EXAMENSARBETE. Inventering av dimensioneringsmetoder för överbyggnader hos vägar och övriga trafikerade ytor. Erika Granbom 2015

Transkript

1 EXAMENSARBETE Inventering av dimensioneringsmetoder för överbyggnader hos vägar och övriga trafikerade ytor Erika Granbom 2015 Högskoleexamen Samhällsbyggnad Luleå tekniska universitet Institutionen sör samhällsbyggnad och naturresurser

2 INVENTERING AV DIMENSIONERINGSMETODER FÖR ÖVERBYGGNADER HOS VÄGAR OCH ÖVRIGA TRAFIKERADE YTOR Erika Granbom

3 Förord Som avslutande uppgift på Samhällsbyggnadsprogrammet vid Luleå Tekniska Universitet ska ett examensarbete på 7,5 högskolepoäng genomföras. Under våren 2015, när den verksamhetsförlagda utbildningen genomfördes, fick jag frågan av Ramböll om att utreda vilka dimensioneringsprogram för överbyggnader som används inom företaget samt om det finns andra program som kan tänkas vara bättre lämpade. I och med detta hade jag grunden för mitt examensarbete. Jag vill tacka alla som på något sätt bidragit till mitt examensarbete. Ett stort tack vill jag rikta till alla som tagit sig tid att delta i min enkätundersökning. Vidare vill jag tacka mina handledare Tommy Edeskär och Virgilio Pérez för att ni kommit med era synpunkter gällande mitt examensarbete. Slutligen vill jag rikta ett särskilt tack till Anneli Jonsson för att du har granskat min rapport och stöttat mig genom hela examensarbetet, din hjälp har varit ovärderlig! Erika Granbom ii

4 Sammanfattning Det finns en rad olika metoder som kan användas för överbyggnadsdimensionering av vägar och övriga ytor. Vilken metod som lämpar sig bäst beror bland annat på vilken typ av yta som ska dimensioneras. Denna utredning fokuserar i första hand på vilka metoder som används vid överbyggnadsdimensionering inom Ramböll, vilka ytor de används till samt vilka för- och nackdelar metoderna har. Dessutom presenteras PCASE, ett dimensioneringsverktyg som med fördel kan införlivas i företaget på grund av dess framstående egenskaper. iii

5 Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Syfte och mål Frågeställning Avgränsningar Genomförande Enkätundersökning Litteraturstudie Teori Överbyggnader Flexibla överbyggnader Styva överbyggnader Överbyggnadsdimensionering Trafikbelastning Klimat Dimensioneringsperiod Befintlig mark Dimensioneringsprinciper Linjärelastisk teori Svagheter med linjärelastisk teori Mätmetoder CBR-metoden Fallviktsmätning Dimensioneringsmetoder PMS Objekt Dimensioneringsprogram för ytor av marksten och betongplattor HIPAVE Tabellmetoden (VVMB 302) Indexmetoden (VVMB 302) PVD PCASE Resultat iv

6 4. Diskussion och slutsats Referenser Tryckta referenser Elektroniska referenser Bilaga v

7 Definitioner och förkortningar AASHTO: Anisotrop: Axellast: CBR: Deflektion: Dynamisk belastning: Elastisk: HIPAVE: Isotrop: Normaltöjning: PCASE: Plastisk: PMS Objekt: PVD: Referenshastighet: Skjuvtöjning: Statisk belastning: Terrass: Viskositet: American Association of State Highway and Transportation Officials. Beroende på riktning har materialet olika egenskaper. Den last som belastar en hjulaxel på ett fordon. California Bearing Ratio, ett belastningstest för utvärdering av överbyggnader. Nedsjunkning (här avser under belastning av en dynamisk tung fallvikt). Belastning som varierar. Återgår till utgångsläget efter deformation. Heavy Industrial PAVEment design, ett australiensiskt dimensioneringsverktyg för överbyggnader. Oberoende av riktning har materialet likformiga egenskaper. Relativ längdändring. Pavement-transportation Computer Assisted Structural Engineering, ett dimensioneringsverktyg för överbyggnader. Formbar. Trafikverkets dimensioneringsverktyg för vägöverbyggnader. Presentation Vägteknisk Data, ett visualiseringsprogram från KUAB. Högsta hastigheten en väg utformas för. Vinkeländring skapad av deformation. Stillastående belastning. Markytan som en väg byggs på. En fysikalisk egenskap hos vätskor och gaser som betecknar dess tjockhet. Hög viskositet innebär trögflytande, medan låg viskositet innebär lättflytande. vi

8 1. Inledning 1.1 Bakgrund En återkommande aktivitet i markprojektörens arbete är dimensionering av överbyggnader hos vägar och övriga ytor. För att kunna utföra en passande dimensionering finns olika dimensioneringsmetoder som lämpar sig bättre beroende på vilken typ av yta som berörs. Hos många teknikkonsulter använder markprojektörerna främst PMS Objekt, Trafikverkets dimensioneringsprogram för vägöverbyggnader. Programmet har i många fall visat sig överdimensionera överbyggnaden samt underdimensionera utskiftningsdjupet för ytor som har lägre trafikbelastning än vägar. Ett alternativ som används är dimensionering med tabellmetoden (enligt VVMB 302), en metod som istället underdimensionerar överbyggnaden. Därmed finns ett behov av att undersöka ytterligare dimensioneringsmetoder som kan bidra till förbättrade förutsättningar vid överbyggnadsdimensionering. 1.2 Syfte och mål För att stärka markprojektörernas förutsättningar vid överbyggnadsdimensionering studeras olika metoder, detta med förhoppning om att identifiera vilka verktyg som med fördel kan användas till olika typer av ytor. Det huvudsakliga målet är att ta fram en sammanställning av de dimensioneringsmetoder som redan används, detta med stöd av hur arbetet mestadels utförs hos Ramböll. Med hjälp av sammanställningen kan kunskapen föras vidare och bli mer tillgänglig. Sammanställningen ska redovisa information om vem som använder sig av metoderna, vilka ytor de olika metoderna lämpar sig bäst till samt vilka för- och nackdelar som finns med metoderna. Även dimensioneringsverktyg som under arbetets gång framstår som intressanta kommer att presenteras. 1.3 Frågeställning Vilka metoder används till överbyggnadsdimensionering? Till vilka ytor är metoderna bäst lämpade? Vilka för- och nackdelar finns hos metoderna? Finns det någon ytterligare dimensioneringsmetod som inte används av Ramböll som med fördel kan införlivas? 1.4 Avgränsningar Rapporten avgränsades genom att i första hand behandla dimensioneringsmetoder som redan implementerats hos Ramböll och flera andra konsulter. Dessutom presenteras andra dimensioneringsverktyg som visat på framstående egenskaper vid överbyggnadsdimensionering. 1

9 1.5 Genomförande Tillvägagångssättet för informationsinhämtningen delades upp i två delar, en enkätundersökning samt en kompletterande litteraturstudie Enkätundersökning Huvuddelen av underlaget hämtades från resultatet av en enkätundersökning (se bilaga 1). Enkäten besvarades av Ramböll-anställda från hela landet, som är aktivt arbetande inom överbyggnadsdimensionering. Enkätfrågornas innehåll bestämdes i samråd med Johan Rönnbäck, dåvarande enhetschef för Samhällsbyggnad Luleå, som uttryckt behovet av denna undersökning. Enkäten utformades med främst öppna frågor där respondenten själv formulerat sina svar, men inledningsvis fanns även en övergripande fråga med kryssrutor. Sammanställningen av enkätundersökningen utgjorde sedan det huvudsakliga resultatet som presenteras under rubriken Resultat Litteraturstudie För kompletterande uppgifter om dimensioneringsmetoderna samt för att ge stöd åt enkätundersökningen har en litteraturstudie genomförts. Underlaget hämtades från LTUs sökmotor Primo, tidigare genomförda examensarbeten, Trafikverkets hemsida samt den tryckta skriften Vägbyggnad av Sven Agardh och Ebrahim Parhamifar. 2

10 2. Teori 2.1 Överbyggnader En vägkropp består av två delar som separeras av terrassen. Den del som befinner sig under terrassen är underbyggnaden, medan den övre delen är överbyggnaden. Överbyggnadens huvudansvar är att bemöta belastningen från trafiken och fördela lasten nedåt i vägkroppen, detta för att undvika att underbyggnaden utsätts för högre belastning än den klarar av. Samtidigt ska överbyggnaden se till att vatten avlägsnas från både vägyta och vägkropp för att inte utsättas för nedsatt bärighet. Dessutom är överbyggnaden tillför att körytan ska uppfattas som jämn att köra på, den måste uppfylla krav på både komfort och säkerhet som ställs av trafiken (Agardh & Parhamifar, 2014). Figur 1: Principiell uppbyggnad av överbyggnad (TRVK VÄG, 2011, figur 1.4-3). Överbyggnaden utgörs av ett varierande antal materiallager. Standardkonstruktionen av en överbyggnad består av ett skyddslager närmast terrassen följt av förstärkningslager, obundet bärlager, bundet bärlager och slitlager. De lager som befinner sig högre upp i lagerföljden har även högre belastningsgrad, därmed ställs högre krav på vilket material som används (Granhage, 2009) Flexibla överbyggnader Det finns olika typer av överbyggnader, en av dem är flexibla överbyggnader. En flexibel överbyggnad har enbart obundna lager, alternativt obundna lager i kombination med bitumenbundna lager (TRVK Väg, 2011). Flexibla överbyggnader är någorlunda mjuka och kan därför klara av viss rörelse under beläggningen utan att spricka, vilket innebär att de med fördel kan användas i områden med tjällyftning. Trots att beläggningen inte spricker kan komforten, fordonskostnaden och olycksrisken påverkas av de ojämnheter som uppstår i marken. Investeringskostnaderna för flexibla överbyggnader är relativt låga. Däremot är underhållskostnaderna höga då den tekniska livslängden endast beräknas till 20 år (Degerman & Haraldsson, 2003). 3

11 2.1.2 Styva överbyggnader En annan typ av överbyggnad är styva överbyggnader. De består av ett eller flera lager som är hydrauliskt bundna, det vill säga stabiliserade med betong eller cement (TRVK Väg, 2011). Styva överbyggnader är slitstarka samt motståndskraftiga mot spårbildning och slitage av dubbdäck. De har generellt högre bärighet än flexibla överbyggnader och används med fördel vid hög trafikbelastning, ex. vid trafikljus, cirkulationsplatser eller vägar med mycket tung trafik. Däremot är styva överbyggnader inte att rekommendera vid tjällyftningar större än 20 millimeter då risken för sprickor är större än för flexibla överbyggnader (Granhage, 2009). Investeringskostnaderna för styva överbyggnader är höga jämfört med flexibla överbyggnader, men de har i stället en teknisk livslängd på 40 år vilket resulterar i lägre underhållskostnader (Degerman & Haraldsson, 2003). 2.2 Överbyggnadsdimensionering Med överbyggnadsdimensionering menas att man bestämmer tillräckliga tjocklekar för överbyggnadens olika materiallager. Vid dimensionering av en överbyggnad finns olika metoder att välja mellan beroende på vilken typ av yta som ska dimensioneras. Genom att välja en lämplig metod kan över- och underdimensionering av överbyggnaden undvikas. En överdimensionering skulle innebära att vägkroppens konstruktionskostnad blir extra hög, medan en underdimensionering leder till ökade underhållskostnader i framtiden. Beroende på vilken dimensioneringsmetod som används krävs varierande indata. Några uppgifter som de flesta metoder begär är information om trafikbelastning inklusive tung trafik, klimatpåverkan, dimensioneringsperiod, bärighet hos befintlig mark samt bärighetsegenskaper hos materialen som ska ingå i överbyggnaden (Agardh & Parhamifar, 2014) Trafikbelastning Trafikbelastning är antalet och storleken på de tryckpåkänningar som trafiken utsätter konstruktionen för under dess livslängd. Vägkroppen belastas av olika typer av fordon som i sin tur påverkar konstruktionen på olika sätt. Personbilar påverkar nedbrytningen av vägkroppen minimalt, men bidrar istället till ökat slitage på körytan vid användande av dubbdäck. Däremot är tunga fordon en kraftigt bidragande faktor till nedbrytningen av överbyggnaden, vid högre axeltryck ökar nedbrytningen drastiskt (Agardh & Parhamifar, 2014) Klimat Klimatet har en stor inverkan på vägmaterialen och måste därför beaktas vid dimensionering av överbyggnader. Beroende på fukthalten i materialet påverkas bärighetsegenskaperna, något som måste beaktas vid beräkningen av bärighetsförmågan i undergrunden. Även temperaturen är en viktig faktor att ta hänsyn till då beläggningens egenskaper påverkas av denna. Sverige delas därför in i fem klimatzoner beroende på medelsköldmängden (Agardh & Parhamifar, 2014). 4

12 Figur 2: Sveriges klimatzoner (ATB VÄG, 2005, figur A10-1) Dimensioneringsperiod Tiden som vägkonstruktionen dimensioneras för kallas dimensioneringsperiod eller teknisk livslängd. Under denna tid förväntas konstruktionen uppfylla krav som ställts, med normalt underhåll. Olika delar i vägkonstruktionen har olika krav på den tekniska livslängden (VU94S-2, 2002). Tabell 1: Krav på teknisk livslängd på olika delar av investeringsprodukter (VU94S-2, 2002, tabell ). 5

13 2.2.4 Befintlig mark För dimensionering av en åtgärd beräknas återstående bärighet i underbyggnad och undergrund hos en befintlig konstruktion. Beräkningarna görs med hjälp av en tabell som delar in jord och berg i olika materialtyper (TRVK Väg, 2011). Tabell 2: Indelning av berg och jord i materialtyper (TRVK Väg, 2011, tabell 4.3-1). 2.3 Dimensioneringsprinciper Som tidigare nämnt finns olika metoder för överbyggnadsdimensionering. Metoderna delas ofta in i tre huvudgrupper; empiriska, analytiska och analytisk-empiriska metoder (Al Barkawi, 2012) Empirisk dimensionering En empirisk dimensioneringsmetod baseras på erfarenheter från utförda undersökningar, experiment och iakttagelser från verkliga vägkonstruktioner. Erfarenheterna har samlats in under flera år då studierna pågått. Nackdelen med empiriska dimensioneringsmetoder är beroendet av tidigare utförda vägprojekt. Det innebär att nya förhållanden, ex. material och laster som inte tidigare testats, kan bidra till att problem uppstår (Al Barkawi, 2012) Analytisk dimensionering Framtidens mål för att konstruera vägöverbyggnader är att använda analytiska dimensioneringsmetoder. De beräknar spänningar, töjningar och deformationer som uppstår i vägkroppen vid upprepade trafikbelastningar. När de totala påkänningarna för vägens 6

14 livslängd är kända dimensioneras överbyggnaden så att dessa inte överstiger hållfastheten hos materialen (Agardh & Parhamifar, 2014). Med analytiska dimensioneringsmetoder finns möjlighet att använda nya material och laster eftersom inga tidigare erfarenheter krävs (Al Barkawi, 2012) Analytisk-empirisk dimensionering En analytisk-empirisk dimensioneringsmetod är en kombination mellan de två metoderna som nämnts ovan. Spänningar och töjningar beräknas i konstruktionen, vilket är den analytiska delen. Samtidigt som kriterier på tillåtna värden hos spänningarna och töjningarna behandlas av den empiriska delen. Analytisk-empiriska metoder används med fördel i väntan på att metoder som enbart baseras på analytisk dimensionering ska ta form (Agardh & Parhamifar, 2014). 2.4 Linjärelastisk teori De flesta dimensioneringsmetoder bygger på linjärelastisk teori. Linjärelasticitet innebär att en kropp som belastas, fullständigt återgår till sin ursprungsform vid avlastning samt att spänningen är proportionell mot töjningen (Dahlblom et al ) Hos ett linjärelastiskt material är förhållandet mellan vertikalspänning (σ1) och vertikaltöjning (ε1) konstant. Det är materialets elasticitetsmodul (E). E = σ1 / ε1 Det negativa förhållandet mellan horisontaltöjningen (ε3) och vertikaltöjningen (ε1) är också konstant. Den positiva kvoten är Poissons tal (υ). υ = - (ε3 / ε1) Enligt teorin ska materialen vara linjärelastiska, homogena och isotropa samt att belastningen ska vara statisk, något som i sin tur leder till en kontinuerlig deformation. Då överensstämmer även normal- och skjuvtöjningarna med varandra. Om dessa antaganden skulle stämma kan effekter från olika lastkombinationer, material och klimat förutses. Metoden skulle därmed kunna användas i projekt med ovanliga förutsättningar (Magnusson & Paterson, 2005) Svagheter med linjärelastisk teori Teorin för linjärelasticitet kräver att de grundläggande antagandena gällande materialegenskaper och belastning stämmer överens med verkligheten, vilket de inte gör. Överbyggnadens belastning av trafiken är inte statisk utan dynamisk, beroende på vilket fordon som passerar varierar belastningen. Ingen hänsyn tas till belastningstiden hos bitumenbundna material, en faktor som förändrar modulvärdena. När långsamgående tung trafik belastar vägen påverkas värdena som mest. Ju längre belastningstiden är desto mer sjunker modulvärdena. 7

