Analysis and Modeling of Rutting for Long Life Asphalt Concrete Pavement

Feyissa, Berhanu Abesha (2009)
Analysis and Modeling of Rutting for Long Life Asphalt Concrete Pavement.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-19953

Kurzbeschreibung (Abstract)

Asphalt concrete (AC) pavement is one of the most important infrastructures that involve multiple layers of different materials subjected to non-uniform traffic loadings and varying environmental conditions. The repetitive traffic loadings that the road experiences during its service life, combined with temperature fluctuations, cause rutting, fatigue and other forms of deteriorations, which ultimately degrade the performance and durability of pavement structures. Both traffic volume and loads are increasing from year to year with rapid rate. The various categories of vehicles with different performance and operational characteristics contribute to pavement distresses. The dynamic load generated by heavy vehicles is considered as the primary cause of road structural damage and contribute the greater portion of the deterioration of AC pavements. Besides, the influence of temperature, which varies with time and along the pavement depth, makes an ever-changing temperature field. Extreme low daily temperature during winter and high temperature and solar radiation during summer cause thermal cracking and permanent deformation, respectively. The temperature gradient down to the depth has a direct influence on the properties of the AC structures, and hence, affects the response of a pavement while subjected to load. Estimation and prediction of the maximum distresses likely to happen within the pavement layer is vital for proper design of the pavement. Constitutive modeling of the deformation behavior of AC enables to evaluate the deterioration progress. On the other hand, better understanding of materials behaviors and structural responses of asphalt concrete in combination with of load-stress-strain computation tools, allows for optimization of asphalt pavement thickness and material choice. Until recently, AC pavements have been designed to serve for about 20-25 years, however, it has been observed that some roads have been serving for more than 40 years without the need for structural rehabilitation. Such phenomenon has strengthened the issue of prolonged service life of road pavements to be remained as a key concern for road industries for the past several years. In this research, the response of asphalt concrete has been evaluated by employing the ABAQUS finite element model. In order to take into account the effect of temperature on materials properties as well as to determine the deformation progress of a pavement under different temperature and loading conditions, a rut prediction model is developed. Various parameters critically influencing the accumulation of permanent deformation are evaluated by the Burger-material-based model developed by the Author. The FE analyses mainly have focused on the stress-strain state of AC pavement with varying loading conditions, structural geometry and material properties. The analysis showed keeping structural geometry, loading condition and other material parameters constant, an increase the E-moduli of the binder twice yields 4.9% and 14.3% reduction in vertical stresses developed at the mid-depth of the binder and base layers, respectively and increasing the same by forth fold yields as well 11.1% and 27.6% in these layers. However, there is a slight increase in stress in the wearing layer, in both cases. This holds true as well in case of increasing the E-moduli of the base course, there are increase in stresses developed on both wearing and binder courses. The FE analyses show that critical shear stresses are developed within the binder layer. It has been observed that the magnitude of the vertical stress in the wearing course is independent of the wheel configuration, however, the overlapping of stresses is gradually pronounced in the binder course. The analyses reveal that the subbase and subgrade layers suffer greatly due to the influence of the overlapping of stresses developed by dual/multiple wheels. The vertical stress developed at the top layers of the asphalt concrete is one of the major contributors for rut formation on this layer. Of course the rate of rut formation is a function of the frequency of such load application, materials properties and other external factors such as temperature. A Burger-based rutting model has been developed which can predict the accumulation of permanent deformation throughout the service life of a pavement with varying traffic load spectrum and annual and daily temperature variations. The model takes into account the hourly, daily and annual variations of the traffic, the expected traffic wheel loads and operating speed. At the same time, the time variation of temperature across the pavement depth are evaluated and associated with the material properties of the structure layers. It has been found that the higher the viscous component of the material the better the serviceability of the road without undergoing excessive deformation. Higher growth rate accelerates deformation. In addition, the structural geometries have an important contribution for the reduction of the over all permanent deformation of a pavement. It is recommended to work further on development of fatigue and other forms of damage prediction model under various loading spectrum and temperature ranges and integrate together for full scale analysis of AC pavements.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2009

Autor(en):

Feyissa, Berhanu Abesha

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Analysis and Modeling of Rutting for Long Life Asphalt Concrete Pavement

Sprache:

Englisch

Referenten:

Bald, Prof. Dr. J. Stefan ; Vormvald, Prof. Dr. Michael

Publikationsjahr:

9 Dezember 2009

Ort:

Darmstadt

Verlag:

Technische Universität

Datum der mündlichen Prüfung:

5 Oktober 2009

URL / URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-19953

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Straßen aus Asphaltbeton (AC) sind eine der wichtigsten Infrastrukturen. Sie bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien. Sie sind ungleichförmigen Verkehrsbelastungen und unterschiedlicher Umgebungsbedingungen unterworfen. Die Verkehrsbelastungen, die die Straßen während ihrer Nutzungsdauer erleiden, führen zusammen mit dem ständigen Wechsel der Temperatur zu Spurrinnenbildung und Ermüdung, die schließlich die Benutzbarkeit und Haltbarkeit der Struktur massiv beeinträchtigen. Verkehrsaufkommen und Lasten erhöhen sich von Jahr zu Jahr immer schneller. Die verschiedenen Fahrzeugarten mit unterschiedlichen Eigenschaften erschweren Konstruktion und Analyse. Als Hauptursache für die Straßenschädigung wird die dynamische Belastung durch die schweren Fahrzeuge angesehen. Darüber hinaus führen die ständig wechselnden Temperaturen zu Einwirkungen, die über Zeit und die Tiefe variieren. Extreme niedrige tägliche Temperatur während des Winters verursachen thermische Risse, extrem hohe Temperaturen und Solarstrahlung während des Sommers verursachen dauerhafte Verformungen. Die Temperaturunterschiede über die Tiefe beeinflussen schließlich die Eigenschaften der Asphaltstraßenstrukturen, vor allem ihre Steifigkeit und Belastbarkeit. Schätzung und Vorhersage der maximalen Belastungen, die eine Straßenschicht wahrscheinlich erleidet, ist wichtig für ihren angemessenen Entwurf. Die bewusste Modellierung des Verformungsverhaltens der Straße ermöglicht, den Zerstörungsprozess vorher zu sagen. Andererseits erlaubt ein besseres Verständnis des Materialverhaltens die Optimierung der Asphaltbetondicke und der Materialauswahl. Bis vor kurzem wurden Asphaltstraßen für eine Lebensdauer von 20-25 Jahren entworfen. Es wurden aber auch Straßen beobachtet, die mehr als 40 Jahre ohne die Notwendigkeit einer strukturellen Erneuerung benutzt werden konnten. Dieser Umstand verstärkt den Wunsch der Straßenbauer, die verlängerte Nutzungsdauer von Straßen auch zukünftig als Schlüsselfrage anzusehen. In dieser Arbeit wird das FiniteElement (FE)-Programm ABAQUS benutzt, um das Verhalten des Asphaltbetons zu modellieren. Um den Effekt der Temperatur auf die Materialeigenschaften sowie die Verformungsentwicklung der Asphaltschichten unter verschiedenen Temperatur- und Lastbedingungen zu berücksichtigen, wird ein eigenes Spurrinnen-Vorhersagemodell entwickelt. Darin werden verschiedene Parameter, die die dauerhaften Verformung kritisch beeinflussen, mit Hilfe eines vom Autor entwickelten Burger-Material-Modells berücksichtigt. Die FE-Analysen werden dabei hauptsächlich verwendet, um den Spannung–Dehnungszustand des Oberbaus bei unterschiedlichen Lastzuständen, Abmessungen und Materialeigenschaften zu ermitteln. Die Analyse zeigt, dass bei sonst gleichen Abmessungen, Belastungen und Materialeigenschaften, alleine eine Verdopplung des E-Moduls der Binderschicht zu einer Verringerung der vertikalen Normalspannungen in der Mitte der Binder- und der Tragschicht um 4.9% und 14.3% führt, eine Vervierfachung des zu einer Verringerung von 11.1% und 27.6%. Allerdings gibt es in beiden Fällen eine geringfügige Zunahme der Spannung in der Deckschicht. Entsprechend führt eine Erhöhung des E-Moduls der Tragschicht zu einer Erhöhung der vertikalen Normalspannungen in den Deck- und Binderschichten. Die FE Analysen zeigen außerdem, dass die kritischen Schubspannung innerhalb der Binderschicht zu liegen kommen. Außerdem konnte festgestellt werden, dass die Normalspannung in der Deckschicht unabhängig von der Radkonfiguration ist. Diese wirkt sich vor allem in der Binderschicht aus. Die Analysen zeigen, dass die ungebundene Tragschicht und Bodenschichten durch die überlappende Einwirkung von Doppel- / Mehrfachachsen sehr stark beansprucht werden. Hauptgrund für die Verformungen der oberen Asphaltschichten sind die vertikalen Spannungen. Die Geschwindigkeit der Verformung ist eine Funktion der Belastungshäufigkeit, der Materialeigenschaften und anderer externer Faktoren wie der Temperatur. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Verformungs-Modell entwickelt, das auf der Theorie von Burger beruht und die Entwicklung der Verformung während der Nutzungsdauer einer Straße für unterschiedliche Verkehrslastspektrum voraussagen kann. Das Modell berücksichtigt die stündlichen, täglichen und jährlichen Veränderungen des Verkehrs, die erwarteten Verkehrslasten und Geschwindigkeiten. Außerdem werden die über die Zeit unterschiedlichen Temperaturen in den verschiedenen Straßentiefe mit ihren Auswirkungen auf die Materialeigenschaften der Oberbauschichten berücksichtigt. Dabei zeigte sich, dass die Straße um so größeren Belastungen standhält, je ausgeprägter die viskosen Eigenschaften des Materials sind. Bestätigt wird, dass höhere Zunahmeraten der Belastung zu größeren Verformungen führen. Zusätzlich ergibt sich, dass die Geometrie des Oberbaus, insbesondere die Dicken der Schichten einen wichtigen Beitrag für die Beherrschung der gesamten dauerhaften Deformation einer Straße leistet. Es wird empfohlen, auch weiterhin an umfassenden Vorhersagemodellen für die Verformung und für andere Formen der Ermüdung / Schadensentwicklung von Asphaltoberbauten zu arbeiten, die die verschiedenen Lastspektren und Temperatureinwirkungen berücksichtigen können.

Deutsch

Freie Schlagworte:

Rutting, Long Life, Asphalt Concrete, Finite Element, Pavement Temperature, Traffic Loading, Pavement Modelling

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Verbund Institute für Verkehr
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

Hinterlegungsdatum:

10 Dez 2009 07:48

Letzte Änderung:

05 Mär 2013 09:28

PPN: