σ z E 2, ν 2 Terrass E3, ν 3 ε 2 σ y τ σ x P = Hjullast p = Hjultryck E = Elasticitetsmodul ν = Poissons tal ε 1 = Horisontell töjning i underkant asfalt ε 2 = Vertikal töjning på terrass

59 Modell för beräkning av elastiska spänningar och töjningar i en vägkropp De beräknade spänningarna har en direkt påverkan på de beräknade permanenta deformationerna, speciellt om de ligger över utmattningsgränsen eller Plastic Shakedown Limit. Viktigt att använda den mest exakta modellen: Ett tredimensionellt finit elementprogram, 3D FEM, ger det mest exakta resultatet. ABAQUS är det erkänt bästa FEM programmet i branschen. En modell, som modellerar vägkroppen på ett geometriskt riktigt sätt. Enkelt att förstå. Inget behov av kunskap i FEM modellering. Bör ta mindre än en timme att skriva in indata för 7 8 olika temperaturintervall

60 Deviatorspänning q kpa 300 Spänningsnivå testsektion 4 Rv 46 vid Trädet: A. Botten av förstärkningslager, linjärelastisk undergrund B. 0,1 m från botten, linjärelastisk undergrund C. Botten av förstärkningslager, olinjärt elastisk undergrund D. 0,1 m från botten, olinjärt elastisk undergrund A Brottgräns i obundet friktionsmaterial B C D Plastic Creep gräns exceptionell belastning Plastic Shakedown gräns normal belastning Medelspänning p kpa

61 Beräkning av spårbildning, permanenta deformationer

62 Beräkning av framtida spårbildning Modell för beräkning av elastisk spänning och töjning ( σ, τ och ε) i en vägöverbyggnad under belastning Respons Indata från triaxialförsök och/eller erfarenhet. σ 1-3 τ xyz h 1 =Σh 1y Modell för beräkning av permanent töjning, ε p, (spår) i en vägöverbyggnad under belastning. Indata från triaxialförsök och/eller erfarenhet Spårbildning = Σε p h 1y-4y h 3 =Σh 3y y 1 h 2 =Σh 2y h 4 =Σh 4y

63 De permanenta deformationerna blir betydligt större eftersom skjuvspänningen ändrar riktning vid passage av ett tungt fordon Detta förhållande finns inbakat i många modeller eftersom de är empiriska, d.v.s. de är kalibrerade mot verklig spårbildning i en väg Lekarp et. al

64 Modeller för beräkning av permanenta deformationer i ett vägbyggnadsmaterial Permanent deformation består av: En del, som beskriver hur permanent deformation utvecklas per lastcykel En del, som beskriver den permanenta deformationens spänningsberoende En del, som beskriver den permanenta deformationen som funktion av krypning

65 Modell för beräkning av permanent deformation, spårbildning ε p = a N b f 1 (q/p) + krypning n) Spänningsnivån m) Antal tunga axlar, N, samt storlek på, och hur snabbt, den permanenta deformationen avtar o) Krypning: N f 2 (q/p) K Antal tunga axlar, N Spänningsnivån, f 2 (q/p) Materialegenskaper, K

66 Beräkning av spårbildning, permanenta deformationer, i asfalt

67 Spår orsakade av dubbdäcksslitage Slitage av dubbdäck Asfalt lager Bär- och förstärkningsmaterial Terrass

68 Beräkning av permanenta deformationer i asfalt

69 Praktiska beräkningsverktyg VägFEM har använts i NordFoU för beräkning av spänningsnivån i olika delar av vägöverbyggnaden

70 VägFEM för spänningsberäkning Använder ABAQUS 3D FEM och en realistisk geometri av vägöverbyggnadenof. MEPDG; Appendix RR värderar ABAQUS 3D FEM som den bästa modellen av alla undersökta modeller. Den har använts i högskolor för forskning, varför den stämmer bäst överens med materialmodeller. Kan hantera olinjärt beteende och olika elastiska egenskaper hos asfalt och obundna material beroende på temperatur, åldring och fukthalt etc. Lätt att förstå och arbeta med Indata och beräkningar med ett Excelprogram tar mindre än en timme för en överbyggnad. Programmet är vidareutvecklat, så att det kan hantera plasticitet, flytning