15 Väldigt sällan är överbyggnadsmaterialen homogena, de flesta har varierade fysikaliska egenskaper i olika riktningar. Materialen visar på viskoelastiska, viskoplastiska och plastiska egenskaper när de befinner sig i verkliga förhållanden, något som inte överensstämmer med teorin. Förhållandet mellan spänningar och töjningar i materialen är ofta komplexa och icke linjära, samtidigt som förhållandet mellan normal- och skjuvtöjningar förändras av bland annat sprickor i marken (Magnusson & Paterson, 2005). 2.5 Mätmetoder För utvärdering och säkerställande av bärförmågan hos ytor finns olika mätmetoder som kan genomföras. Beroende på vilket test det handlar om utförs det antingen på laboratorium eller i fält (Agardh & Parhamifar, 2014) CBR-metoden California Bearing Ratio (CBR) är en provtagningsmetod som fungerar som stöd vid design av överbyggnader. Metoden är baserad på erfarenhet och utvecklades av California Hiway Department. CBR-metoden är ett belastningstest som används vid utvärdering av terrass, undergrund och förstärkningslager hos belagda ytor. Utifrån styrkan hos materialen samt uppskattad trafikmängd bestäms respektive lagertjocklek. Testet utförs med fördel på laboratorium med störda jordprover. För ett indränkt jordprov tar det minst fyra dagar innan CBR-värdet är uppmätt. För att kunna använda sig av CBR-metoden krävs en stor mängd jordprover. Dessutom är erfarenhet och skicklighet nödvändigt för att kunna uppfatta missvisande eller felaktiga resultat (Kumar Choudhary & Joshi, 2014) Fallviktsmätning Fallviktsmätning är en metod som mäter ytans deflektion under belastning med känd last och kan användas för att avgöra vägars styvhetsegenskaper. Belastningen uträttas av en fallviktsapparat som låter en vikt falla på en cirkulär belastningsplatta med ett ovanliggande fjädersystem, kraften sprids genom denna vidare till vägkroppen. Kraften som uppstår påverkas av viktens tyngd, fjädersystemets egenskaper, plattans utformning, fallhöjden samt vägkroppens styvhet. Fallviktsmätningar kan användas för att ta fram underlag för bärighetsklassning eller belastningsbegränsning, för att förutse tillståndsutveckling eller till att planera underhållsåtgärder samt till att utvärdera genomförda åtgärder (Agardh & Parhamifar, 2014). 2.6 Dimensioneringsmetoder Nedan presenteras dimensioneringsmetoder som identifierats genom enkätundersökningen. Dessutom redovisas ytterligare ett dimensioneringsverktyg, PCASE, som visat sig intressant genom teoristudie. 8

16 2.6.1 PMS Objekt PMS Objekt är Trafikverkets egna Windowsbaserade analys- och dimensioneringsverktyg för vägöverbyggnader. Programmet kan utföra trafiklastberäkningar, bärighetsberäkningar och tjälberäkningar (Al Barkawi, 2012). PMS Objekt kan beräkna överbyggnaden för de konstruktioner som återfinns i TRVK Väg, men det finns fortfarande osäkerheter vid bärighetsberäkning av betongöverbyggnader. Det är även reglerna i TRVK Väg som programmets beräkningar grundar sig på (Trafikverket, 2013). PMS Objekt är skapat med hänsyn till linjärelastisk teori och är ett analytisk-empiriskt dimensioneringsverktyg. De indata som programmet begär vid överbyggnadsdimensionering är trafikmängd (årsdygnstrafik per körfält samt andel tung trafik), klimatzon, terrassmaterial, typ av överbyggnad samt dimensioneringsperiod (Agardh & Parhamifar, 2014). Användaren anger även vilken typ av överbyggnad som ska dimensioneras. Det finns ett antal olika varianter att välja mellan, dessa återfinns i TRVK Väg. Möjlighet ges även till att skapa en egen konstruktionsuppbyggnad. Med hjälp av trafiklastberäkningsfunktionen kan PMS Objekt beräkna antalet överfarter med ekvivalent antal standardaxlar som kommer att belasta vägen under dimensioneringsperioden. De indata som krävs för beräkningen är årsdygnstrafik per körfält, andel tung trafik, trafikförändring per år och standardaxlar per tungt fordon. Bärighetsberäkningsfunktionen kan utreda om vägkonstruktionen kan bemöta den beräknande trafikbelastningen. Funktionen går ut på att beräkna antalet axellaster konstruktionen kan hantera innan brott uppstår i underkanten av det bitumenbundna lagret samt i terrassytan. Programmet kan beräkna tjällyftning, maximalt tillåtet tjällyft samt maximalt beräknat tjäldjup i den bestämda vägkonstruktionen, med utgångspunkt från given information om klimat, material samt lagertjocklekar. Programmet beräknar värmeflödet vertikalt genom jordprofilen för att kunna avgöra dess vattenflödes- och fuktvandringsegenskaper som är avgörande för tjälberäkningen. PMS Objekt kan även analysera beläggningsslitage, utmattning av massabeläggning, materialåtgång och totalkostnad för konstruktionen samt utföra fallviktsberäkningar (Al Barkawi, 2012) Dimensioneringsprogram för ytor av marksten och betongplattor För överbyggnadsdimensionering av ytor med slitlager bestående av marksten eller betongplattor finns en dimensioneringssnurra av Svensk Markbetong att tillgå. Beräkningsprogrammet är lättanvänt och finns tillgängligt på Svensk Markbetongs hemsida. Programmet beräknar överbyggnadens totala tjocklek där beräkningarna grundar sig på VÄG 94, Vägverket 1994, ATB VÄG, Vägverket 2001 och Markstensbeläggningars bärförmåga, teknisk rapport nr 1999:18, KTH

