Ulazni podaci XIII предавање AASHTO MEPDG Коловозне ......specijalne slučajeve, sa modeliranjem nelinearnog ponašanja nevezanih materijala) в.проф .дрГоран

AASHTO MEPDG, Mostovi i tuneli 27.12.2018.

КОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ шк. 2018/19 година в.проф.др Горан Младеновић, дипл.инж. 1

в.проф.др Горан Младеновићв.проф.др Горан Младеновић

XIII предавање

AASHTO MEPDG

Коловозне конструкције

на мостовима и у тунелима

KОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ

шк. 2018/19 год.

в.проф.др Горан Младеновић

Sadržaj

� AASHTO MEPDG

� Razvoj nove metode AASHTO

� Pristup u novoj metodi� Ulazni podaci

� Spektri saobraćajnog opterećenja

� EICM - Enhanced Integrated Climatic Model

� Karakteristike materijala

� Metode proračuna uticaja u kolovoznim konstrukcijama

� Prenosne funkcije za predviđanje oštećenja

� Projektni kriterijumi

� Nedostaci metode

� Kolovozne konstrukcije na mostovima i u tunelima


Razlozi za prelazak na novu

metodologiju� Ograničenja postojeće metode AASHTO i podataka na

bazi kojih je razvijena

� Određena klimatska zona

� Jedna vrsta tla u posteljici

� 1.1 milion standardnih osovina

� Nove vrste materijala i tehnologija u odnosu na raspoložive u doba eksperimenta

� Kao rezultat, AASHTO/1993 metoda daje ekstremno debele kolovozne konstrukcije za izuzetno velika saobraćajna opterećenja

� Cilj projekta: Razvoj novog uputstva zasnovanog na principima mehanike kolovoza uz odgovarajući softver


MEPDG?

� Rezultat projekta NCHRP 1-37A

� Započet kao NCHRP 1-37 (1996) – Development of the 2002 Guide for the Design of New and Rehabilitated Pavement

Structures

� NCHRP 1-37A započet 1998

� Evolucija imena:

� 2002 Guide

� 200X Guide

� 20XX Guide?

� MEPDG


MEPDGAASHTO 93

Projektovanje kolovoznih konstrukcija

EmpirijaMehanicistička

analiza


Globalni pogled

Klimatski podaci

EICM

Karakteristike materijala

Transfer Funkcije

Predviđanje ponašanjakolovoznih konstrukcija

Mehanicistička analiza -Proračun uticaja u kolovoznoj konstrukciji

Saobraćaj




Empirijski deo MEPDG

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Fatigue damage

Perc

en

t sla

bs c

racked Regresiona zavisnost

Oštećenja usled zamora

Pro

ce

na

t is

pu

ca

lih

ploč

a


Namena uputstva� Fleksibilne kolovozne konstrukcije

� Klasične (asfaltni slojevi tanji od 15 cm)

� Sa debljim asfaltnim slojevima

� “Full depth”

� Ojačanja asfaltnim slojevima

� Polu-krute kolovozne konstrukcije

� Krute kolovozne konstrukcije

� Klasične betonske kolovozne konstrukcije sa spojnicama -JPCP

� Kontinualno armirani betonski kolovozi - CRCP

� Ojačanja JPCP ili CRCP

� Popravke postojećih kolovoza


Postupak proračuna

� 3 osnovne faze:

Analiza ulaznih parametara

Analiza – Proračun uticaja i predviđanje oštećenja kolovozne

konstrukcije

Izbor optimalnog rešenja na bazi ekonomskih i tehničkih

kriterijuma


Nivoi projektovanjaNivoi projektovanjaNivoi projektovanjaNivoi projektovanja

� Nivo 1

� Podaci specifični za određeni projekat

� Nivo 2

� Primena korelacija u odnosu na poznate vrednosti da bi se dobili ulazni podaci

� Nivo 3

� Primena default vrednosti za ulazne podatke na nacionalnom ili regionalnom nivou


I faza - Analiza ulaznih parametara:

Analiza klimatskih i faktora okoline


Saobraćajno opterećenje

NOVE KOLOVOZNE

KONSTRUKCIJE

REHABILITACIJA POSTOJEĆIH KOLOVOZNIH

KONSTRUKCIJA

Istražni radovi Analiza stanja postojećih kk

MaterijaliMaterijali

Projektni kriterijumi Projektni kriterijumi

II faza - ANALIZA



� povratni modul Mr za sve nevezane i materijale u posteljici kolovozne konstrukcije,

� dinamički ili modul krutosti za sve asfaltne slojeve, i

� modul elastičnosti za cement-beton i slojeve na bazi hidrauličnih veziva.




