XVII. WEIMARER STRASSENBAU + BAUSTOFF SYMPOSIUM

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1 XVII. WEIMARER STRASSENBAU + BAUSTOFF SYMPOSIUM Straßenbefestigungen aus dünnen Asphaltschichten auf qualitativ hochwertigen Tragschichten ohne Bindemittel für Bundesstraßen Dipl.-Ing. Jörg Patzak Bauhaus-Universität Weimar, 26. März 2015

2 Vorbemerkung Wesentliche Inhalte des Forschungsprojektes FE /2011/ERB Straßenbefestigungen aus dünnen Asphaltschichten auf qualitativ hochwertigen Tragschichten ohne Bindemittel für Bundesstraßen Dr.-Ing. habil. Sabine Werkmeister (TU Dresden) M.Sc. Gustavo Canon Falla (TU Dresden) Prof. Dr.-Ing. habil. Frohmut Wellner (TU Dresden) Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Oeser (RWTH Aachen) Dipl.-Ing.-Wirt.-Ing. André Meyer (RWTH Aachen) Finanziert durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) Weimar, 26. März 2015 Folie 2

3 Einleitung Straßenbefestigungen mit dünnen Asphaltschichten (Low Volume Roads - LVR) Finnland Schweden Durchschnittlicher täglicher Verkehr (DTV) [KfZ/Tag] Norwegen Schottland Weimar, 26. März 2015 Folie 3

4 Einleitung Straßenbefestigungen mit dünnen Asphaltschichten (Low Volume Roads - LVR) dünne Asphaltdeckschicht 4 cm Dicke ToB (Schottertragschicht bzw. Kiesstragschicht) LVR < t Standardachsen Nutzungszeit etwa 10 Jahre Frostschutzschicht Untergrund Weimar, 26. März 2015 Folie 4

5 Einleitung Straßenbefestigungen mit dünnen Asphaltschichten (Low Volume Roads - LVR) Katalog (vereinfacht) in Abh. v. d. Verkehrsbelastung in Abh. v. d. Mineralkorngemisch NW N zul = f(ε el ) Untergrund/Unterbau in Abh. v. d. Verkehrsbelastung AL = 80 kn max ε (Biegezug) Asphaltpaket max ε (Druck) Untergrund/Unterbau AL = 100 kn 5 Klimazonen Weimar, 26. März 2015 Folie 5

6 Einleitung Straßenbefestigungen mit dünnen Asphaltschichten (Low Volume Roads - LVR) Ist eine Anwendung auch in Deutschland möglich? Weimar, 26. März 2015 Folie 6

7 Einleitung RStO 12, Tafel 1 Bk 0,3 = t-Standardachsen Mindestdicke des Asphaltpaketes 12 cm auch für niedrig beanspruchte Straßenbefestigungen in Deutschland. Weimar, 26. März 2015 Folie 7

8 Beanspruchung der ToB Dickes Asphaltpaket Dünnes Asphaltpaket AP AP vertikale elastische Dehnungen Weimar, 26. März 2015 Folie 8

9 Beanspruchung der ToB Dickes Asphaltpaket vs. Dünnes Asphaltpaket Asphaltschicht Dickes Asphaltpaket Dünnes Asphaltpaket Dickes Asphaltpaket Dünnes Asphaltpaket Keine Lastverteilung Weimar, 26. März 2015 Folie 9

10 Beanspruchung der ToB Dickes Asphaltpaket Dünnes Asphaltpaket vgl. geringe Beanspruchungen der ToB Asphaltpaket maßgebend für die Nutzungsdauer der Befestigung Ermüdungsverhalten vgl. hohe Beanspruchungen der ToB ToB maßgebend für die Nutzungsdauer der Befestigung Verformungsverhalten Verformungsverhalten Weimar, 26. März 2015 Folie 10