17 De indata som krävs för att använda programmet är årsdygnstrafik per körfält inklusive andelen tunga fordon, terrassens materialtyp, klimatzon samt den tekniska livslängden som dimensioneringen ska gälla för. Med hjälp av informationen kan programmet räkna ut antalet standardaxlar och utifrån det rekommendera en överbyggnadstjocklek samt en tjocklek för markstenarna eller betongplattorna. Programmet beaktar även tjällyftning och bärighet vid beräkningen (Svensk Markbetong, 2015) HIPAVE HIPAVE, Heavy Industrial PAVEment design, är ett australiensiskt dimensioneringsverktyg som utvecklades ur CIRCLY och APSDS. Programmet bygger på linjärelastisk teori och riktar sig mot dimensionering av flexibla överbyggnader i tungt belastade områden (Minicad Systems, 2009). I HIPAVE kan användaren välja både isotropa och ansiotropa materialegenskaper till sina materiallager. Dock beaktas endast fem av 21 variabler för materiella egenskaper hos de anisotropa materialen. Det finns ett omfattande utbud av laster, såväl horisontella och vertikala som roterande laster. Användaren kan välja standardfordon från ett bibliotek, där finns bland annat mobila utrustningar som används vid containeranläggningar. Det förväntade antalet överfarter som respektive fordon kommer att göra under dimensioneringsperioden anges även. Användaren kan dessutom definiera egna belastningar från exempelvis containrar eller andra föremål. Utifrån geometri och viktfördelning kan programmet sedan beräkna dess axellaster. En framstående egenskap hos HIPAVE är att hänsyn tas till hur fordonet avviker från mittlinjen på en grundläggande nivå. Större avvikelse leder till färre skador som påverkas av överbyggnadstjockleken. Genom att ta hänsyn till antalet överfarter varje fordon belastar vägen med samt överbyggnadsmaterialens prestandaegenskaper kan HIPAVE sammanfatta de skador konstruktionen utsätts för. HIPAVE har en funktion, Automatic Parametric Analysis, som gör det möjligt att gå igenom olika förslag på tjocklekar för ett eller två utvalda materiallager. Med hjälp av de olika tjocklekskombinationerna kan programmet automatiskt konstruera tjockleken hos ett nytt materiallager. Genom att använda funktionen tillsammans med programmets kostnadsanalys kan finjustering av lagertjocklekarna utföras. Programmet har ingen särskild funktion som beaktar temperatur- och klimatförhållanden. (Minicad Systems, 2009) Tabellmetoden (VVMB 302) Tabellmetoden är en metod för nybyggnadsdimensionering av lågtrafikerade vägar med upp till standardaxlar. Metoden dimensionerar utifrån bärighet och tjäle. 10

18 För att kunna använda Tabellmetoden måste klimatzon, referenshastighet samt antalet standardaxlar vara kända. Klimatzon och standardaxlar kan bestämmas med hjälp av VVTK VÄG. Eftersom vägen ofta har varierade förutsättningar under olika delsträckor delas vägen upp så att varje del har likartade förhållanden. Detta med hänsyn till materialtyper, tjälfarlighetsklasser samt dräneringsförhållanden i underbyggnad och undergrund. Utifrån tabellen nedan kan sedan tjocklekarna för slitlager, bärlager, obundet bärlager samt förstärkningslager utläsas för varje del. Om kombinationen av klimatzon och tjälfarlighetsklass på materialet i terrassen kräver ett skyddslager dimensioneras detta utifrån angiven referenshastighet och avläses i den undre delen av tabellen (Vägverket, 2009). Tabell 3: Dimensionering av överbyggnad enligt DK1- nybyggnad (VVMB 302, 2009, tabell 3-2) Indexmetoden (VVMB 302) Indexmetoden är en metod för att beräkna bärighet och förutse förstärkningsbehov hos lågtrafikerade vägar med upp till standardaxlar. Metoden går ut på att man utifrån tabeller i VVMB 302 beräknar överbyggnadens FE-tal som säger hur hållbar vägen är. De faktorer Indexmetoden utgår från vid beräkning av FE-talet är överbyggnadens materialegenskaper, lagertjocklekar samt terrassens materialtyp. Dessutom tas hänsyn till beläggningsskador och dränering. Utifrån överbyggnadens FE-tal bestäms det maximala antalet standardaxlar som vägen bör klara av. Överbyggnadstjockleken ska som minst bemöta VVTK VÄGs rekommendation för motsvarande grusbitumenöverbyggnad dimensionerad för trafik. Vid behov justeras överbyggnadstjockleken med ett skyddslager alternativt ökat förstärkningslager med avseende för tjäle (Vägverket, 2009). 11