71 VägFEM är ett 3D finite element program, som bygger på ABAQUS, och körs på en stor dator. Resultet beräknas på ca 20 minuter. Indata är enkelt att skriva, det tar ca 3 minuter för ett temperaturintervall på en arbetsplats. VägFEM

72 Indata till VägFEM: Belastning Geometri Materialets elastiska egenskaper

73 Excel-program för beräkning och presentation av spårbildning

74 Pivotdiagram som visar spänningsnivån i en viss punkt D 23 Summa av q D 23 Summa av qf D 23 Summa av qs D 23 Summa av p 0 0,2625 0,3875 0,5125 0,

75 Beräkning av den permanenta deformationen i när terrassen har en låg resilientmodul

76 Spårbildning för vägar på lös undergrund

87 Friktionsmaterial, som utsätts för spänningar över Plastic Shakedown gränsen bör vara välgraderat för att undvika permanenta deformationer A. Ensartat grovkornigt material B. Välgradera grovkornigt material

88 Problem med empiri, så har vi alltid gjort! Vägkonstruktion med 10 cm betong på cellplast. Beräkningsmässigt överskrids betongens draghållfasthet!? 170 mm asfalt Om betongplattan ersätts med 30 cm cementstabiliserat grus, så tar armeringen upp dragpåkänningarna. Mindre spårbildning!! 80 mm bärlager mm förstärkningslager mm förstärkningslager mm CG + nätarmering 100 mm betong + nätarmering Cellplast Cellplast

89 Beräkning av den permanenta deformationen i när terrassen har stabiliserats

90 Stabiliserat skyddslager Beläggning Bärlager 1 2 Förstärkningslager Risk för sprickor 3 Stabiliserat friktionsmaterial LERA Resilientmodul 20 MPa 4 5 Beläggning: 35 mm ABS 55 mm Bindlager 55 mm AG 1: 110 mm Beläggning 2: 80 mm Bärlager 3: 500 mm Förstärkningslager 4: 300 mm Stabiliserat friktionsmaterial. Krav enligt VVTBT 2007, kap 5 Skyddslager, max stenstorlek 90 mm 5: Vävd fiberduk som materialskiljande lager

91 Sandwichkonstruktion

92 Väg med Sandwichkonstruktion Beläggning Bärlager Stabiliserat friktionsmaterial Ostabiliserat friktionsmaterial Risk för sprickor 1 2 (3 ) LERA Resilientmodul 20 MPa Beläggning: 35 mm ABS 55 mm Bindlager 55 mm AG 1: 110 mm Beläggning 2: 200 mm Bärlager (3: 0 mm Förstärkningslager) 4: 300 mm Stabiliserat friktionsmaterial. Krav enligt VVTBT 2007, kap 5 Skyddslager, max stenstorlek 90 mm 5: 200 mm Ostabiliserat friktionsmaterial. Krav enligt VVTBT 2007, kap 5 Skyddslager, max stenstorlek 90 mm 6: Vävd fiberduk som materialskiljande lager

93 2.1 Val av modeller för beräkning av permanenta deformationer

94 Gidel modellen A B C Parameterdata från triaxialförsök: 25 kkr. för två tester

95 Permanent deformation ε A Närmar sig ett begränsat värde ε p 10 ε p 10 (1 (N/N 0 ) -B ) Antal lastcykler N

96 Deviatorspänning: q kpa 240 C q max 80 Gräns för brott av obundet friktionsmaterial m m + s/p max q max /p max 1/(m + s/p max q max /p max ) when m + s/p max q max /p max = 0 m + s/p max q max /p max > 1 B 40 s Medelspänning: p kpa p max

97 VTT modellen ε p = C N b R/(A-R) Parameterdata från HVS-försök: 1 miljon Kr. för ett test Det finns inga parametervärden för denna typ av material, gamla BYA

98 Deviatorspänning: q kpa Gräns för brott av obundet friktionsmaterial: q f VTT modellen 160 q max 120 m q f q ε p = C N b R/(A-R) 80 R = q/q f 40 s Medelspänning: p kpa p max

99 VTT modellen med insatta värden C = 1,5 * 10-5 och b = 0,3 25 Rv 31 Nässjö 20 Rut mm Sect 1S Sect 2S Sect 3S Sect 4S Sect 5S Sect 6S Sect 7S Sect 8S Sect 9S Sect 10S Sect 11S 0 Year

100 Vidareutveckling av VTT modellen En doktorand (före detta examensarbetare hos mig) arbetar i Nottingham hos Andrew Dawson med att försöka bestämma de två parametrarna C och b empiriskt med stöd av: Den verkliga spårbildningen på de undersökta vägarna Undergrundens resilientmodul Förstärkningslagrets (och bärlagrets) ballastkurva Andra faktorer, som grundvatten m.m

101 Möjligheterna till att bestämma parametrarna med hjälp av standardiserade testmetoder?

102 Triaxialtest Rubber membrane Vacuum Rubber membrane ICT-mould σ d Rings to fix the mould Bottom platen with O-ring 0.1 sec Screw to eject the sample SVENSK STANDARD SS-EN :2004 Fastställd

103 2.3 Resultat från triaxialtesterna Obundet material har grävts upp från de utvalda LTTP vägarna och testats genom triaxialtest. Prov har tagits på asfalten och testats genom IVT för att få beläggningens resilientmodul vid olika temperaturer Material Parameters m s k1 k2 ε p 10 B N Nässjö base 2, ,73 0,8 0,08 0,19 Nässjö sub-base 2, ,54 2,7 0,018 1,08 Nässjö section 9 base 2, ,55 6,7 0,094 0,1 Dingle 2, ,65 4,0 0,08 0,6 MinRoad 2, ,57 0* 0* 0* Trädet 2, ,80 0,52 0,057 0,1 Inge Hoff SINTEF

104 2.4 Kalibrering av Project Level Models Kalibrering av E6 Halland: Verklig:7,3 mm Beräkn: 7,4 mm Kalibrering av Rv 46 Trädet: Verkl:5,5 mm Beräkn: 5,4 mm Kalibrering av Rv 31 Nässjö: Beräkn: 5,3 mm Verkl: 5 mm efter 3 år och därefter ökar spårbildning lika mycket per år Kalibrering av motorväg E6 vid Dingle Kontinuerlig tillväxt i spår varje år Spårbildning på LTTP vägarna Rv 31 Nässjö, Rv 34 Målilla, Rv 53 Nyköping och Rv 33 Vimmerby Snabb spårtillväxt i början, och sedan kontinuerlig tillväxt i spår varje år För dessa vägar stämmer inte Gidel modellen

105 6 5 Rv 46 Trädet Sekt 4N Spår mm Verklig spårbildning Beräknad spårbildning Sekt 4N 0 År

106 Rv 46 Trädet Sekt 5N Sprickindex ökar kraftigt > 150 Spår mm 10 8 Sekt 5N Verklig spårbildning 0 År

107 Rv 31 Nässjö År Sect 1S Sect 2S Sect 3S Sect 4S Sect 5S Sect 6S Sect 7S Sect 8S Sect 9S Sect 10S Sect 11S Spår mm

108 Spår mm Rv 34 Målilla År 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8 S 9 S 10 S 1 2

109 9,0 Rv 53 Nyköping 8,0 7,0 Spår mm 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8 S 9 S 10 S 1,0 0, År

110 16 Rv 33 Vimmerby Spår mm Komprimering Krypning År V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 12 V 1 2

111 2.5 Slutsatser och rekommendationer Det är möjligt att i förväg beräkna spårbildning i asfaltlagren med god noggrannhet. Det är möjligt att i förväg beräkna spårbildning i obundna lager med god noggrannhet när undergrunden är tillräckligt styv. Spänningar under Shakedown Limit. Det är viktigt att välja en noggrann modell för beräkning av spänningar i vägkroppen. För att få fram materialegenskaper måste man använda triaxialtest och IVT. I framtiden kan kanske materialdata hämtas från en materialdatabank. Det var inte möjligt att beräkna spårbildningen vid spänningar över Shakedown Limit. Använd de modeller som finns utvecklade idag under alla skeden, tidig och sen projektering samt byggande och underhåll. Utveckla en modell för beräkning av permanenta deformationer när det obundna materialet kryper

112 The Swedish Transport Administration TACK FÖR UPPMÄRKSAMHETEN Det är möjligt att bygga bättre vägar!