MMOPP: Sådan kan man også dimensionere vejbefæstelser

Transkript

1 MMOPP: Sådan kan man også dimensionere vejbefæstelser Af Civilingeniør, ph.d. Gregers Hildebrand, Vejdirektoratet, Vejteknisk Institut Civilingeniør, ph.d. Christian Busch, COWI A/S Civilingeniør Søren Gleerup, Gleerup RCI Diplomingeniør Claus Thorup, Colas Danmark A/S Vejreglen for dimensionering af vejbefæstelser og beregningsprogammet MMOPP (Mathematical Modeling Of Pavement Performance) har nu været i funktion som officiel vejregel i knapt 5 år. Vejregel og program er løbende blevet udviklet og kan nu håndtere langt de fleste situationer i moderne belægningsdesign. Artiklen beskriver de seneste tiltag, som omfatter dimensionering med belægninger af cementstabiliseret grus og specielle (plads-)belægninger. Endvidere vurderes vejlægningers levetid som funktion af dels asfaltlags udlægningstolerancer samt forventede klimatiske forhold. Baggrund MMOPP og dimensioneringsvejreglen har nu været i funktion som officiel vejregel i knapt 5 år. Forud for dette var programmet tilgængeligt for den danske vejsektor i 3-5 år med henblik på erfaringsopsamling inden egentlig ophøjelse til vejregel. Selve MMOPP og dets anvendelse i praksis blev præsenteret på Vejforum i 2005 (ref. 1). Nu har programmet vundet generel udbredelse, og der er indhøstet værdifulde erfaringer fra brugerne. Dette er sket gennem en række gå-hjem møder og kurser, hvorfra forbedringsforslag er blevet indhentet og i stort omfang indbygget i MMOPP. MMOPP kan i dag benyttes til at dimensionere alle gængse danske vejopbygninger og programmet opdateres løbende med nye belægningstyper. I 2010 vil det således blive muligt også at kunne foretage dimensionering af belægninger af cementstabiliseret grus (CG) ved avanceret simulation af vejens nedbrydningsforløb, og forstærkningsbelægningers levetid vil også snart kunne simuleres. Primo 2010 vil der blive præsenteret et inspirationskatalog, som hjælper brugerne til at dimensionere befæstelser til specielle, men relevante områder som buslommer, P-pladser, overkørsler mv. MMOPP har i 2009 været anvendt til at analysere betydningen af udlægningstolerancer i anlægsfasen for levetiden af vejbefæstelser. Ligeledes anvendte vi programmet til at vurdere forventede konsekvenser for vejbefæstelsernes levetid som følge af ændrede klimaforhold og deraf følgende ændrede forhold for specielt ubundne vejmaterialer. 1

2 Dimensionering af CG-belægninger Tendenser i belægningsvalg De senere år har set en udvikling i konstruktion af nye stærkt trafikerede belægninger væk fra den traditionelle fleksible type med et ubundet bærelag af stabilt grus. I enkelte tilfælde har lokal tilgang til højkvalitets klippematerialer ført til genoplivning af den traditionelle belægning med et bærelag af skærvemakadam. I de fleste tilfælde dikterer knapheden på gode grusressourcer dog snarere en overgang til belægninger med hydraulisk bundne bærelag. Denne belægningstype er blevet et realistisk alternativ som resultat af det fælles udviklingsprojekt med fuldskala testning af seks forsøgsbelægninger, der i 2003 blev udført af Vejdirektoratet, COWI og NCC (ref. 2). Projektet fastlagde et kompleks af dimensioneringskriterier, der dækker både sand- og grusbaserede stabiliserede bærelag. Kriterierne er indbygget i MMOPP, hvor de kan anvendes til analytisk dimensionering af stabiliserede belægningstyper med samme pålidelighed (sikkerhed) som gælder for traditionelle fleksible belægninger. Behov for differentieret dimensionering En af MMOPP-programmets store fordele er, at det kan vurdere pålideligheden af en given, fleksibel belægningsopbygning ved en stokastisk simulationsproces. Denne facilitet giver brugeren mulighed for at fastlægge en opbygning, der giver den fornødne sikkerhed for en problemfri funktion igennem den betragtede driftsperiode. Således kan det vælges at udføre strækninger, der er kritiske i vejnettets funktion med en højere sikkerhed end de afsnit, hvor omvejskørsel eller forsinkelser er acceptabelt under renoveringsprojekter. Denne facilitet i MMOPP er, som ovenfor nævnt, kun implementeret for fleksible belægningstyper. For at kunne udføre ligeværdige drifts- og anlægsmæssige sammenligninger må metoden udvides til også at omfatte belægningerne med hydraulisk bundne bærelag, og 2003-projektet udviklede da også de nødvendige nedbrydningsmodeller. Hydraulisk bundne bærelag som asfalt Vejregelarbejdsgruppe P.21 arbejder nu med at modellere det cementbundne bærelag som et asfaltmateriale. Dette burde ikke være nogen umulig opgave, hvad nedenstående sæt grafer (Figur 1), hver skabt med to konstanter og en eksponent vidner om. At sagerne ikke er helt så simple, fremgår af det forhold, at det i MMOPP så bliver nedbrydningsfunktionen for det cementbundne bærelag, der vil blive overstyrende for det samlede bundne bærelag, samt at cementbundne materialer ikke har nær de samme temperaturbestemte bæreevnevariationer som asfaltmaterialer. Med disse forhold taget i betragtning er der rigeligt med udfordringer i at indføre simulation af cementbundne bærelagsmaterialers nedbrydning i MMOPP-programmet. 2

3 Typiske nedbrydningsforløb for bærelag E modul (MPa) År Hydraulisk bundet Figur 1. Nedbrydningsforløb for asfaltbelægning henholdsvis CG-lag. Dimensionering af forstærkningsbelægninger ved simulation Det andet væsentlige dimensioneringsområde, hvor simulation endnu ikke er indført, er i forstærkningsberegningen. Her er MMOPP til gengæld næsten køreklart, idet det principielt kan udføre simulation med et forstærkningslag lagt oven på en regningsmæssigt delvis nedbrudt befæstelse. Her er det springende punkt problemet med at få fastlagt en sammenhæng mellem de i marken målte nedbrydningsfænomener (jævnhed, sporkøring, reduceret asfalt-bæreevne) og de tilsvarende værdier for en befæstelse, hvor MMOPP-programmet har simuleret et nedbrydningsforløb. Det er nemlig ikke tilstrækkeligt blot at generere en ny befæstelse med den delvist nedbrudte befæstelses karakteristiske gennemsnitlige bæreevne- og jævnheds/ sporkøringsværdier, da den "gamle" del af asfaltlaget så ville starte på den "flade", venstre del af nedbrydningskurven (se ovenfor), hvor det i virkeligheden befinder sig længere til højre, hvor nedbrydningstakten er større, og spredningen på E-modulen også er højere. MMOPP-programmet kan, som sagt, udføre simulation også på belægninger, der efter en nedbrydningsberegning har fået et forstærkningslag. Vejregelarbejdsgruppe P.21 vil i 2010 arbejde med dels at tilvejebringe den nødvendige sammenhæng mellem målte nedbrydningskarakteristika og simulerede værdier, samt kalibrere den påfølgende nedbrydningssimulation, således at den giver et troværdigt billede af de forhold, der faktisk gør sig gældende. 3

4 Specielle belægninger En lille niche i dimensioneringsvejreglen er "Specielle belægninger", eller måske snarere specielle anvendelser af belægninger. Det handler om de arealer, hvor vi dimensionerer, som vi plejer, men hvor vi også foretager diverse overvejelser baseret på mere eller mindre eksakt grundlag. Det er eksempelvis busholdepladser, fartbump, p-pladser (også dem hvor der stilles sættevogn) og terminaler ved fragtcentraler. Disse steder er belastningerne langt fra det normale, idet man her i højere grad end på det øvrige vejnet støder på kanaliseret trafik, statisk last fra støtteben på sættevogne, ekstreme kræfter fra opbremsninger, og vridende påvirkninger når lastbilen drejer skarpt foran terminalen mv. Disse påvirkninger kan vi kun dårligt tage højde for i MMOPP, og derfor er det valgt at lave et stort erfaringskatalog med såvel gode som dårlige løsninger på ovennævnte problemer. Arbejdet starter netop nu med en større indsamling af erfaringsdata via en spørgeskemaundersøgelse. Spørgeskemaet findes online under vejsektoren.dk, og vil løbe indtil nytår. Et udsnit fra spørgeskemaet ses i Figur 2. Alle med erfaringer (både gode og dårlige) bør gå ind og bidrage med deres viden, da vi på denne måde kan opbygge et stort erfaringsgrundlag til nytte for os alle, når vi er ude i disse specielle områder - jo flere der deltagere jo bedre resultat. Resultaterne fra undersøgelsen vil blive bearbejdet af en ad-hoc gruppe under vejregelarbejdsgruppe P.21. I løbet af 2010 vil 1. udgave af kataloget bliver færdiggjort og sendt direkte til alle der bidrager med deres erfaringer. Andre vil kunne finde det på vejregler.dk. 4

5 Figur 2. Spørgeskema vedrørende specielle belægninger. 5

6 Udførelsestolerancers indflydelse på levetiden Dimensioneringsvejreglen siger meget klart, at der skal tages hensyn til udførelsestolerancer: Ved det endelige valg af tykkelser skal der også tages hensyn til arbejdets praktiske gennemførelse. Ved design i MMOPP bør den valgte befæstelse undersøges for variationer i lagtykkelsen som følge af tilladte udførelsestolerancer. Vejreglernes udførelsestolerancer kan ses i Tabel 1. Kravet til asfaltbelægninger er dog lidt mere komplekst end angivet i Tabel 1, da asfaltbelægninger typisk leveres i kg/m 2, og de tilladelige afvigelser er angivet som gennemsnit i kontrolafsnit. Men til dette formål regnes med tolerancerne fra Tabel 1. Tabel 1. Tilladte tolerancer i koter gældende ved udførelse. Overflade SG/CG BL Råjord Tolerance ± 4 mm ± 10 mm ± 20 mm ± 40 mm Afhængigt af belægningsvalget bør der indbygges ekstra lagtykkelse, som tager højde for udførelsestolerancerne. Ved sammenligning af to belægningsopbygninger, som vist i Figur 3, vil udførelsestolerancerne have forskellig indflydelse på levetiden på grund af forskellen i materialevalg. De to motorvejsopbygninger i Figur 3 er designet med samme forudsætninger (trafikbelastning og dimensioneringsperiode 20 år). I Figur 4 ses hvilken indflydelse udførelsesafvigelser har på levetiden af de to opbygninger og CG Overbygning [mm] BL SG CG MPa Råjord Figur 3. To forskellige overbygningstyper, dimensioneret i MMOPP med samme trafikbelastning og dimensioneringsperiode. er en 3-lags asfaltopbygning. og CG er 2 lag asfalt med CG som bærelag. 6

7 Design Levetider Designlevetid [år] Afvigelser i bundet bærelag [mm] +CG Figur 4. Opbygninger fra Figur 3. Afvigelser i de bundne bærelag og indflydelse på levetiden. Som udgangspunkt er der dimensioneret for 20 år. Figur 4 viser, at såfremt man udlægger 20 mm mindre asfalt end forudsat i dimensioneringen, så falder levetiden med cirka 5 år for asfaltbelægningen og med cirka 10 år for asfalt+cg-belægningen. Figur 4 viser også, at en opbygning med CG er væsentligt mere følsom overfor variationer i udførelsen end opbygninger med asfalt. Hvis vi undersøger det værst tænkelige scenarie, kan vi se hvor stor indflydelse udførelsestolerancerne har på levetiden. Eksemplerne i Tabel 2 og 3 (med tilhørende illustrationer i Figur 5 og 6) belyser det værste tilfælde for de to opbygninger i Figur 3, idet vi ønsker at undgå svigt i konstruktionen. Tabellerne viser hvad der sker med levetiden for hver af de to opbygninger. Det værst tænkelige scenarie vil i praksis kunne opstå partielt i en vejbelægning. Tabel 2. Det værste tilfælde af udførelsestolerancer for opbygningen i Figur 3. opbygning Værste kombination Indflydelse på levetid -14 mm SG -10 mm BL - 20 mm -7,4 år Råjord + 40 mm 7

8 Figur 5. Udførelsestolerancers betydning i opbygningen i Figur 3. Tabel 3. Det værste tilfælde af udførelsestolerancer for opbygningen og CG fra Figur 3. +CG regnes i MMOPP som et lag. og CG opbygning Værste kombination Indflydelse på levetid +CG -24 mm BL -20 mm -14,7 år Råjord + 40 mm Figur 6. Udførelsestolerancers betydning i opbygningen og CG i Figur 3. Hvor stor ekstra lagtykkelse skal der indregnes for at kompensere for de værste kombinationer af udførelsestolerancer? For at sikre designlevetid på mindst 20 år for opbygningerne vist i Figur 3, skal 8