11 Schlussfolgerungen Verformungsverhalten der ToB ist für Befestigungen mit dünnen überbauenden Asphaltdecken von außerordentlicher Bedeutung. Derzeitige Dimensionierungsansätze für die ToB können als unzureichend bezüglich der Einschätzung der unterschiedlichen Materialien hinsichtlich ihres Verformungswiderstandes angesehen werden. Ergebnisse von Labor- und Feldversuchen haben gezeigt, dass ungebundenen Gesteinskorngemische sehr unterschiedliches Verformungsverhalten aufweisen, obwohl sie den herkömmlichen Anforderungen entsprechen. Weimar, 26. März 2015 Folie 11

12 Materialcharakterisierung Ungebundene Baustoffgemische Charakterisierung und Modellierung Weimar, 26. März 2015 Folie 12

13 Materialcharakterisierung Gemisch A Kiessand 0/32 Deutschland Gemisch B Granodiorit 0/32 Deutschland Gemisch C Andesit 0/32 Deutschland Gemisch D Granodiorit 0/16 Deutschland Gemisch E Granit 0/32 Schweden Weimar, 26. März 2015 Folie 13

14 Materialcharakterisierung Ansprache elastisches Materialverhalten Ansprache plastisches Materialverhalten Prüfmaschine Probenvorbereitung Weimar, 26. März 2015 Folie 14

15 Materialcharakterisierung Vertikale Deviatorische Dehnung [ ] 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 elastische dev. Dehnung σ 3 Zelldruck σ 3 [kpa] Deviatorspannung [kpa] Elastizitätsmodul [MPa] σ 3 Vertikale deviatorische plastische Dehnung [ ] 24,00 22,00 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Elastizitätsmodul Zelldruck σ 3 [kpa] Deviatorspannung [kpa] akkumulierte pl. Dehnung GRA-0/ GRA-0/ GRA-0/ Lastwechsel [-] Tausende Weimar, 26. März 2015 Folie 15 w

16 Materialcharakterisierung pren Anhang C3 Einstufung von Baustoffgemischen anhand von Versuchen zum elastischen Verformungsverhalten Lastwechsel Zellspannung 150 kpa Deviatorspannung 300 kpa ρ d = 0,97 x ρ d OPM w = w OPM 2 % Weimar, 26. März 2015 Folie 16

17 Materialcharakterisierung Gemisch A Kiessand 0/32 Deutschland Gemisch B Granodiorit 0/32 Deutschland Gemisch C Andesit 0/32 Deutschland Gemisch D Granodiorit 0/16 Deutschland Weimar, 26. März 2015 Folie 17

18 Materialcharakterisierung Charakteristische plastische Dehnungsrate [ /10 6 LW] Charakteristische plastische Dehnungsrate [ /10 6 LW] Q 1 Material - Premiummaterial Q 2 Material - gutes Material Q 3 Material - schlechtes Material Q 2 Materialien Kiessand Granodiorite Granit (FSS Material) Q 3 Material Andesit Charakteristischer Elastizitätsmodul [MPa] Charakteristischer Elastizitätsmodul [MPa] Q1 Q2 Q3 70% 80% KIS-0/32 Charakteristische plastische Dehnungsrate [ /10 6 LW] Q1 Q2 Q3 70% AND-0/32 Andesit 0/32 90% Kiessand 0/32 80% Weimar, 26. März 2015 Folie 18 Charakteristischer Elastizitätsmodul [MPa] Charakteristischer Elastizitätsmodul [MPa] Q1 Q2 Q3 70% Charakteristische plastische Dehnungsrate [ /10 6 LW] Q1 Q2 Q3 80% GRA-0/32 70% 90% GRA-0/16 80% 90% Granodiorit 0/32 Granodiorit 0/16

19 Verfahrensweise Eingangswerte Modell/Berechnung Nachweisführung Eignung von Material und Schichtdicken Festlegungen Weimar, 26. März 2015 Folie 19

20 Verfahrensweise Verkehrslastkollektiv Klimatische Bedingungen Materialkennwerte Modellbildung Schichtdicken Berechnungsverfahren ToB Planum Neufestlegung: Materialeigenschaften und Schichtdicken Nachweis Spurrinne Nachweis Plastische Verformung Iteration Erfüllt? KEIN JA Ausreichend dimensionierte Befestigung Modifiziertes Verfahren der RDO Asphalt für Befestigungen mit dünnen Asphaltdeckschichten Weimar, 26. März 2015 Folie 20