Dodatni podaci o materijalima

� Poasonovi koeficijenti za svaki sloj

� kompliansa tečenja za asfaltne slojeve

� čvrstoća na zatezanje asfaltnih slojeva

� koeficijent termičkog skupljanja i širenja

� temperaturni gradijent u slojevima kolovozne konstrukcije

� gradijent vlažnosti u betonskim pločama


y = 17.61 CBR0.64

y = 10.342 CBR

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 10 20 30 40

MR

(M

Pa)

CBR (%)

Nevezani materijali u posteljici i

podlozi kolovozne konstrukcije

MR

∆ε

∆σ

AASHTO T307 ili NCHRP 1-28A


Nevezani materijali – nivo 1

2 3k k

octr 1 a

a a

M k p 1p p

τθ = ⋅ ⋅ ⋅ +

Mr – povratni modul (MPa)

Θ – prva invarijanta stanja napona

σ1, σ2, σ3 – glavni naponi

Pa – atmosferski pritisak

τoct – oktaedarski napon smicanja

k1, k2, k3, - regresione konstante

1 2 3θ σ σ σ= + +

( ) ( ) ( )2 2 2

oct 1 2 2 3 3 1

1

3τ σ σ σ σ σ σ= − + − + −


Nevezani materijali – nivo 1 (nast.)

� Ispituju se:

� Maksimalna zapreminska masa

� Optimalni sadržaj vlažnosti

� Specifična masa

� Hidraulična provodljivost u zasićenom stanju

� SWCC – Soil Water Characteristic Curve

� Za rehabilitacije Mr se dobija na bazi analize merenja ugiba

� U oba slučaja se procenjuje Poasonov koeficijent


Nevezani materijali – nivoi 2 i 3

� U zavisnosti od AASHTO klasifikacije tla i uloge materijala u kolovoznoj konstrukciji odnosno nasipu

� Ispituju se samo:

� Granulometrijski sastav

� Indeks plastičnosti

� Granica tečenja

� Procenjuju se:

� Zapreminska masa

� Optimalni sadržaj vlage

� Specifična masa

� Usvajaju se:

� Hidraulična provodljivost (zavisno od vrste – klase materijala)

� SWCC – Soil Water Characterstic Curveв.проф.др Горан Младеновић

Asfaltni materijali – dinamički modul

Žiroskopski nabijač

Simple Performance Tester - SPT

σ = σO SIN(ωt)

ε = ε Ο SIN(ωt-φ)

φ

O

OEε

σ=*

Definiše karakteristike linearno viskoelastičnih materijala izloženih sinusouidalnom opterećenju




Asfaltni materijali – dinamički modul –

konstruisanje master krive

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.E-07 1.E-05 1.E-03 1.E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05

TIME

DY

NA

MIC

MO

DU

LU

S

12 F40 F

70 F100 F

130 F

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.E-07 1.E-05 1.E-03 1.E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05

TIME

DY

NA

MIC

MO

DU

LU

S

12 F

40 F

70 F

100 F

130 F

Princip superpozicije vreme - temperatura


Asfaltni materijali – dinamički modul

� Nivo 1� Specifični podaci za asfaltnu mešavinu� Dinamički modul mešavine E*� Modul smicanja za bitumen G*

� Nivo 2� Ispitivanje bitumena i primena Witczak-ove

jednačine za dinamički modul� Modul smicanja za bitumen G*� Zapreminske karakteristike mešavine

� Nivo 3� Tip bitumena i primena Witczak-ove jednačine za

dinamički modul� Tip bitumena� Zapreminske karakteristike mešavine


Uticaj klimatskih parametara

� Integrisani klimatski model (Integrated Climatic Model-ICM) i poboljšani integrisani klimatski model (Enhanced Integrated Climatic Model – EICM)� Infiltration and Drainage Model (ID Model), (Texas A&M) - analiza uticaja

kišnih padavina na stanje vlažnosti u slojevima

� Climatic-Materials-Structural Model (CMS Model), razvijen na Univerzitetu Illinois, koji se koristi za proračun temperature i vlažnosti u slojevima kolovozne konstrukcije i predviđanje temperature.

� CRREL model, razvijen u USA CRREL (United States Army Cold Region Research and Engineering Laboratory) - sračunava provođenje toplote i vlage u slojevima kolovoza pri različitim temperaturama i predviđa dubinu dejstva mraza.

