КОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ (Б2С4КК) · time dynamic modulus 12 f40 f 70 f 100...

Предавање XIII - Коловози на мостовима и у тунелима, метода AASHTO-MEPDG

17.12.2020.

КОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ шк. 2020/21 в.проф.др Горан Младеновић 1

Београд, 2020.

Сва ауторска права аутора презентације и/или видео снимака су заштићена. Снимак или презентација се могу користити само за наставу на даљину студента

Грађевинског факултета Универзитета у Београду у школској 2020/2021 и не могу се користити за друге сврхе без писмене сагласности аутора материјала.

Универзитет у Београду – Грађевински факултет

www.grf.bg.ac.rs

Студијски програм: ГРАЂЕВИНАРСТВО

Modul: ЗА ПУТЕВЕ, ЖЕЛЕЗНИЦЕ И АЕРОДРОМЕ

Година/Семестар: IV година / VII семестар

Назив предмета (шифра): КОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ (Б2С4КК)

Наставник : Горан Младеновић

Наслов предавања: Кол. конструкције на мостовима и у тунелимаМетода AASHTO - MEPDG

Датум : 10.12.2020.

Sadržaj

• Kolovozne konstrukcije na mostovima i u tunelima

• 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

Грађевински факултет Универзитета у Београду 2


17.12.2020.


Kolovozne konstrukcije na mostovima

• Osnovni cilj: zaštititi ploču i konstrukciju mosta od dejstva vode, soli idrugih 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

• ....



17.12.2020.


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)



17.12.2020.


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)



17.12.2020.


Zaštitni i habajući sloj

• Zaštitni sloj• Asfalt-beton

• Pogodan za betonske mostove i bitumenske trake

• Debljina 3-4 cm

• Potrebna primena PmB na opterećenim saobraćajnicama da bi se sprečili kolotrazi

• 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

• Tip konstrukcije u tunelu:• Bez podnožičnog svoda – kolovozna konstrukcija slična konstrukciji na trasi

• Sa podnožičnim svodom

• Otpornost na trenje• U tunelima nema atmosferskih padavina, tako da postoji veća koncentracija

sitnih čestica na površini kolovoza, koja smanjuje koeficijent trenja

• Otpornost na požar• Pitanje kolovozne konstrukcije: asfalt ili beton?



17.12.2020.





• Izvod iz Austrijskog kataloga



17.12.2020.


Metoda AASHTO MEPDG (Mechanistic Empirical Pavement Design Guide) za projektovanje kolovoznih konstrukcija

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



17.12.2020.


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


Projektovanje kolovoznih konstrukcija


MEPDGAASHTO 93

EmpirijaMehanicistička

analiza


17.12.2020.


Globalni pogled


Klimatski podaci

EICM

Karakteristike materijala

Transfer Funkcije

Predviđanje ponašanja

kolovoznih konstrukcija

Mehanicistička analiza -

Proračun uticaja u

kolovoznoj konstrukciji

Saobraćaj

Empirijski deo MEPDG


0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

0 .0 0 1 0 .0 1 0 .1 1 10 1 0 0

F a t ig u e d a m a g e

Pe

rcen

t sla

bs

cra

ck

ed Regresiona zavisnost

Oštećenja usled zamora

Pro

cen

at is

pu

calih

plo

ča


17.12.2020.


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


17.12.2020.


Nivoi 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 kriterijumiProjektni kriterijumi

II faza - ANALIZA


17.12.2020.



• povratni modul Mr za sve nevezane i materijale u posteljici kolovoznekonstrukcije,

• dinamički ili modul krutosti za sve asfaltne slojeve, i

• modul elastičnosti za cement-beton i slojeve na bazi hidrauličnihveziva.


Dodatni podaci o materijalima

• Poasonovi koeficijenti za svaki sloj

• kompliansa tečenja za asfaltne slojeve (creep compliance, stepenprirasta deformacije visko-elastičnog materijala pri konstantnomnaponu)

• čvrstoća na zatezanje asfaltnih slojeva

• koeficijent termičkog skupljanja i širenja

• temperaturni gradijent u slojevima kolovozne konstrukcije

• gradijent vlažnosti u betonskim pločama



17.12.2020.


Nevezani materijali u posteljici i podlozi kolovozne konstrukcije


MR

∆ε

∆σ

AASHTO T307 ili NCHRP 1-28A

Nevezani materijali – nivo 1


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

( ) ( ) ( )2 2 2

oct 1 2 2 3 3 1

1

3τ σ σ σ σ σ σ= − + − + −

1 2 3θ σ σ σ= + +

2 3k k

octr 1 a

a a

M k p 1p p

τθ = ⋅ ⋅ ⋅ +


17.12.2020.


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 Curve



17.12.2020.


Asfaltni materijali – dinamički modul


Simple Performance Tester - SPT

σ = σO SIN(ωt)

ε = εΟ 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 F

40 F

70 F

100 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


17.12.2020.


