Materialegenskaper och nedbrytningsmekanismer. Robert Lundström

Relevanta dokument
Trafikverkets variant implementerad i PMS Objekt

Svenska vägutformningsmetoder PMS-Objekt

OBS I Finland användes namnet Gilsonite för Uintaite

Utvärdering av mekanistisk-empiriska modeller i ett svenskt och ett amerikanskt dimensioneringsprogram för flexibel vägöverbyggnad

Vejdimensionering som bygger på observationsmetodik

Stabilitetsprovning hos asfaltbeläggningar

Dimensionering av överbyggnader i Nordiska länder

Dimensionering av lågtrafikerade vägar

Töjningskriterier tunna beläggningar

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

Material, form och kraft, F4

Provväg Skänninge: Spårdjup 9:e oktober 2033?*

NABIN 2016 Deformations resistens och Högpresterande beläggningar. Svenska erfarenheter.

Hållfasthetslära. HT1 7,5 hp halvfart Janne Carlsson

Framtida vägkonstruktioner NVF specialistseminarium ton på väg

SPECIALISTSEMINARIUM avseende Smala körfält- en utmaning för beläggningsbranschen. 20 januari, 2011 Hagaporten, Solna

Seismik. Nils Ryden, Peab / LTH. Nils Rydén, Peab / Lunds Tekniska Högskola

Utvärdering av bitumenbundet bärlager, E4 Skånes Fagerhult

Hållfasthetslära. VT2 7,5 p halvfart Janne Färm

Biomekanik Belastningsanalys

STYVHETSANALYS AV VÄGKONSTRUKTIONER

'LPHQVLRQHULQJDYElULJKHWVK MDQGHnWJlUGHU. nwjlughu. .DSLWOHWVRPIDWWQLQJRFKXSSOlJJ. ,QQHKnOO

Motiv till provningsmetoder och kravnivåer

Materialtyp Jordartsgrupp enligt SGF 81 respektive grupp Tilläggsvillkor Exempel på jordarter 1 Bergtyp 1 och 2

Angående skjuvbuckling

Belastningsanalys, 5 poäng Töjning Materialegenskaper - Hookes lag

= 1 E {σ ν(σ +σ z x y. )} + α T. ε y. ε z. = τ yz G och γ = τ zx. = τ xy G. γ xy. γ yz

Hållfasthetslära Lektion 2. Hookes lag Materialdata - Dragprov

Utvärdering av massabeläggning med mjukgjord bitumen, MJAB och MJAG

VSMA01 - Mekanik ERIK SERRANO

Rapporter från Trafikverket och Transportstyrelsen om tyngre och längre fordon på det allmänna vägnätet. (N2014/3453/TE, N2014/3454/TE)

SAMVERKAN MELLAN FÖRANKRINGSSTAG, BRUK OCH BERG BeFo-förstudie

utveckling Begreppet kvalitet - asfaltbeläggningar Allmänt om kvalitet Forskningsfinansiärer och utövare FoU-projekt inom olika områden

Temperaturförändringens påverkan på vägdimensioneringsprocessen

2+1, Utredning av befintliga konstruktioner

Konsekvenser av olika däckskonfigurationer

Belastningsanalys, 5 poäng Tvärkontraktion Temp. inverkan Statiskt obestämd belastning

Förslag på E-moduler i PMS-Objekt

Hållfasthetslära. VT2 7,5 p halvfart Janne Färm

Asfaltdagen 2016 Torsten Nordgren

Spänning och töjning (kap 4) Stång

Livens inverkan på styvheten

Vilka funktionskrav har vi, lämpliga objekt, nya mått, behov av utveckling?

