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Design of Rigid Pavement Elements of a Typical Rigid Pavement A typical rigid pavement has three elements : i) Subgrade; ii) Subbase; iii) Concrete slab Subgrade is the in situ soil over which the pavement structure is supported. Stiffness of the subgrade is measured by modulus of subgrade reaction (K). K is determined with the assumption that the slab is resting on dense fluid and thus the reactive pressure of soil on pavement is linearly proportional to the deflection of the slab. Value of K is widely dependant upon the soil type, soil density, and moisture content. K is determined by plate bearing test.

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Design of Rigid Pavement

Elements of a Typical Rigid Pavement

A typical rigid pavement has three elements :i) Subgrade; ii) Sub‐base; iii) Concrete slab

Subgrade is the in situ soil over which the pavement structure is supported.Stiffness of the subgrade is measured by modulus of subgrade reaction (K).K is determined with the assumption that the slab is resting on dense fluid and thus the reactive pressure of soil on pavement is linearly proportional to the deflection of the slab. Value of K is widely dependant upon the soil type, soil density, and moisture content.K is determined by plate bearing test.

Page 2: Design Of Rigid Pavement.pdf

Elements of a Typical Rigid Pavement (contd)

Sub‐base is the layer of selected granular materials placed on the subgrade soil and immediately below the concrete pavementIt is provided for the following purposesTo provide an uniform and reasonable firm pavement support.To prevent mud pumping.To provide levelling course on undulated and distorted subgrade.To act as capillary cut off.It is not a part of the rigid pavement structure as it is not provided to impart strength to the pavement structure.

Elements of a Typical Rigid Pavement (contd)

Construction of sub‐base is generally done byGranular  material  like  natural  gravel,  crushed  slag, crushed concrete, brick metal, laterite, soil aggregate etc. Granular construction like WBM or WMMStabilized soilSemi  rigid material  like  Lime  clay  Puzzolana Concrete, Lime Flyash Concrete, Dry Lean Concrete .

Concrete Slab is designed on the basis of flexural strength of concrete.Due  to  repeated application of  flexural  stresses by  the traffic  loads, progressive  fatigue damage  takes place  in the  cement  concrete  slab  in  the  form  of  gradual development of micro‐cracks.

Page 3: Design Of Rigid Pavement.pdf

The ration between flexural stress due to the load and the flexural strength of concrete is termed as the Stress Ratio (SR). If SR < 0.45 the concrete is expected to sustain infinite number of repetition.Various properties of concrete as recommended for use as rigid pavement are

Flexural strength: 45 kg/cm2; Modulus of Elasticity: 3 x 105 kg/cm2;Poisson's ratio: 0.15;Coefficient of thermal expansion: 10 x 10‐6  /⁰C.

Elements of a Typical Rigid Pavement (contd)

Types of Rigid PavementThere are four types of Rigid PavementJointed and unreinforced concrete pavementJointed and reinforced concrete pavementContinuously reinforced concrete pavementPrestressed Concrete Pavement

Most of the rigid pavements in India are jointed and unreinforced concrete pavement. The necessary IRC design guidelines areIRC: 58– 2002 (Guideline for the Design of Plain Jointed Rigid Pavements for Highways)IRC:  15‐ 2002  (Standard  Specifications  and  Code  of Practice for Construction of Concrete Roads)IRC: SP: 62‐ 2007

Page 4: Design Of Rigid Pavement.pdf

Stresses in Rigid Pavement Stresses in concrete pavement are produced due to following reasonsApplied wheel loadChanges in temperatureChanges in moisture contentVolumetric changes in soil subgrade

In design of rigid pavement stresses due to applied wheel load and changes in temperature are considered.

Since the nature of the stresses due to changes in moisture content is reverse that of stresses due to changes in temperature, it is not considered in thickness design.

Stresses due to volumetric changes of subgrade soil is taken care by properly selected sub‐base course.

Westergaard AnalysisH. M. Westergaard is considered to be pioneer person in rigid pavement design.