9 der udlægges ekstra 25 mm asfalt ved asfaltopbygningen og ekstra 30 mm CG ved asfalt+cg opbygningen. Vejreglen foreskriver ikke, hvor stor en ekstra sikkerhedstykkelse skal være. Det er altså op til bygherren at vurdere, hvor stor sikkerhedstykkelse som skal indbygges. Belægningsdimensioneringer i MMOPP bør altid kontrolleres for, hvor følsom konstruktionen er overfor afvigelser i lagtykkelser for at vurdere risikoen for svigt. Klimaændringers betydning for vejbefæstelsers levetid Vejregelarbejdsgruppe P.21 har anvendt MMOPP til at vurdere følsomheden af de beregnede levetider i MMOPP over for variationer i de sæsonbestemte E-modul variationer. Baggrunden for analyserne er, at der med de venteligt mildere vintre, ikke kan forventes så store forøgelser af stivheden i de nedre befæstelseslag, som det er forudsat i de svenske (skånske) standarder, der findes i MMOPP. Endelig kan der med de forventede grundvandsstigninger forudses højere vandindhold, og dermed reduceret bæreevne for bundsikringslaget og eventuelt et ubundet bærelag. Det findes, at der ved en halvering af stigningen i E-moduler for bundsikringslag og underbund kun sker insignifikante ændringer i levetider, mens en fuldstændig eliminering af de frysningsbestemte E- modulstigninger, højst sker ændringer (fald) i levetiderne på ca. 10 %, størst for tynde belægninger med svag underbund. En halvering af bundsikringslagets bæreevne i ikke-frossen tilstand fører til reduktion af levetiderne på ca. 20 %, og en samtidig reduktion af det ubundne bærelags bæreevne reducerer levetiderne med op til 60 %. Analyserne foretages på grundlag af belægninger i trafikklasserne T3, T5 og T7. Der er dimensioneret befæstelser for både frosttvivlsom og frostfarlig underbund (Em på 40 MPa hhv. 20 MPa) under landforhold" (ingen kantsten eller rørlagt afløb). Dimensioneringsperioden er 20 år. Tabel 4. Befæstelser anvendt til vurdering af konsekvenser af klimaændringer. Trafikklasse T3 T5 T7 (mm) Stabilt grus (mm) Bundsikring (mm) Underbund (MPa) Der er foretaget simulation af nedbrydningsforløb for de ovenstående belægninger (20 simulationer, 40 års simulationsperiode). Der er foretaget simulationer for situationer som angivet nedenfor. 9

10 Tabel 5. Klimascenarier undersøgt med MMOPP. Betegnelse Detaljer Basis MMOPP s nuværende klimaparametre, BL og UB har E- modulstigningsfaktorer på 10 hhv. 20 i Vinter og Vinter Tø perioderne. BL har reduktionsfaktorer på 0,7 hhv. 0,85 i Tøbrud og Senvår perioderne Halveret Frysningsforøgelse BL og UB har E-modulstigningsfaktorer på 5 hhv. 10 i Vinter og BL/UB Vinter Tø perioderne Ingen Frysningsforøgelse BL og UB har E-modulstigningsfaktorer på 1 i Vinter og Vinter Tø BL/UB perioderne Halveret Frysningsforøgelse UB har E-modulstigningsfaktorer på 10 i Vinter og Vinter Tø UB perioderne Ingen Frysningsforøgelse UB har E-modulstigningsfaktorer på 1 i Vinter og Vinter Tø UB perioderne Halveret våd BL bæreevne BL har E-modulfaktorerne 0,35 hhv. 0,425 i Tøbrud og Senvår perioderne Halveret BL bæreevne BL har E-modulfaktorerne 0,35 hhv. 0,425 i Tøbrud og Senvår perioderne og 0,5 i øvrige ikke-frosne perioder Halveret våd SG+BL SG har E-modulfaktorerne i Vinter tø, Tøbrud og Senvår bæreevne perioderne: 0,165, 0,335 hhv. 0,5. BL har i Tøbrud og Senvår perioderne: 0,35 hhv. 0,425 Halveret SG+BL bæreevne SG har E-modulfaktorerne i Vinter tø, Tøbrud og Senvår perioderne: 0,165, 0,335 hhv. 0,5. BL har i Tøbrud og Senvår perioderne: 0,35 hhv. 0,425. Begge har 0,5 i øvrige ikke-frosne perioder Figur 7 viser et eksempel på resultater af beregningerne. Af figuren ses, at det primært er de tre sidste tilfælde i Tabel 5, der giver anledning til betydeligt ændrede levetider. MMOPP kalibrering Middel levetid Sporkøring Procent af basislevetid 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% T3_frostfarlig T3_frosttvivlsom T5_frostfarlig T5_frosttvivlsom T7_frostfarlig T7_frosttvivlsom Figur 7. Resultater af simuleringer i MMOPP med henblik på at vurdere konsekvenser af ændrede klimaforudsætninger. Figuren viser middellevetider baseret på udvikling i sporkøring. 10

11 Den næste opdatering af MMOPP Hensigten med det igangværende arbejde med dimensioneringsvejreglen og MMOPP er, at den næste funktionsmæssige opdatering af MMOPP skal sætte brugeren i stand til at foretage dimensionering ved simulation af både belægninger med cementbundne bærelag, og af asfalt forstærkningslag på både denne belægningstype og traditionelle fleksible belægninger. Denne opdatering påregnes at være klar omkring Vejforum 2010, mens dimensionering af befæstelser på stabiliseret underbund påregnes indført uden væsentlige beregningsmæssige ændringer inden næste anlægssæson. Referencer 1. Busch, Christian, og Gregers Hildebrand, Ny vejregel for Dimensionering af befæstelser og forstærkningsbelægninger, Vejforum Busch, C., Henrichsen, A and Thøgersen, F., Mechanistic Design of Semi-Rigid Pavements - An Incremental Approach, Report No. 138, Danish Road Institute, The Road Directorate, December