Utvärdering, hantering och modellering av tvångslaster i betongbroar OSKAR LARSSON

Typblad, kontrollblad, bindemedel och konstruktionstyper för bitumenbundna lager

Geoprodukter för dagens infrastruktur. Tryggt val

Att skapa hållbara vägar och gator

Prov med olika överbyggnadstyper

Utvärdering av gummiasfalt provväg E22 Mönsterås

VSMA01 - Mekanik ERIK SERRANO

Beständighet hos asfaltvägar. Safwat Said Teknologidagene 2011, okt. Trondheim

Värdering av en modell för utmattningsberäkning av alternativa bundna bärlager

DIMENSIONERING MARKBETONG

PUBLIKATION 2009:120. VVK Väg

Hållfasthetslära. VT2 7,5 p halvfart Janne Färm

Evaluering av asfaltkonstruktion

Vägavsnitt med hyttsten och hyttsand

Prov med krossad betong på Stenebyvägen i Göteborg

Metoddagen 2007 Provtagning i fält

Undersökning av mekaniska egenskaper hos tunna beläggningar av MJAB

Teknisk handbok. Trafik och Gata. Dimensionering av överbyggnader

Material. VT1 1,5 p Janne Färm

Välkommen till Hållfasthetslära gk med projekt (SE1010) Föreläsare för T: Sören Östlund

Fundamentala egenskaper hos skelettbeläggningar, Serie H1, H2 och H3. Safwat Said. Konstruktion& Byggande. Skanska, ATC

Stålarmering av väg E6 Ljungskile, Bratteforsån Lyckorna

Författare: Sebastian Nordström Ärnbäck Hanna Persson Brink Anna Rödin Emma Uhrdin Andersson. Examinator: Lars O Eriksson. Handledare: Jan Englund

Material, form och kraft, F5

Dimensionering av vägens bärlager

Sylodyn. Dynamiska prestanda för exceptionella krav. Fördelar. Leveransprogram

AD dagen Regelverk ballastmaterial. Klas Hermelin Trafikverket

Formelsamling i Hållfasthetslära för F

Tentamen i Hållfasthetslära AK2 för M Torsdag , kl

2. Förklara vad en egenfrekvens är. English: Explain what en eigenfrequency is.

Hållfasthetstillväxt hos ballast av krossad betong.

Grå-Gröna systemlösningar för hållbara städer. HVS och fältförsök. Fredrik Hellman VTI

KOMPLETTERANDE PROJEKT RUNT PROVVÄG FÖRUTSÄTTNINGAR PROVVÄG

Hållfasthetslära. VT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson

Vilka utmaningar har vi? Transportforum : Personbilar + 14 % Tung trafik + 48 % : % dubbade fordon

Försökssträckor med ökad återvinning (SBUF):

PPU408 HT15. Beräkningar stål. Lars Bark MdH/IDT

Tentamen i Hållfasthetslära gkmpt, gkbd, gkbi, gkipi (4C1010, 4C1012, 4C1035, 4C1020) den 13 december 2006

Dimensionering av vägöverbyggnad i Finland

TRVMB 301 Beräkning av tjällyftning

Dragprov, en demonstration

Möjligheter med samverkanskonstruktioner. Stålbyggnadsdagen Jan Stenmark

Egenskap Provningsmetod Utgåva Fält

NVF-seminarium Val av beläggning. Hur svårt kan det vara? Johann Rollén, Pontarius AB. Målsättning: Högpresterande hamnbeläggningar?

& äe %s Statens väg- och trafikinstitut. VZfnotat. Nummer: V 04 - Datum: Titel: Inledande studier av tvåskiktsläggning av vältbetong

Energiförbrukning och kvalité

Accelererad provning av vägkonstruktioner

Dimensionering i bruksgränstillstånd

TRVK Väg. Trafikverkets tekniska krav Vägkonstruktion. Anläggningsstyrning TRV 2011:072 TDOK 2011:264

Polymermodifierade bindemedel i asfaltbeläggning - erfarenheter i Sverige

Funktionsentreprenad: val av beläggning

Hållfasthetslära Sammanfattning

Program för Hållfasthetslära, grundkurs med energimetoder (SE1055, 9p) VT 2013

TEKNISK PM VÄGTEKNIK VÄG 56 KVICKSUND - VÄSTJÄDRA

Funktionsentreprenader

Asfaltgranulat som obundet material

TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA FÖR F (MHA081)

Transkript:

Materialegenskaper och nedbrytningsmekanismer Robert Lundström 1

Agenda Teori - materialegenskaper och modellering Karaktärisering av vägbyggnadsmaterial inom forskningen Hur används materialegenskaper och nedbrytningsmodeller vid praktisk dimensionering i Sverige 2

1. Teori materialegenskaper och modellering 3

Konstitutiva samband och parametrar Konstitutiva ekvationer är samband mellan två fysiska kvantiteter som är specifika för ett material eller substans Kontinuumsmekanik: gren inom mekaniken för deformerbara medier, där jämvikt, rörelse och deformation studeras hos fysikaliska kroppar utan avseende på den inre (mikroskopiska) strukturen hos materialet Inom kontinuumsmekaniken fokuseras normalt på två tillståndsvariabler: spänningar och töjningar men även tid och temperatur 4

Spänningar i 3D Spänningar för ett givet infinitesimalt element ges av 9 spänningskomponenter varav 6 är oberoende Tensor 5

6 Bakgrund strukturmodellering: - Boussinesq (1885) Analytisk lösning för spänningar och töjningar i elastisk halvrymd Punktlast (senare generaliserad till cirkulär utbredd last) F z p a z 2 2 3 z F z π σ = + = 2 3 2 2 1 1 1 z a p σ z

Strukturell dimensionering - Mekanistisk-empirisk modellering Normalt baserad på: - lastmodell: statisk belastning/rörlig/dynamisk - strukturmodell: analytisk/numerisk - materialegenskaper P a z 7

Fenomen inom kontinuumsmekaniken forts. Elasticitet: omedelbar respons vid belastning och fullständig återgång vid avlastning Viskositet: respons vid på- och avlastning beror på hastigheten Viskoelasticitet: tidsberoende respons vid på- och avlastning, normalt även beroende på storleken och hastigheten hos påkänningen 8

Elasticitet Hookes lag σ E ε ε 0 σ 2,00 1,00 0,00-1,00 σ =röd ε =blå 0 1,04 2,08 3,12 4,16 5,2 6,24 7,28 ω t -2,00 9

Viskositet Newtons lag τ η dγ dt ε 0 σ 2,00 1,00 0,00-1,00 σ =röd ε =blå 0 1,04 2,08 3,12 4,16 5,2 6,24 7,28 ω t -2,00 10

Linjär viskoelasticitet Linjär viskoelasticitet σ t ( t) E( t τ ) 0 dε dτ dτ Dynamisk modul vid jämvikt och sinusformad belastning * σ 0 E ε 0 ε 0 σ δ 2,00 1,00 0,00-1,00-2,00 δ σ =röd ε =blå 0 1,04 2,08 3,12 4,16 5,2 6,24 7,28 ω t =0 för elastiska material =90 för viskösa material 11

Viskoelasticit temperaturens inverkan Dynamic Modulus, [MPa] 100000 10000 1000 0 C 10 C 20 C 30 C Master curve 100 0.0001 0.01 1 100 10000 Reduced frequency, [Hz] 12

Elasticitet och olinjäritet Stress σ Stress σ Stress σ Strain ε Strain ε Strain ε linärelastiskt olinjärt elastiskt Icke elastiskt 13

Nedbrytning Materialets maximala hållfasthet (för en belastningscykel) Materialets hållfasthet beroende på antalet belastningar 14

Generellt samband för successiv nedbrytning 1000 N a = ε b Belastningsnivå 100 10 N är antalet tillåtna belastningar ε är töjning a, b regressionsparametrar 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 Antal repetitioner 15

Teori- slutsatser Modellering av vägar kan göras med analytiska strukturmodeller där materialegenskaper ingår Det finns ett antal materialmodeller som kan användas för att idealisera beteenden bl.a. elasticitets- och viskoelasticitetsteori Är påkänningarna i ett material alltför stora men mindre än den maximala brotthållfastheten så sker succesiv nedbrytning (utmattning). 16

2. Karaktärisering av vägmaterial inom forskningen 17

De vanligaste nedbrytningsmekanismerna 1. Spårbildning orsakad i asfalten 2. Ytinitierad sprickbildning 3. Längdsgående ojämnheter 4. Otillräcklig friktion 5. Längdsgående sprickbildning 6. Sprickbildning orsakad i underkant beläggning 7. Generell sprickbildning 8. Stensläpp från beläggningen 9. Spårbildning orsakad i obundna lager 10. Tjälskador 11. Nötningsslitage 12. Lågtemperatursprickor COST 333, 1999 18