The basic assumptions in Westergaard (1925) analysis for computation of stresses are  i. Concrete slab acts as a homogenous, isotropic, and 

elastic solid in equilibrium.ii. The reaction of subgrade are vertical only and they are 

proportional to the deflection of the slab. This reaction of subgrade per unit area at any given point is equal to a constant K multiplied by the deflection at that point.

iii. The thickness of the slab is uniform.iv. The load at the interior and at the corner of the slab is 

distributed uniformly over a circular area of contact.

Page 5: Design Of Rigid Pavement.pdf

Westergaard Analysis (contd)v. For corner loading the circumference of the area of 

contact is tangential to the edge of the slab.vi. For the load at the edge of the slab is uniformly 

distributed over a semi‐circular area contact. The diameter of the semi‐circle is with the edge of the slab.

Critical stress locationsInterior: This is the position within the slab which is at any place remote from all the edges.Edge: This is the position of the slab which is situated in the edge, remote from  the corners.Corner: This is the position which is situated at the bisector of the corner angle.

Westergaard Analysis (contd)

Interior CornerEdge

Page 6: Design Of Rigid Pavement.pdf

Stresses due to Wheel LoadUnder the wheel  load the  interior and the edge of the slab behaves like a simple supported beam having tension at the bottom. 

Under  the  action  of wheel  load  corner may  behave  as  a cantilever specially  when the slab is casted panel by panel.

The maximum tensile stress may be found at corner as this location  is  considered  as  discontinuous  from  all  the directions.

As  the edge  is discontinuous  in one direction  this  location may encounter lesser stress than the corner.

Loads  applied  at  the  longitudinal  edge  can  produce more stress than that at the transverse edge.

Least stress is occurred at the interior as this position of theslab is continuous in all directions.

Stresses due to Wheel Load (contd)

Computation of stress at edge locationThe  original  equations  of  Westergaard has  been modified by several researchers.As  per  IRC  the  stresses  due  to  wheel  load  may  be determined  by  the  software  IITRIGID  developed  at  IIT Kharagpur. The  stresses  at  edge  may  also  be  computed  by  the following equation as modified by Teller & Sutherland

]4048.0)b(log)bl(log4[)54.01()

hP529.0( 10102le −++= μσ

Page 7: Design Of Rigid Pavement.pdf

σle = Wheel Load Stress at Edge Region (kg/cm2)

P = Design Wheel Load (kg) or ½ of Single Axle Load (kg) or ¼ of Tandem Axle Load (kg)

h = Pavement thickness (cm)

μ = Poisson's Ratio

E = Modulus of Elasticity of Concrete (kg/cm2)

k = Modulus of Subgrade Reaction (kg/cm3)

l = Radius of Relative Stiffness (cm)

b = Equivalent Radius of Resisting Section (cm)

a = Radius of Load Contact Area (cm)

Stresses due to Wheel Load (contd)

Relative stiffness of slab to sub‐gradeA  certain  degree  of  resistance  to  slab  deflection  is offered by the sub‐grade. The  sub‐grade  deformation  is  same  as  the  slab deflection.  Hence  the  slab  deflection  is  direct measurement  of  the  magnitude  of  the  sub‐grade pressure. The  resistance  to deformation depends on  the  stiffness of  the  supporting  medium  as  well  as  on  the  flexural stiffness the slab.This  pressure  deformation  characteristics  of  rigid pavement lead Westergaard to define the term radius of relative stiffness (l). l in cm is given by

42

3

k)1(12Ehl

μ−=

Stresses due to Wheel Load (contd)

Page 8: Design Of Rigid Pavement.pdf

Equivalent Radius of Resisting Section The  wheel  load  concentrates  on  a  small  area  of  the pavementThe area of the pavement that  is effective  in resisting the bending moment due to that  load may be more than tyreimprint area. The maximum bending moment occurs under  the  loaded area and acts radial in all directions.The area of the pavement that  is effective  in resisting the bending  moment  due  to  a  wheel  load  is  known  as Equivalent Radius of Resisting Section or also as Radius of Equivalent Distribution of Pressure.