� EICM model predviđa temperaturu i vlažnost slojeva iz sata u sat i ti podaci se dalje na različite načine koriste u proračunu karakteristika materijala tokom projektnog veka


Rezultati proračuna EICM

� Promena Mr u zavisnosti od uticaja okolineFEA / LEA Modul

� Raspodela temperatura u asfaltnim podslojevima kolovozne konstrukcije

Proračun zamora/trajne deformacije

� Profili temperature na svakih 25 mm iz sata u sat u okviru asfaltnih i PCC slojeva

Proračun termičkih pukotina

� Prosečan sadržaj vlage u posteljici i nevezanoj podloziModul za proračun trajne deformacije u posteljici i

nevezanoj podlozi


Podaci o saobraćajnom opterećenju


Podaci o saobraćajnom optećenju

� Obim saobraćaja

� Faktori raspodele obima saobraćaja :� Faktor mesečne raspodele

� Raspodela vozila po klasi

� Faktor raspodele po času

� Faktor rasta kamionskog saobraćaja

� Faktori raspodele osovinskog opterećenja

� Opšti ulazni podaci o saobraćaju

� Broj osovina po kamionu

� Konfiguracija osovina

� Rastojanje točkova




Privremeni brojači saobraćaja


0.0 0

0.2 0

0.4 0

0.6 0

0.8 0

1.0 0

1.2 0

1.4 0

Month of the Year

Urban Cars

Rural Cars

Rural Combination Trucks

Rural Single Unit Trucks

Sezonske varijacije obima saobraćaja


0.00%

1.00%

2.00%

3.00%

4.00%

5.00%

6.00%

7.00%

8.00%

9.00%

Hour of Da y

Rural Ca rs

Busine ss Da y T rucks

T hrough T rucks

Urba n Ca rs

Varijacije saobraćaja tokom dana


Klase vozila i distribucija saobraćajnog toka


Merenje osovinskih opterećenja u

pokretu - Weigh in Motion (WIM)


Spektri osovinskih opterećenja

Klasa vozila 9:




Raspodela opterećenja u

poprečnom profilu

� Na jednoj saobraćajnoj traci


Nivoi podataka za saobraćajno

opterećenje

� Nivo 1- klasifikacija vozila i podaci o opterećenju reprezentativni za konkretnu lokaciju

� Nivo 2 – Klasifikacija vozila za lokaciju, podaci o opterećenju regionalni

� Nivo 3 – Obim saobraćaja za lokaciju, default podaci o osovinskim opterećenjima


II faza – Proračun uticaja i

predviđanje oštećenja:Početno rešenje

kolovozne konstrukcije

Proračun napona, dilatacija i ugiba

Proračun inkrementalnog prirasta oštećenosti

Modifikacija rešenja Analiza pouzdanosti

RavnostIRI

Prenosne funkcije:- kolotrazi- denivelacija ploča- pukotine usled saobraćaja- pukotine usled drugih uticaja

NE

Projektni kriterijumi

DA

Faza III


Proračun uticaja u kolovoznoj

konstrukciji

� Kruti kolovozi

� Metoda konačnih elemenata ISLAB2000

� Neuronske mreže

� Fleksibilni kolovozi

� Višeslojni linearno elastični model JULEA

� Desai – metoda konačnih elemenata (zaspecijalne slučajeve, sa modeliranjem nelinearnog ponašanja nevezanih materijala)


Proračun uticaja – Podela kolovozne

konstrukcije na podslojeve

Tipičan poprečni presek fleksibilne kolovozne konstrukcije

Novi asfaltni slojevi (3 Max)

Podslojevi (vlaga)

Vezni sloj

Podslojevi za starenje

Asfaltna posloga

Podloga Nevezana ili stabilizovana

Podslojevi (vlaga)Donja podloga(nevezana)

Posteljica1 (stabilizovana)

Posteljica 1

Posteljica 2

Čvrsta stena


Modeliranje temperaturnih uticaja

na karakteristike slojeva

� Za proračun oštećenja prouzorkovanih dejstvom saobraćajnog opterećenja

� Raspodela prosečnih mesečnih temperatura vazduha se deli na 5 jednakih kategorija

� Dinamički modul svakog asfaltnog podsloja se računa na osnovu master-krive i ulazi u proračun uticaja

� Podrazumeva se da je saobraćajno opterećenje identično u svim periodima

� Za proračun termičkih pukotina EICM računa karakteristike materijala na časovnom nivou




Modeliranje dejstva mraza- Node

Diagram


Modeliranje dejstva mraza

Minnesota

0.1

1

10

100

08/23/96 12/01/96 03/11/97 06/19/97 09/27/97

Time

Fe

nv

TR


x

y

8 in 8 in 8 inSx

Sy

CL

A 1 A 2 A3 A4 A5 A6 A7 A 8 A 9 A 10

B 1 B 2 B 3 B4 B 5 B 6 B 7 B 8 B 9 B 10

4 in4 in

S x/2

Sy /2

Karakteristične lokacije za

proračun uticaja


Proračun inkrementalnih promena

stanja

� Uzima u obzir

� Promene u krutosti materijala sa promenom temperature i vlažnosti

� Sezonske varijacije klimatskih uticaja

� Sezonske varijacije u saobraćajnom opterećenju kroz vreme


Prenosne (transfer) funkcije

� Emprijske zavisnosti za predviđanje različitih indikatora stanja u funkciji od sračunatog nivoa oštećenosti i uticaja u slojevima kolovozne konstrukcije



� Fleksibilne kolovozne konstrukcije i ojačanja asfaltnim slojevima� ukupna dubina kolotraga u asfaltnim slojevima, slojevima

nevezane podloge i posteljici

� poprečne pukotine prouzorkovane uticajem okoline

� mrežaste pukotine usled zamora (saobraćajnog opterećenja), odozdo na gore

� podužne pukotine usled saobraćajnog opterećenja inicirane na površini

� reflektovane pukotine u asfaltnim slojevima preko postojećih fleksibilnih, polu-krutih ili krutih kolovoznih konstrukcija

� ravnost (IRI)





� Cementno betonski kolovozi i ojačanja betonom� denivelacija ploča u spojnicama JPCP (faulting)

� efikasnost prenošenja opterećenja (LTE) u spojnicama JPCP

� poprečne pukotine usled saobraćajnog opterećenja u JPCP kolovozima

� ljuspanje površine (uključeno u IRI model)

� rastojanje i širina pukotina kod CRCP

� efikasnost prenošenja opterećenja (LTE) kod CRCP

� čupanje zrna u CRCP kolovozima

� ravnost (IRI)


Pukotine usled zamora – odozdo na gore

( )( )* *1 1 2 2 BOTTOM4

BOTTOM C C C C log DI 100

C1FC

60 1 e⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

= ⋅

+

FCBOTTOM – površina zahvaćena pukotinama usled zamora, odozdo na gore (% površine saobraćajne trake)DIBOTTOM – kumulativni indeks oštećenosti (damage index) na donjoj površini asfaltnih slojevaC1,2,4 – regresione konstante za transfer funkciju C1 = 6.0, C2 = 1.0, C4 = 1.0

HMA - debljina asfaltnih slojeva (in)

* *

1 2C 1 2 C= − ⋅

( )2.856*

2C 2.40874 39.748 1 HMA−

= − − ⋅ +


Ravnost (IRI) za fleksibilne kolovoze

o totalIRI IRI 0.0150 SF 0.400 FC 0.0080 TC 40.0 RD= + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅

IRI - rezultujuća vrednost ravnosti (in-mi)IRI – ravnost nakon izgradnje (in/mi)SF – faktor lokacijeFCtotal – pukotine usled zamora (ft2/mi)TC – poprečne pukotine (ft/mi)RD – prosečna dubina kolotraga (in)


Projektni kriterijumiTip kolovoza Kriterijum

Maksimalna vrednost na kraju analiziranog perioda

Fleksibilna kolovozna konstrukcija i ojačanja

asfaltnim slojevima

Mrežaste pukotine (odozdo na gore)

Autoputevi: 10 % površine saob. trakePrimarni putevi: 20 % površine saob. trakeSekundarni putevi: 35 % površine saob. trake

Dubina kolotraga (trajna deformacija u tragovima točkova)

Autoputevi: 10 mmPrimarni putevi: 12.5 mmSekundarni putevi (v < 72 km/h): 16.5 mm

Dužina poprečnih, termičkih pukotina

Autoputevi: 94 m/kmPrimarni putevi: 130 m/kmSekundarni putevi: 130 m/km

Ravnost IRI Autoputevi: 2.5 m/kmPrimarni putevi: 3.2 m/kmSekundarni putevi: 3.2 m/km

Kruta kolovozna konstrukcija i ojačanja betonskim slojevima

Srednja vrednost denivelacije spojnica (faulting)

Autoputevi: 3.8 mmPrimarni putevi: 5 mmSekundarni putevi: 6.4 mm

Procenat ploča sa poprečnim pukotinama

Autoputevi: 10 %Primarni putevi: 15 %Sekundarni putevi: 20 %

Ravnost IRI Autoputevi: 2.5 m/kmPrimarni putevi: 3.2 m/kmSekundarni putevi: 3.2 m/km