P 1: Spårbildning i bundna lager: låg deformationsresistens 19

Styvhet/deformationsresistens hos asfalt Provningsmetoder Används i Sverige och stöds av TRVs regelverk 20

Styvhets- (elasticitets-) modul hos asfalt Styvhetsmodul [MPa] 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 AG 22 50/70 AG 22 100/150 AG 22 160/220 AG 22 100/150-75 0 0 5 10 15 20 25 Temperature [ C] Styvhetsmoduler för asfalt AG 22 vid olika temperaturer enligt FAS Metod 454-98 21

P6: utmattningssprickor P9: deformationer i obundna material 22

Utmattningsprovning av asfalt Normalt samma utrustning som provning av styvhetsmodul Förstörande provning Olika lastnivåer Ju större last, desto snabbare nedbrytning Olika temperaturer Stiffness, [MPa] 8000 6000 4000 2000 E 0 7500 160 10-6 m/m 200 10-6 m/m 180 10-6 m/m 220 10-6 m/m 140 10-6 m/m Omfattar oftast endast det nedersta asfaltlagret 0 0 250000 500000 750000 1000000 Number of cycles 23

Materialkaraktärisering av obundna material Provningsmetoder, t.ex: Triaxial skjuvprovning Resilientmodul Direkt skjuvning California Bearing Ratio (CBR) Fallviktsprovning Bakräknade modul (Klassificering) 24

Triaxialprovning 25

Obundna material - triaxialprovning Konstant sidotryck Mest förekommande Enkel utrustning Medför relativt enkel modellering Flera olika belastningsnivåer kan användas Cykliskt sidotryck Mer komplext Komplex modellering 26

Styvhet hos obundna material - resilientmodul Deviator stress, q [kpa] 300 250 200 150 100 50 0 Accumulated strain Loading Total strain Resilient strain 0 500 1000 1500 2000 2500 Axial strain, ε 1 [µm/m] Unloading 1st cycle 2nd cycle 27

Resilientmodul 300 Deviator stress, q [kpa] 250 200 150 100 50 M r Cycle 19800 0 5000 5500 6000 6500 7000 Axial strain, ε 1 [µm/m] 28

Styvheten hos obundna material - tidsberoende 2500 Axial strain, ε 1 [µm/m] 2000 1500 1000 500 Resilient strain Accumulated strain 0 0 1 2 3 4 5 Cycle 29

Inverkan av klimat 30

Styvhet hos obundna material - inverkan av vattenförekomst Resilient Modulus, Mr [MPa] 600 500 400 300 200 100 0 w = 1.5 w = 2.5 Retention limit Soaked Drained 0 50 100 150 200 Mean normal stress, p [kpa] 31

Tjäle 100000 Resilient Modulus, M r [MPa] 10000 1000 100 10 Pre-freeze Frozen Post-freeze 0 50 100 150 200 Mean normal stress, p [kpa] 32

Övriga nedbrytningsmekanismer - fångas ofta med krav på delmaterial, t.ex: Nötningsresistens förbättras med högre krav på kulkvarnsvärde Motståndskraft mot sprickbildning styrs med krav på bitumen Beständighet fångas med krav på vidhäftningsmedel 33

Sprickor Lågtemperatursprickor 34

Ingångsmaterial - exempel bitumen Klassificeras efter penetration vid 25 C enligt EN-standard Penetration är ett mått på bitumenets hårdhet Lägre penetrationsvärde innebär hårdare bitumen Råoljeursprung påverkar bitumenets fysikaliska egenskaper Framställs genom destillation eller oxidering Exempel: 70/100 160/220 35

Teoretiska begränsningar Asfalt och obundna materials mekaniska egenskaper avviker från de idealiserade beteenden som modelleras inom klassisk kontinuumsmekanik, t.ex: - Kompositmaterial: heterogenitet och anisotropi - Asfaltmaterial uppvisar närmast viskoelastoplastiskt beteende - Obundna material påverkas av bl.a. spänningstillstånd - Klimatfaktorer spelar stor roll: vatten, temperatur - Materialegenskaperna beror i hög grad på utförande: dvs hantverket - Vägar bryts successivt ned under trafik- och miljöbelastning - Många nedbrytningsmekanismer samverkar Detta har inneburit att avsevärda förenklingar normalt görs rörande både beräkningar och karaktärisering av material - Nedbrytningsmekanismer beaktas var och en för sig - Empirisk korrelering mot fältförhållanden viktig 36

3. Material och nedbrytning vid praktisk dimensionering 37

Mekanisktisk-empirisk dimensioneringsmetodik Lagertjocklek Materialegenskaper Responsberäkning Belastning Töjning Transferfunktion N D = Σ n / N n D > 1 D << 1 Dim. tjocklekar 38

Exempel på dimensioneringsprogram Name Type Dynamic loading Nonlinearity Viscoelasticity Anisotropy Climatic effects Thermal effects Fatigue Permanent deformation APAS-WIN ML Y Y Y BISAR/SPDM ML Y Y Y CIRCLY ML Y Y CAPA-3D FEM Y Y Y Y Y Y Y CESAR FEM Y Y Y Y Y Y Y ELSYM 5 ML KENLAYER ML Y Y Y Y Y MICHPAVE FEM Y Y VEROAD ML Y VESYS ML Y Y Y PMS Object ML Y Y Y Y NOAH ML Y Y Y Y 39

PMS Objekt Trafikverkets dimensioneringsprogram Integrerat: Trafikmodell Klimatmodell Materialmodell Beräkning, lagrad linjärelastisk Skademodeller Definierade materialegenskaper och konstruktionstyper 40

Definerade konstruktionstyper GBÖ Grusbitumenöverbyggnad Vanlig på lågtrafikerade vägar GBÖb GBÖ med bindlager Vanlig på högtrafikerade vägar BBÖ Bergbitumenöverbyggnad Relativt ovanlig CBÖ Cementbitumenöverbyggnad Mycket ovanlig BÖ Betongöverbyggnad Mycket ovanlig GÖ Grusöverbyggnad Vanlig på lågtrafikerat vägnät 41

Exempel: GBÖ 42

Befintlig undergrund terrasstyper 1-5 1 2 3 4 5 Berg Grovkornig jord Bergtyp3/blandkornig jord 30% Blandkornig jord>30%/lera Silt 43

Befintlig undergrund bergterrass typ 1a-c Bundet slitlager Bundet bärlager Obundet bärlager Denna nivå definieras som terrassnivå vid bärighetsberäkningar!! 200mm Förstärkningslager 200mm Förstärkningslager Bergskärning >800mm Sprängstensfyllning >1000mm Krossad sprängstensfyllning 44

Klimatmodell 5 klimatzoner 6 säsonger Vinter Tjällossningsvinter Tjällossning Senvår Sommar Höst Längd och beläggningstemperatur påverkas Obundna lager och terrassens egenskaper 45

Klimatzoner 20 15 zon 1 zon 5 Temperatur [ C] 10 5 0-5 0 100 200 300-10 Dagar 46

Materialmodeller 47

Materialmodeller 48

Materialmodeller 49

Materialmodeller 50

Materialmodeller Tabellerat i VVK 51

Skademodeller Sprickor: dragtöjning underkant beläggning sk. modifierad Kingham Efter Kingham (1972): baserat på AASHO. Något justerat under åren till Svenska förhållanden bl.a. SAN REMO (Arm, 1992) Ackumulerade deformationer: trycktöjning terrass modifierad SHELL (även STINA 1976, Samarbetsprojekt för tillämpning i Norden av AASHO-undersökningen) 52

Skademodeller 53

Tjäle Baserat på Åke Hermanssons modell: Modeling of frost heave and surface temperatures in roads, 2002 Finns i PMS Objekt Använder historisk klimatdata 54

Material och nedbrytningsmekanismer - slutsatser Modellering av vägar kan göras med analytiska strukturmodeller där materialegenskaper ingår Det finns ett antal materialmodeller som kan användas för att idealisera beteenden Men Vägbyggnadsmaterial är var och en för sig komplexa jämfört med idealiseringar i kontinuumsmekaniken Dimensionering förutsätter successiv nedbrytning - ytterligare komplexitet Väsentliga förenklingar nödvändiga i praktiken 55

Slut 56