724.1haforh675.0ha6.1

724.1haforab

22 <−+=

≥=

Computation of Stress at Corner LocationWheel  load  stress  at  corner  region  is  obtained  as  per Westergaard’s analysis modified by Kelley

σlc = Wheel Load Stress at Corner Region (kg/cm2)

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

2.1

2lc l2a1

hP3σ

Stresses due to Wheel Load (contd)

Page 9: Design Of Rigid Pavement.pdf

Stresses due to Temperature Variation

Stresses are induced in the slab due to variation of temperature 

The temperature variation may be of two typesdaily variation resulting in a temperature gradient across the thickness of the slab, and seasonal variation resulting in uniform change in the slab temperature. 

The former results in warping stresses and the later in frictional stresses.

Stresses due to Temperature Variation (contd)

Temperature Warping Stresses Cement  concrete  pavement  undergoes  a  daily  cyclic change  of  temperature  as  thermal  conductivity  of concrete is low.The  top surface of  the pavement becomes hotter  than bottom during day time and cooler during night.In  the  daytime  thus  the  top  surface  of  the  pavement expands more than that  in the bottom. This results the slab to warp upwards (top convex). The  restraint offered  to  this warping  tendency by  self‐weight  and  the  dowel  bars  of  the  pavement  induces stresses in the pavement. This is known as warping stress.

Page 10: Design Of Rigid Pavement.pdf

Stresses due to Temperature Variation (contd)

Flexural  tensile  stress will  be  generated  at  the  bottom surface during day time. Conversely,  in  the  night  the  slab warp  downward  (top concave). Flexural tensile stress will be generated at the top surface. As the restraint offered to warping at any section of the slab  is a function of weight of the slab upto the section, the  corner  has  very  little  of  such  restraint  for  slabs without  dowel  bars  and  is  free  to warp.  Thus warping stress is negligible. The  interior  can  offer maximum  restraint  to warp  and has maximum warping stress.The equations  for warping stresses are available due  to Westergaard.  

Stresses due to Temperature Variation (contd)

The critical combination of stress indicates that most critical location is the edge. 

The  equations  for  the  warping  stress  at  the  edge  as recommended  by  IRC  is  obtained  as  per  Westergaard’sanalysis using Bradbury’s coefficient.

σtwe = Temperature Warping Stress at Edge Region (kg/cm2)

E = Modulus of Elasticity of Concrete (kg/cm2)

α = Coefficient of thermal expansion of concrete

t = temperature difference between top and bottom of slab

C = Bradbury’s coefficient depends on L/l or W/l of slab

C2

tEtwe

ασ =

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Stresses due to Temperature Variation (contd)Temperature Friction Stresses

Uniform seasonal  temperature variation cause the slab expands and contracts in the longitudinal direction. This expansion and contraction of the slab  is prevented by  the  friction  between  the  slab  and  the  subgrade. Stresses are thus set up in the slab.

σcAc

L/2

100002WLf

fW100

h2LB100Bh

c

c

×=∴

××××=×××

σ

σ

Stresses due to Temperature Variation (contd)

B = Slab width (m)

h = slab thickness (m)

L = Length of the slab (m)

σtfe = Temperature friction stress in concrete (kg/cm2)

W = Unit weight of concrete in (kg/cm2)

f = Coefficient of friction between concrete and subgradeThe  temperature  friction  stress  is  taken  care  in  rigid pavement by providing  joints  in plain  jointed pavement or by reinforcement in reinforced concrete pavement 

Page 12: Design Of Rigid Pavement.pdf

Critical Combination of Stresses

Combination of flexural stresses due to wheel load and that to  temperature  warping  provides  the  critical  stress  for design of rigid pavement.Maximum combined stress at the three critical locations will occur when these two stresses are additive.Warping stresses at three locations decrease in the order of interior, edge and corner whereas  the wheel  load  stresses decrease in the order of corner, edge and interior.Therefore,  critical  stress  condition  is  reached  at  edge location where neither wheel  load  stress nor  the warping stress is minimum.Since  at  night  due  to warping  the  corner may  behave  as cantilever it is recommended to check the wheel load stress at corner. 