Nivo pouzdanosti

Funkcionalna klasifikacija

Nivo pouzdanosti (%)Gradske

soabraćajniceVangradske

saobraćajniceAutoputevi 95 95Primarni putevi

90 85

Sekundarni putevi

80 75

Lokalni putevi 75 70


Ograničenja metode MEPDG

� Anglo-saksonski sistem mernih jedinica

� MEPDG ne omogućava predviđanje promene trenja i razvoja buke usled odvijanja saobraćaja

� Jednostruki ili “super-single” pneumatici

� Trajnost i dezintegracija mešavina u površinskim slojevima

� Promena zapremine tla u posteljici usled uticaja okoline

� Porozni slojevi u podlozi

� Geomreže i drugi materijali za ojačanje




Ograničenja metode MEPDG

� Polu-kruti kolovozi

� Primena tretmana preventivnog održavanja

� Fazna izgradnja

� Tanka ojačanja slojevima na bazi cement-betona

� Armirani betonski kolovozi sa spojnicama (JRCP)

� Rano otvaranje betonskih kolovoza za saobraćaj

� Trenje na spoju između postojećeg betonskog kolovoza i ojačanja asfaltom


Kolovozne konstrukcije na mostovima

� Osnovni cilj: zaštititi ploču i konstrukciju mosta od dejstva vode, soli i drugih agenasa i produžiti vek objektu

� Mostovi:

� Betonski

� Čelični – ortotropne ploče

� Asfaltna kolovozna konstrukcija na mostovima – 3 osnovna sloja:

� Hidroizolacioni sloj

� Zaštitni sloj

� Habajući sloj


Osnovni zahtevi

� Hidroizolacija i asfaltni slojevi

� Zaptivanje i zaštita konstrukcije

� Asfaltni slojevi

� Otpornost na trajnu deformaciju – kolotrage

� Mikro i makro hrapavost

� Krutost

� Ravnost

� Otpornost na starenje

� ....


Funkcionalni zahtevi za hidroizolaciju

� Zaptivanje u pogledu prodora vode i vazduha u svim uslovima

� Prianjanje za ploču mosta i za asfaltne mešavine

� Mehanička otpornost (opterećenje od saobraćaja, termički uticaji)

� Otpornost na sredstva za odleđivanje

� Kompatibilnost sa asfaltnim mešavinama

� Otpornost na visoke temperature tokom ugrađivanja asfaltnih mešavina


Osnovni tipovi hidroizolacija

� Premazi na bazi bitumena

� Mastiks slojevi

� Bitumenske trake

� Na bazi običnog ili polimer-modifikovanog bitumena

� Prskane hidroizolacije

� Na bazi poliuretana

� Na bazi akrila - Metil-metakrilat (MMA)


Bitumenske trake� Uložak (npr. od poliesterskog filca) koji je obostrano

obložen bitumenom i zaštićen pogodnim materijalom (kvarcni pesak, prirodni škriljac, polietilenska folija...)

� Na bazi običnog ili polimer-modifikovanog bitumena

� Traka se ugrađuje varenjem, sa preklopom od 10 cm

� Podloga premazana prethodnim bitumenskim premazom ili epoksidnim prajmerom, ili polimer bitumenskom masom za hidroizolacije




Prskane hidroizolacije

� Guideline for European technical approval of liquid applied bridge deck waterproofing kits - ETAG 033, July 2010

� Na bazi poliuretana

� Razni proizvođači (SIKA, ...)

� Dvokomponentalni materijal

� Stari most Beška

� Na bazi akrilnih smola - Metil-metakrilat (MMA)

� Proizvođač: Stirling Lloyd, UK

� Više objekata u Srbiji (Autokomanda, Gazela, petlja Hipodrom, više drugih mostova)


Zaštitni i habajući sloj

� Zaštitni sloj

� Asfalt-beton� Pogodan za betonske mostove i bitumenske trake

� Debljina 3-4 cm

� Liveni asfalt� Posebno pogodan za čelične mostove zbog veće otpornosti na

zamor

� Pogodan za hidroizolacije na bazi MMA

� Debljina 2.5 - 3 cm

� Habajući sloj

� Težnja je da se primeni isti habajući sloj kao i na susednim delovima trase


Kolovozne konstrukcije u tunelima


Kolovozne konstrukcije u tunelima

� Izvod iz Austrijskog kataloga

Documents

Ulazni podaci XIII предавање AASHTO MEPDG Коловозне ......specijalne slučajeve, sa modeliranjem nelinearnog ponašanja nevezanih materijala) в.проф .дрГоран