19 2.6.5 PVD PVD, Presentation Vägteknisk Data, är ett visualiseringsprogram framtaget av KUAB. Programmet används främst för att presentera olika vägtekniska undersökningar (Hjelm, 2010), men kan även användas till att utföra förstärkningsdimensioneringar (KUAB, 2009). I PVD finns olika verktyg som analyserar data från fallviktsmätningar. NOR Axle load, FIN Empirical overlay, OVER Moduli and overlay, OVERCALC Moduli and overlay och AASHTO overlay är sådana verktyg som kan användas vid förstärkningsdimensionering. NOR Axle load utgår från en norsk metod för att beräkna vilken axellast en överbyggnad kan förväntas klara av, detta genom att utvärdera deflektionen från mitten av lasten samt 20 centimeter därifrån. Verktyget kan därmed användas för att bestämma maximal axellast för en yta samt utifrån bärighetsförmågan bestämma hur brådskande det är att utföra förstärkningsåtgärder. FIN Empirical overlay är ett verktyg som beräknar vilken förstärkningslagertjocklek som krävs för att ytmodulen ska ha ett accepterat värde, detta utifrån utvärdering av deflektionen från mitten av fallvikten. Verktyget tar hänsyn till temperatur utifrån en finsk metod och kan dessutom beakta andra variationer över årstiderna. OVER Moduli and overlay och OVERCALC Moduli and overlay är två verktyg som utgår från belastningskriterier för att beräkna lagermoduler och förväntad livslängd hos överbyggnader. Verktygen kan även föreslå en förstärkning utifrån en viss last och en viss livslängd. Den stora skillnaden mellan verktygen är att OVER använder sig av ekvivalentmetoden medan OVERCALC använder linjärelastisk teori vid sina beräkningar. AASHTO overlay baseras på tillvägagångssättet i AASHTO Guide For Design of Pavement Structures 1993 vid förstärkningsdimensionering. Beräkningarna görs utifrån deflektionen från mitten av fallvikten samt från ytterligare en punkt som anges i AASHTOs handbok. I AASHTO overlay används med fördel brittiska enheter för att förenkla jämförelser med handboken (KUAB, 2009) PCASE PCASE (Pavement-transportation Computer Assisted Structural Engineering) är ett Windowsbaserat dimensioneringsprogram som kan laddas ned gratis från Internet (US Army Corps of Engineers, 2009). I ett examensarbete av Fredrik Magnusson och Daniel Paterson presenteras PCASE som ett omfattande program med en mängd olika funktioner. Programmet kan användas för dimensionering av både styva och flexibla överbyggnader till vägar eller tungt belastade industriytor. Möjlighet ges till att välja om dimensioneringen ska utgå från linjärelastisk teori eller CBR-metoden. Även utvärdering av befintliga överbyggnader kan utföras med hjälp av fallviktsförsök (Magnusson och Paterson, 2005). Trafikinformationen som krävs för dimensionering är främst vilka fordonstyper som belastar ytan. Användaren kan antingen välja standardfordon ur en lista, eller skapa egna varianter. Fordonens vikt måste definieras och om det handlar om flygplan eller markfordon. Därutöver 12

20 ska antalet passager för respektive fordon anges. Trafikinformationen kan sparas för att användas i andra funktioner. Programmet erbjuder även en översiktlig utvärdering av trafikens nedbrytning i förhållande till hållfastheten hos överbyggnaden. PCASE har en funktion som beaktar klimatet för hela året där max-, min- och medeltemperaturen anges för alla månader. För att programmet ska ta hänsyn till frostdjup och nederbörd väljs ort för dimensioneringen. Med hjälp av nederbördsdata för orten kan programmet räkna ut lämplig tjocklek för ett eventuellt dräneringslager. Genom att dela in året i olika klimatperioder kan PCASE ta fram CBR-värden eller E-moduler för respektive lager under varje period. När överbyggnaden ska designas väljer användaren om dimensioneringen ska baseras på CBR-metoden eller linjärelastisk teori, samt om överbyggnaden är styv eller flexibel. Därefter avgörs om tjocklekar samt CBR-värden alternativt E-moduler för varje materiallager ska definieras för hand eller om programmet ska utföra dimensioneringen. PCASE tar hänsyn till hur fordonen avviker från den tänkta färdvägen. Ju mer fordonens avvikande skiljer sig från varandra desto tunnare lagertjocklekar kan accepteras hos överbyggnaden, eftersom påfrestningarna blir mindre. Genom att kunna välja en tunnare överbyggnad kan en reducering av konstruktionskostnaderna möjliggöras. Som tidigare nämnt kan PCASE användas för att utvärdera befintliga överbyggnader. Användaren bygger då upp den aktuella överbyggnaden i programmet för att få en tillståndsbedömning. Möjlighet finns till att komplettera utvärderingen med en analys av fallviktsdata (Magnusson och Paterson, 2005). 13

