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

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Two design processes for flexible pavements

• Empirical design chart – RStO

• M-E design procedure - RDO Asphalt

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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

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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

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Vertical Stresses

Pavement structure with thick asphalt layer (220mm)

Pavement structure with thin asphalt layer (10mm)

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Vertical stresses within granular layer

UGM LAYER UGM LAYER

Pavement structure with thick asphalt layer (220mm)

Pavement structure with thin asphalt layer (10mm)

Introduction

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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

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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

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• 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.

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must be determined accorditng to RStO

Min: 250mmMax: 900mm

The minimum thickness for frost protection

Layer thickness: Frost protection

Input Parameter

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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

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Conditioning test Resilient test Plastic test

Test package

Test packageApprox 22h

Sample preparation Test set-up

Material characterization

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RL CBR Test

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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 -

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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

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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

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Characterization of elastic deformation behavior

Material characterization

Multistage repeated load triaxial test at CCP

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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

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( ) ( ) ( ) λεε ⋅−+= 01,1,0

NNNplabp

Modeling of permanent deformation response

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Stiffness changes of the BC/subgrade due to changing moisture content during the year

Climate

[ERLINSON 09]

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ZONE 1

ZONE 2

Thaw period45,1%

Thaw period44,0%

Climatic conditionGermany Sweden

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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

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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

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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

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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

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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

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• 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

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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.