Joints in Rigid Pavement The rigid pavement slab is deliberately divided into blocks of appropriate  sizes  in  order  to  take  care  the  effects  of temperature  friction  stress  or  stresses  due  to  moisture variation.

These deliberate planes of weaknesses in the slab are known as  joints. A good  joint should have  the  following  functional requirements:Must be waterproof [proper sealing to be provided]Riding quality should not be deterioratedShould  not make  any  structural  weakness  [for  example staggered joints should be avoided]

Page 13: Design Of Rigid Pavement.pdf

Joints in Rigid Pavement (contd)Classification of the joints according to location in the pavementLongitudinal JointsTransverse Joints

Longitudinal JointsTransverse Joints

Joints in Rigid Pavement (contd)

Classification of Joints according to FormsDummy JointButt JointTongue and Groove JointJoints with Clear Gap

Classification of Joints according to FunctionExpansion JointContraction JointLongitudinal JointConstruction Joint

Page 14: Design Of Rigid Pavement.pdf

Joints in Rigid Pavement (contd)

t

t+12

75mm t+6

SealerFillerDowel Bar [Fully Bonded part]

Dowel Bar [Bitumen Painted part]

Expansion Cap with Cotton Waste at the Back

Schematic Drawing of Expansion Joint with Dowel Bar

Expansion Joint

Joints in Rigid Pavement (contd)

The pavement slab tends to expand when the temperature rises above that at which the pavement was laid.

Expansion of the slab is prevented by friction between the slab and the subgrade. 

Compressive  Stress  is  thus  set  up  and  this  may  try  to buckle or blow up the slab .

In  order  to  prevent  this  stress,  Expansion  Joints in  the transverse  direction  of  the  pavement  are  provided  to allow space for expansion of the slab.

The joint is formed by maintaining a gap of about 20 to 25 mm between two slabs. 

The gap  is  filled up by a non‐extruding  compressive  filler material. 

Page 15: Design Of Rigid Pavement.pdf

Joints in Rigid Pavement (contd)

A  sealing  compound  is  provided  on  the  top  of  the  filler material to prevent entry of water and dust.

To ensure transfer of load between the two slabs on each side of the joint dowel bars are provided.Dowel  bars  are  usually mild  steel  round  bars  of  short length.Half  length  is bonded  into concrete on one  side of  the joint and the other half is painted by bitumen in order to prevent bonding with concrete.A metal cap with cotton waste at the back is provided at the painted half end of the dowel bar. This ensures free movement of the slab during expansion. 

Joints in Rigid Pavement (contd)

Dowel bars not only permits the expansion of the slabs but also holds the slab ends on each side of the joint as nearly as possible. 

Deflection of one slab under  load  is resisted by the other slab which,  in  turn  is  caused  to  deflect  and  thus  carry  a portion of the load imposed upon the first slab.

The  spacing  of  expansion  joint  may  vary  from  twenty meters to a few hundred meters.

Page 16: Design Of Rigid Pavement.pdf

Joints in Rigid Pavement (contd)

Contraction Joint with Butt Joint

Contraction Joint with Dummy Joint

Contraction Joint

Dowel Bar

Sealer

Sealer

Joints in Rigid Pavement (contd)

Stresses are also generated in the concrete pavement slab due  to  contraction of  concrete when  the  temperature  is reduced with respect to that during laying. 

Contraction  Joints  are  thus  provided  to  reduce  tensile stress due to contraction or shrinkage of concrete. 

There are two types of contraction joint:Dummy  Joint:  In  this  type  no  joint  is made  in  reality. Only a small groove is cut on top of the slab for a depth of ¼ to 1/3 of the thickness of the slab. If stress becomes more  than  that  the  slab  can  withstand,  a  crack  may develop  at  the  location  of  the  grove  as  this  is  the weakest plane  in the slab. Simple dummy  joint may not contain any dowel bar.  If dowel bar  is not provided the load transfer is ensured by particle interlocking.