21 Verfahrensweise Verkehrslastkollektiv vereinfacht vs. dimensionierungsrelevant LVR < ,10-t-Standardachsen BAB Stadtnaher Verkehr Häufigkeit [%] BAB Mischverkehr BAB Fernverkehr >20 Achslastklasse [t] [Data from UHLIG] Weimar, 26. März 2015 Folie 21

22 Verfahrensweise Klimatische Randbedingungen Temperatur [ C] Tiefe [mm] Weimar, 26. März 2015 Folie 22

23 Verfahrensweise Untergrund/Unterbau Weimar, 26. März 2015 Folie 23

24 Verfahrensweise Klimatische Randbedingungen Schwankungen der Steifigkeiten der ToB und des Untergrundes in Abhängigkeit von Wassergehalt in den ToB! 70 % w opt 80 % w opt Weimar, 26. März 2015 Folie 24

25 Verfahrensweise AC=100mm AC=10mm Nichtliner-elastisches Verformungsverhalten der ToB ist wesentlich für die Modellierung der Befestigungen mit dünnen Asphaltdeckschichten! vereinfacht linear-elastisch! dimensionierungsrelevant nichtlinear-elastisch! Weimar, 26. März 2015 Folie 25

26 rechnerische Dimensionierung Konstruktion 2D - Modell Asphalt 100mm 100mm STS/KTS 100mm FSS Untergrund Weimar, 26. März 2015 Folie 26

27 rechnerische Dimensionierung Nachweis: Spurrinne in den ToB ( ε p,1 ) ( ε ) lab = ( ε p,1 ) field ( ε r,1 ) field r,1 lab ε p = vertikale plastische Dehnungensrate ε r = vertikale elastische Dehnungen Plastische Dehnungsrate [ /1e6 LW] 80,00 70,00 SE SE ,00 Modell 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Vertikale elastische Dehnung [ ] Annahme Das Verhältnis zwischen den elastischen und plastischen Verformungen ist identisch im Labor und in-situ. = Weimar, 26. März 2015 Folie 27

28 rechnerische Dimensionierung Entwicklung der berechnten bleibenden Verformungen in den ToB bei einem Wassergehalt von 70% und 80% w opt Weimar, 26. März 2015 Folie 28

29 Validierung des Dimensionierungsansatzes Heavy vehicle simulator (Swedish National Road and Transport Research Institute (VIT) HVS (Heavy Vehicle Simulator) VTI CAPTIF Anlage (Christchurch/Neuseeland) Weimar, 26. März 2015 Folie 29

30 Validierung des Dimensionierungsansatzes - Belastung 60 kn - Reifeninnendruck 800 kpa - Reifengröße 295/80R22.5 (Zwillingsreifen) - Geschwindigkeit 12 km/h - Temperatur während des Versuches +10 C Lastwechsel pro Tag HVS (Heavy Vehicle Simulator) VTI Weimar, 26. März 2015 Folie 30

31 Validierung des Dimensionierungsansatzes 18 HVS (Heavy Vehicle Simulator) VTI Plastische Verformung [mm] Nachverdichtung Nachverdichtung Tausende Lastwechsel [N] Versuch - niedriger Wassergehalt Modell - Versuch - niedriger Wassergehalt Versuch - hoher Wassergehalt Modell - hoher Wassergehalt Entwicklung der Spurrinnentiefe Weimar, 26. März 2015 Folie 31

32 Schlussfolgerungen Es erscheint möglich zu sein, für Befestigungen mit dünnen Asphaltdeckschichten(< t-Standartachsen) eine Reduzierung der derzeit in Deutschland vorgeschriebenen Mindestasphaltschichtdicke von 12cm vorzunehmen. Eine rechnerische Dimensionierung dieser Befestigungen unter experimenteller und theoretischer Berücksichtigung des nicht-linearen Verhaltens ungebundener Baustoffgemische ist jedoch unabdingbar ist. Weimar, 26. März 2015 Folie 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Weimar, 26. März 2015 Folie 33