THE GERMAN EMPIRICAL–MECHANISTIC DESIGN SYSTEM PART … · 2016-02-09 · Fakultät...
Transcript of THE GERMAN EMPIRICAL–MECHANISTIC DESIGN SYSTEM PART … · 2016-02-09 · Fakultät...
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
THE GERMAN EMPIRICAL – MECHANISTICDESIGN SYSTEM
PART II - DESIGN APPROACH FOR THINSURFACED PAVEMENTS
Prof. Dr.-Ing. habil. Frohmut WellnerDr.-Ing. habil. Sabine Leischner
TU Dresden
NADim Seminar - Oslo 03.12.2015
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 2
Two design processes for flexible pavements
• Empirical design chart – RStO
• M-E design procedure - RDO Asphalt
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 3
German Design Charts RStO 12 Bk 0.3 <300,000 10-t-ESALs
Minimum thickness of the asphalt layers 10 cm also for LVR in Germany
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 4
Thin asphalt surface up to 4 cm
Base course (High quality UGM)
Sub-base layer(Frost protection)
Subgrade
Introduction
LVR < 100.000 10-t-standard axles
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 5
Vertical Stresses
Pavement structure with thick asphalt layer (220mm)
Pavement structure with thin asphalt layer (10mm)
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 6
Vertical stresses within granular layer
UGM LAYER UGM LAYER
Pavement structure with thick asphalt layer (220mm)
Pavement structure with thin asphalt layer (10mm)
Introduction
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 7
M-E design
Asphalt
Traffic volume Climate Material properties
Layer thicknessModelling
Calculation process
CTB UGL Subgrade
Proof fatigue
ProofPlastic deformation
Proof rutting
fulfilled?
Sufficient designed pavement structure
Modify materials and/or layer thickness
no
yes
RDO Asphalt 09
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 8
Climate Material properties
Model
Calculation process
UGL Subgrade
Accumulated damagesubgrade
Accumulated damagebasecourse
fulfilled?
Sufficient designed pavement structure
Modify materials and/or layer thickness
no
yes
Traffic volume
Layer thickness
M-E Design
Modified procedure für LVR
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 9
• The deformation performance of UGL is highly importantfor TSAP.
• The current aggregate mix/layer characteristics(DoC/grading lines, particle strenghts) are insufficient forthe evaluation of the deformation performance of UGM.
• Results of lab tests showed that UGM have differentperformance under cyclic loading even if they the havesimilar DoC, MC and grading lines.
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 10
must be determined accorditng to RStO
Min: 250mmMax: 900mm
The minimum thickness for frost protection
Layer thickness: Frost protection
Input Parameter
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 11
Traffic load
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18 18-20 >20
Achslastklasse [t]
Häu
figke
it [%
]
BAB Fernverkehr
BAB Mischverkehr
BAB Stadtnaher Verkehr
[Data from UHLIG]
LVR < 100,000 10-t-standard axles
In future: Consideration of the actual axle load distribution
Input Parameter
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 12
Conditioning test Resilient test Plastic test
Test package
Test packageApprox 22h
Sample preparation Test set-up
Material characterization
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 13
RL CBR Test
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 14
Material characterization
Property Mixture A Mixture B Mixture C Mixture D Mixture E
Type Natural sandy-gravel
Crushed rock Granodiorite
Crushed rock Andesite
Crushed rockFPM
Crushed rock Granite with
quartz Grain size 0/32 0/32 0/32 0/16 0/32
Maximum dry density
[gr/cm3]2,200 2,170 2,010 2,198 2,000
OMC[m - %] 6,0 5,8 12,1 6,7 5,0
Fine Content 2,5 2,5 2,5 3,3 -
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 15
Ranking procedure for UGM
Conditioning Test:
20.000 LC @Cell pressure of 150kPa Deviatoric stress of 300kPaTests at 70, 80 and 90% of OMC
Characteristic stiffness
Characteristic plastic strain rate
Material characterization
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 16
0
100
200
300
400
500
6000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Char
akte
ristis
cher
Elas
tizitä
tsm
odul
[M
Pa]
Charakteristische plastische Dehnungsrate [‰/106 LW]
AND-0/32
80%
70%
Q1 Q2 Q3
0
100
200
300
400
500
6000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Char
akte
ristis
cher
Elas
tizitä
tsm
odul
[M
Pa]
Charakteristische plastische Dehnungsrate [‰/106 LW]
GRA-0/16
80%
70% 90%
Q1 Q2 Q3
Ranking procedure for UGM
Conditioning Test:
20.000 LC @Cell pressure of 150kPa Deviatoric stress of 300kPa
Q1 Material – excellent materialQ2 Material - good materialQ3 Material - bad material
Q2 MaterialGranit (FP Material)
Q3 MaterialAndesit
Material characterization
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 17
Characterization of elastic deformation behavior
Material characterization
Multistage repeated load triaxial test at CCP
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 18
Results of the RLT tests
-> Determination of the model parameters
0,002,004,006,008,00
10,0012,0014,0016,0018,0020,0022,0024,00
0 50 100 150 200 250 300 350
Vert
ikal
e de
viat
orisc
he p
last
ische
Deh
nung
[‰
]
Lastwechsel [-] Tausende
GRA-0/32-70-1
GRA-0/32-80-2
GRA-0/32-90-1
0
100
200
300
400
500
600
700
0 100 200 300 400 500 600
Elas
tizi
täts
mod
ul [M
Pa]
Deviatorspannung [kPa]
100 130150 180210 250
Zelldruck σ3 [kPa]
Elastic deformation performance Plastic deformation performance
Material characterization
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 19
( ) ( ) ( ) λεε ⋅−+= 01,1,0
NNNplabp
Modeling of permanent deformation response
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 20
Stiffness changes of the BC/subgrade due to changing moisture content during the year
Climate
[ERLINSON 09]
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 21
ZONE 1
ZONE 2
Thaw period45,1%
Thaw period44,0%
Climatic conditionGermany Sweden
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 22
Climate Material properties
Model
Calculation process
UGL Subgrade
Accumulated damagesubgrade
Accumulated damagebasecourse
fulfilled?
End
Modify materials and/or layer thickness
no
yes
Traffic volume
Layer thickness
M-E Design
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 23
Asphalt
UGL
Subbase
Subgrade
1. Calculation of plastic deformation of the UGL Representative elastic strains in the UGM at three sublayersof a thickness of 100mm
2. Vertical compressive strain/stress at top subbase
3. Vertical compressive strain/stress at top subgrade
100mm
100mm
100mm
M-E Design
Design process
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 24
Plastic deformation UGL
( ) 008,41,57,37
labrελ ⋅=
BasecourseMaterial
Target W.C. k1 k2 k3[% of OWC] [MPa] [-] [-]
GRA 70 358.3 0.5923 -0.1946
Elastic strains Plastic strains
M-E Design
32
11
k
a
oct
k
a PPpkMr
+
=
τ
Elastic strain distribution
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 25
Performance Criteria Subgrade/FPL: plastic deformation
Austroads (Australia)
Sweden design code
German ME design code
Bas
ed o
n S
trai
nB
ased
on
Str
ess
M-E design
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 26
Thaw period
Material parameter: Asphalt – no structural layer
Layer Layer modulus (E-Modulus)
Poisson‘sratio
Materialbehavior
Asphaltt<20mm
E=(5.000 MPa)(Membrane behaviour)
µ = 0,35 Linear elastic
Asphaltt>20mm
E=5.000 MPaStandard condition
E=10.000 MPaThaw period
µ = 0,35 Linear elastic
M-E design
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 27
• Using the results of RLTT on UGM the basis for the ME design of TSAP was established
• It is possible to have pavement structures with asphalt layers of less than 40mm thickness for low trafficked pavements in Germany
• Only high quality UGMs that have high stiffness and low susceptibility to plastic deformation even at high moisture contents should be used in TSAP.
Conclusiones
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau
Oslo, 3.12.2015 Folie 28
Acknowledgement
This presentation is based on parts of the researchproject carried out at the request of the FederalMinistry of Transport, Building and UrbanDevelopment, represented by the Federal HighwayResearch Institute under research project No.09.0175/2011/ERB.