Page 17: Design Of Rigid Pavement.pdf

Joints in Rigid Pavement (contd)

Butt  Joint:  In  case of  a butt  joint  two  slabs  abut  each other. Therefore, a clear plane of separation will exist in this joint. Dowel bars may or may not be provided.

In  case  of  dummy  or  butt  joint  good  sealing material  is provided at the top of the joint in order to prevent entry of water and dust inside the joint.

Spacing of joints varies with thickness of the slab and also with the existence of reinforcement. For slab of thickness upto 250mm  joints  maximum  spacing  may  be  4.5m whereas upto 350mm  thick pavement, maximum  spacing will be 5.0m.

Longitudinal JointLongitudinal  Joints are necessary  in  the  concrete  slab  for the pavement having more than 4.5m wide. Longitudinal joint prevents longitudinal cracking.Mild steel bars known as Tie bars are provided across the longitudinal  joint  to  hold  the  joint  tightly  closer  and  to keep both the slabs at the same level. Tie bars  are not provided to act as load transfer device.Both  the  ends  of  the  tie  bars  are  fully  bonded  in  the concrete.Longitudinal joints may be butt type or keyed [Tongue and Groove] type.

Joints in Rigid Pavement (contd)

Page 18: Design Of Rigid Pavement.pdf

Construction Joint

Construction  Joints  are  provided  in  the  transverse direction whenever  the placing of  concrete  is  suspended for more than 30 minutes. 

As  far as possible  construction  joint  should  coincide with either expansion joint or contraction joint. 

If  a  construction  joint  is  provided  at  the  location  of  any contraction joint it should be of butt type with dowel bar. 

If  a  separate  construction  joint  is  needed,  it  should  be provided within the middle third of two contraction joints.

Joints in Rigid Pavement (contd)

Arrangement of Joints

Staggered JointWhen  transverse  joints  are  staggered  with  respect  to the longitudinal joint,  sympathetic cracks may occur.These cracks often occur in the line with the joint in the other side of the transverse crack.

Joints in Rigid Pavement (contd)

Sympathetic cracks

Page 19: Design Of Rigid Pavement.pdf

Skew and Acute Angle JointUse  of  skew  joint  increases  the  risk  of  cracking  at  the acute angle corners.At the acute angles the stresses become very excessive.At  the  time  of  warping  the  acute  angles  become completely unsupported and  cause more  stresses  than that would occur in right angle corner.

Joints in Rigid Pavement (contd)

Design of Rigid PavementsStep 1: Stipulate design values for various parameters

Step 2 : Decide type and spacing between joints.

Step 3 : Select a trial design thickness of the pavement slab.

Step 4 : Compute the repetitions of axle loads of different magnitudes during design period

Step 5 : Calculate stresses due to single and tandem axle loads and determine cumulative fatigue damage (CFD).

Step 6 : If CFD is more than 1.0, select a higher thickness and repeat the procedure from step 4.

Page 20: Design Of Rigid Pavement.pdf

Design of Rigid Pavements (contd)

Step 7 : Compute the temperature stress at edge. If sum of the  temperature  stress  and  the  flexural  stress  due  to highest  wheel  load  is  greater  than  modulus  of  rapture select  a higher  thickness  and  repeat  the procedure  from step 4. 

Step  8  :  Design  the  pavement  thickness  on  the  basis  of corner  stress,  if  no  dowel  bar  is  provided  and  no  load transfer is possible due to lack of aggregate interlocking.

Design of Rigid Pavements (contd)

Design Example

Design a cement  concrete pavement for a two lane two way National Highway in Karnataka State. The initial total two way traffic is 3000 commercial vehicles per day. The other deign parameters are: Flexural strength of cement concrete: 45 kg/cm2.Effective modulus of subgrade reaction of the DLC sub‐base: 8 kg/cm3.Spacing of contraction joints: 4.5 m.Width of slab: 3.5mTyre pressure: 8 kg/cm2.Rate of traffic increase: 7.5%.