21 3. Resultat Nedan presenteras resultatet från den enkät (se bilaga 1) som besvarats av personer som är aktivt arbetande med överbyggnadsdimensionering inom Ramböll. Även kompletterande information utifrån egen litteraturstudie finns redovisad. Program Användningsområde För- och nackdelar Användare PMS Objekt Belagda vägar (nybyggnad) Belagda vägar (förstärkning) Belagda gc-vägar (nybyggnad) Parkeringar Torg Fördelar: Ger tydliga svar. Tar hänsyn till de flesta faktorer på ett rationellt sätt. Accepterat av Trafikverket. Kan passningsräkna E-moduler från fallviktsdata. Styvheter på lager kan korrigeras. Nackdelar: Svårt att använda särskilda laster och material. Ej överskådliga beräkningsprocesser, svårt att upptäcka fel. Kan ej dimensionera ytor med grusslitlager. Kan ej passningsräkna konstruktioner med tunna asfaltlager. Kan underskatta tjälutskiftningar i vissa material. Tar ej hänsyn till olika former av nätarmering. Buggar i programmet. Fredrik Bladfors, Lu Anton Lundgren, Lu Lars Persson, Sund Mikael Eriksson, St Anders Sternhufvu Sven Agardh, Malm Calle Ossbahr, Malm Martin Wiström, Ma Svensk markbetongs dimensioneringssnurra HiPave Ytor med slitlager av marksten/betongplattor, ex. torg, lekytor, gc-vägar och vägar Högbelastade ytor, ex. hamnar, industrier, gruvor Komplicerat att använda vid dimensionering av gcvägar, parkeringar och torg. Fördelar: Tar hänsyn till trafikbelastning, klimatzon samt tjällyftning. Nackdelar: Går ej att dimensionera särskilda laster och material. Oklar legimitet. Fördelar: Egna laster och material kan definieras. Tar hänsyn till fordonens avvikande från mittlinjen. Kan optimera lagertjocklekar utifrån en kostnadsanalys. Mikael Eriksson, St Sven Agardh, Malm Nackdelar: Ej kalibrerad för svenska förhållanden. Beaktar ej temperatur eller klimat. Ramböll saknar licens för programvaran. APSDS Flygplatser Nackdelar: Svår att modifiera när man inte vill göra en standardberäkning. Ramböll saknar licens för programvaran. Everpave Vägar Fördelar: Går snabbt att beräkna påkänningar i flera liknande konstruktioner. Nackdelar: Fungerar ej på Winows 7. Everstress Spänningsberäkning Fördelar: Kan användas för spänningsberäkningar. Sven Agardh, Malm Sven Agardh, Malm Sven Agardh, Malm WesLEA Beräkning av påkänningar för olika typer av ytor Nackdelar: Fungerar ej på Windows 7. Fördelar: Relativt enkelt att göra ändringar i beräknade konstruktioner. Sven Agardh, Malm Tabellmetoden (VVMB 302) Indexmetoden (VVMB 302) Belagda ytor, ex. torg, parkeringar Belagda ytor Nackdelar: Lätt att beräkna påkänningar i fel punkt om man inte kontrollerar noga. Fördelar: Enkelt att förstå beräkningsgången och resultatet. Fördelar: Enkelt att förstå beräkningsgången och resultatet. Fredrik Bladfors, Lu Martin Wiström, Ma Dimensionering med PVD Förstärkningsdimensionering av belagda ytor från fallvitsmätning. CIRCLY, ILLI-PAVE, ELSYM5, KENLAYER, TRVMB 301, MMOPP Nackdelar: Svårt att göra en korrekt bedömning av ingående material. Ger orimliga förstärkningar genom att bara bygga på med beläggning på befintlig väg. Fördelar: Baserad på flera internationella standarder. - - Martin Wiström, Ma Sven Agardh, Malm 14

22 4. Diskussion och slutsats PMS Objekt är det dimensioneringsprogram för överbyggnader som används främst. Programmet fungerar utmärkt till dimensioneringar av vägöverbyggnader i Sverige då det grundar sig på Trafikverkets egna regelverk. PMS Objekt tar hänsyn till tjällyftning och är anpassad för svenska förhållanden, vilket är en stor fördel. Men när det kommer till överbyggnader för övriga ytor finns andra program som lämpar sig bättre. Vid dimensionering av ytor med slitlager av marksten eller betongplattor är dimensioneringsprogrammet från Svensk markbetong ett passande val då programmet är anpassat för precis detta. I och med att programmet beaktar trafikbelastningen som överbyggnaden ska kunna bemöta kan metoden användas vid dimensionering av en stor variation av ytor, ex. lekytor, torg, vägar, gång- eller cykelvägar. Programmet kan användas i hela Sverige då det tar hänsyn till klimatzon och därmed även tjällyftning. Tabellmetoden och Indexmetoden är två tillvägagångssätt som används för vägar med låg trafikbelastning. Tabellmetoden tillämpas vid nybyggnadsdimensionering medan Indexmetoden fokuserar på förstärkningsåtgärder. Båda metoderna tar hänsyn till klimat och kan användas runt om i Sverige. HIPAVE passar bättre att använda vid dimensioneringar av ytor som kommer att utsättas av tung belastning, ex. containeranläggningar, hamnar eller andra industrianläggningar. Fördelen med programmet är att man kan definiera egna laster och material. Dessutom är HIPAVE fördelaktigt då hänsyn tas till fordonens avvikande från mittlinjen samt att programmet kan optimera lagertjocklekar utifrån en kostnadsanalys, det medför att både konstruktion- och underhållskostnaderna kan reduceras. En stor nackdel däremot är att HIPAVE inte beaktar temperatur- och klimatförhållande, vilket innebär att konstruktören själv måste dimensionera överbyggnaden med tillräcklig förstärkning eller se till att andra åtgärder utförs. Eftersom programmet är utvecklat i Australien måste användaren själv beakta skillnader som kan uppstå vid användande i svenska förhållanden. Ett alternativ till HIPAVE är PCASE, ett dimensioneringsprogram som har visat stor potential i denna undersökning. Programmet används främst för dimensionering av vägar eller tungt belastade ytor med styv eller flexibel överbyggnad, men med tanke på att man kan definiera egna laster bör PCASE kunna användas för de flesta ytorna. Likt HIPAVE beaktar programmet fordonens avvikande från färdvägen och kan på så sätt sänka konstruktions- och underhållskostnaderna. Dessutom kan PCASE precis som PMS Objekt användas för att utvärdera befintliga överbyggnader utifrån fallviktsdata. Men den största fördelen med PCASE är att programmet har en omfattande klimatfunktion som tar hänsyn till temperaturförändringen mellan olika månader, vilket är till fördel i ett land som Sverige där temperaturen varierar från många minusgrader till plusgrader beroende på årstid. För vägar som inte ska dimensioneras från grunden utan kräver förstärkningsåtgärder är PVD ett lämpligt program att använda sig av. Med hjälp av olika verktyg som finns att tillgå kan programmet beräkna vilken förstärkning som krävs utifrån fallviktsdata. 15

23 5. Referenser Tryckta referenser Agardh, S. & Parhamifar, E Vägbyggnad. Dahlblom, O., Heyden, S., Olsson, A. & Sandberg, G Introduktion till strukturmekaniken 4:2. Studentlitteratur. Minicad Systems HIPAVE User Manual. KUAB Road Data Presentation Program KUAB PVD User manual. Elektroniska referenser Trafikverket VU 94S-2. gd_och_trafikanalys.pdf (Hämtad ). Vägverket Dimensionering av lågtrafikerade vägar DK1(VVMB 302). ISSN: Trafikverket Trafikverkets tekniska krav vägkonstruktion (TRVK Väg). ISBN: Trafikverket PMS Objekt. (Hämtad ). Kumar Choudhary, D. & Joshi, Y.P A Detailed Study of Cbr Method for Flexible Pavement Design. Int. Journal of Engineering Research and Applications 4 (5): (Hämtad ) Magnusson, F. & Paterson, D Program för överbyggnadsdimensionering i tungt belastade markområden. Examensarbete, Chalmers Tekniska Högskola. (Hämtad ) Hjelm, R Effekten av kantutgrävningar. Examensarbete, Luleå Tekniska Universitet. (Hämtad ). Al Barkawi, H Utvärdering av mekanisk-empiriska modeller i ett svenskt och ett amerikanskt dimensioneringsprogram för flexibel vägöverbyggnad. Examensarbete, Lunds Tekniska Högskola. (Hämtad ) Degerman, P. & Haraldsson, M Kalkyler vid val av överbyggnad ett val med konsekvenser. Magisteruppsats, Lunds Universitet. 16

24 70 (Hämtad ) Granhage, L Kompendium i vägbyggnad. Chalmers Tekniska Högskola. yggnad_okt_2009.pdf (Hämtad ). US Army Corps of Engineers PCASE (Pavement-Transportation Computer Assisted Structural Engineering) Program. Produktblad. Svensk Markbetong. Dimensionering. Internetbaserat dimensioneringsverktyg. (Hämtad ). Trafikverket ATB Väg. (Hämtad ). 17

25 Bilaga 1 Metoder för överbyggnadsdimensionering Enkäten är en del av mitt examensarbete och med hjälp av ditt svar kan sammanställningen av vilka dimensioneringsmetoder som används inom Ramböll bli komplett. Sammanställningen kommer att ta upp vilka personer som använder sig av vilka dimensioneringsmetoder, i vilka syften de olika metoderna används samt för- och nackdelar med metoderna. Namn: Kontor: E-post: Telefon: Metoder för överbyggnadsdimensionering Inledningsvis kommer förslag på olika dimensioneringsmetoder där du kryssar för de metoder du använder dig av. Följande frågor ger möjlighet till att beskriva några av dessa metoder. Sist finns möjlighet till egna noteringar. Vilka metoder använder du vid överbyggnadsdimensionering? Metoder avser tillvägagångssätt för dimensionering. Det kan antingen vara dimensionering med ett program eller att man hämtar information från tabeller som ex. vid dimensionering enligt BYA. _ PMS OBJEKT _ DARWIN-ME _ CIRCLY _ APSDS _ HIPAVE _ FAARFIELD _ LEDFAA _ PCASE _ ILLI-PAVE _ EVERSTRESS _ EVERPAVE _ ELSYM5 _ KENLAYER ÖVRIGT: Metod: Ex. dimensionering med PMS-Objekt, dimensionering enligt BYA.

26 Till vilka ytor metoden används: Ex. vägar, torg, parkeringar. För- och nackdelar med metoden: Ex. över- eller underdimensionerar, tidskrävande. Övrig information om metoden: Övrigt: Här finns möjlighet till övriga noteringar.