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 nastanje 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 predviđanjetemperature.

• CRREL model, razvijen u USA CRREL (United States Army Cold Region Research and Engineering Laboratory) - sračunava provođenje toplote i vlage u slojevima kolovoza prirazličitim 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 tokomprojektnog veka



17.12.2020.


Rezultati proračuna EICM

• Promena Mr u zavisnosti od uticaja okoline

FEA / 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 podlozi

Modul za proračun trajne deformacije u posteljici i nevezanoj podlozi


Podaci o saobraćajnom opterećenju



17.12.2020.


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



17.12.2020.


Sezonske varijacije obima 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

M o nth o f the Y e ar

U rb an C ars

R ural C ars

R ural C o m b inatio n T rucks

R ural S ing le U n it T rucks

0.00%

1.00%

2.00%

3.00%

4.00%

5.00%

6.00%

7.00%

8.00%

9.00%

Hour of Day

Rura l Cars

Business Day T rucks

T hrough T rucks

Urban Cars

Varijacije saobraćaja tokom dana



17.12.2020.


Klase vozila i distribucija saobraćajnog toka


Merenje osovinskih opterećenja u pokretu -Weigh in Motion (WIM)



17.12.2020.


Spektri osovinskih opterećenja


Klasa vozila 9:

Raspodela opterećenja u poprečnom profilu

• Na jednoj saobraćajnoj traci



17.12.2020.


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 rešenjaAnaliza pouzdanosti

Ravnost

IRI

Prenosne funkcije:

- kolotrazi

- denivelacija ploča

- pukotine usled saobraćaja

- pukotine usled drugih uticaja

NE

Projektni kriterijumi

DA

Faza III


17.12.2020.


Proračun uticaja u kolovoznoj konstrukciji

• Kruti kolovozi

• Metoda konačnih elemenata ISLAB2000

• Neuronske mreže

• Fleksibilni kolovozi

• Višeslojni linearno elastični model JULEA

• Desai – metoda konačnih elemenata (za specijalne 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


17.12.2020.


Modeliranje temperaturnih uticaja na karakteristike slojeva� Za proračun oštećenja prouzorkovanih dejstvom saobraćajnog opterećenja

� Raspodela prosečnih mesečnih temperatura vazduha u 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 D



17.12.2020.


Modeliranje dejstva mraza


M in n e s o ta

0 .1

1

1 0

1 0 0

0 8 /2 3 /9 6 1 2 /0 1 /9 6 0 3 /1 1 /9 7 0 6 /1 9 /9 7 0 9 /2 7 /9 7

T im e

Fen

v

T R

Karakteristične lokacije za proračun uticaja


x

y

8 in 8 in 8 inS x

S y

CL

A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 A 9 A 1 0

B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 B 8 B 9 B 1 0

4 in4 in

S x /2

S y /2


17.12.2020.


Proračun inkrementalnih promena stanja

� Uzima u obzir� Promene 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



17.12.2020.



• 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)



17.12.2020.


Pukotine usled zamora – odozdo na gore

FCBOTTOM – površina zahvaćena pukotinama usled zamora, odozdo na gore (% površine saobraćajne trake)

DIBOTTOM – kumulativni indeks oštećenosti (damage index) na donjoj površini asfaltnih slojeva

C1,2,4 – regresione konstante za transfer funkciju: C1 = 6.0, C2 = 1.0, C4 = 1.0

HMA - debljina asfaltnih slojeva (in)


( )( )* *1 1 2 2 BOTTOM

4BOTTOM C C C C log DI 100

C1FC

60 1 e⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

= ⋅

+

* *

1 2C 1 2 C= − ⋅

( )2.856*

2C 2.40874 39.748 1 HM A−

= − − ⋅ +

Ravnost (IRI) za fleksibilne kolovoze

IRI - rezultujuća vrednost ravnosti (in-mi)

IRI – ravnost nakon izgradnje (in/mi)

SF – faktor lokacije

FCtotal – pukotine usled zamora (ft2/mi)

TC – poprečne pukotine (ft/mi)

RD – prosečna dubina kolotraga (in)


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


17.12.2020.


Projektni kriterijumi


Tip kolovoza KriterijumMaksimalna vrednost na kraju analiziranog

perioda

Fleksibilna kolovozna

konstrukcija i ojačanja

asfaltnim slojevima

Mrežaste pukotine (odozdo na gore)

Autoputevi: 10 % površine saob. trake

Primarni putevi: 20 % površine saob. trake

Sekundarni 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

saobraćajniceVangradske

saobraćajniceAutoputevi 95 95

Primarni putevi90 85

Sekundarni putevi80 75

Lokalni putevi 75 70


17.12.2020.


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 ojačanjaasfaltom


КОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ (Б2С4КК) · time dynamic modulus 12 f40 f 70 f 100...

Documents