Axle load spectrum obtained from axle load survey is given below

Page 21: Design Of Rigid Pavement.pdf

Design of Rigid Pavements (contd)

Single Axle Load  Tandem Axle  Load

Axle load (tonnes)

% of axle loads

Axle load (tonnes)

% of axle loads

19‐21 0.6 34‐38 0.3

17‐19 1.5 30‐34 0.3

15‐17 4.8 26‐30 0.6

13‐15 10.8 22‐26 1.8

11‐13 22.0 18‐22 1.5

09‐11 23.3 14‐18 0.5

Less than 9 30.0 Less than 14 2.0

Total  93.0 Total  7.0

Design of Rigid Pavements (contd)

Design Traffic 

Present traffic = 3000 cvpd; Design life (assumed) = 20 years; 

Cumulative repetition in 20 years = 47, 418, 626 cvN = 365 A [(1+r)n – 1]/r where A is the initial number of axles in the year when road is operational ; r is the rate of annual growth of traffic; n is the design life.

Design traffic = 25% of repetition of commercial vehicles 

= 11,854, 657 cv

Total repetitions of single axles and tandem axles are

Page 22: Design Of Rigid Pavement.pdf

Design of Rigid Pavements (contd)

Single Axle Load  Tandem Axle  Load

Load (tonnes) Expected repitions

Load (tonnes) Expected repitions

20 71127 34‐38 35564

18 177820 30‐34 35564

16 569023 26‐30 71128

14 1280303 22‐26 213384

12 2608024 18‐22 177820

10 2762135 14‐18 59273

Less than 10 3556397 Less than 14 237093

Design of Rigid Pavements (contd)

Thickness Design

Trial thickness = 32 cm; Load safety factor  =1.2To take care unpredicted heavy truck loads the magnitude of axle loads should be multiplied by load safety factor (LSF).National highways and other roads where there will be uninterrupted traffic flow and high volumes of truck traffic: 1.2Lesser important roads with lesser incidence of truck traffic : 1.1Residential and other local streets : 1.0

Page 23: Design Of Rigid Pavement.pdf

Design of Rigid Pavements (contd)

Axle  load tonnes(AL)

AL x 1.2 Stress (kg/cm2)

Stress Ratio

Expected Repetition (n)

Fatigue  life (N)

Fatigue  life consumed (n/N)

Single axle

20 24.0 25.19 0.56 71127 94.1 x 103 0.76

18 21.6 22.98 0.51 177820 4.85 x 103 0.37

16 19.2 20.73 0.46 569023 14.33 x 104 0.04

14 16.8 18.45 0.41 128030 Infinity  0.00

Tandem axle

36 43.2 20.07 0.45 35560 62.8x 106 0.0006

32 38.4 18.4 0.40 35560 Infinity  0.00

Cumulative fatigue life consumed 1.1705 > 1

Design of Rigid Pavements (contd)

Relation between fatigue life (N) and Stress ratio (SR)N = unlimited for SR, 0.45N= [4.2577/ (SR ‐0.4325)]1.324 0.45≤SR≥0.55Log10 N = (0.9718 – SR) / 0.0.828 for SR > 0.55

Since CFD fro thickness of 32 cm>1, increase thickness

Take next trial thickness = 33cm 

Repeat the steps from 4

Cumulative fatigue life consumed for thickness of 33 cm = 0.47 

Highest stress load stress for thickness of 33 cm = 24.10 kg/ cm2

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Design of Rigid Pavements (contd)

Temperature Warping stress 

For  E=  3  x  105 kg/cm2, α = 10  x  10‐6  /⁰C,  t=  21⁰ [slab thickness 33 cm  in Karnataka state], K= kg/cm3, L= 4.5m,], Temperature Warping stress = 17.3 kg/ cm2

Total of  temperature warping  stress and  the highest axle load stress = 17.3 + 24.1 = 41.4 kg/ cm2 < 45 kg/ cm2