Civilingeniør, Lic.Techn. Christian Busch COWI A/S chb@cowi.dk Civilingeniør, Ph.D. Gregers Hildebrand Vejdirektoratet, Vejteknisk Institut ghb@vd.dk Den danske vejsektor har fået et nyt værktøj til dimensionering af nye befæstelser forstærkningsbelægninger, 7.30.01. Siden starten af august 2005 har man på www.vejsektoren.dk kunnet hente vejreglernes Hæfte 3.3, Dimensionering af befæstelser og forstærkningsbelægninger, samt dimensioneringsprogrammet MMOPP og den tilhørende brugervejledning. Dette kompleks afløser de to gamle vejregler 7.10.03 og 7.30.01, der har været i kraft uændret siden 1984 hhv. 1979. Det nye system er forberedt for løbende opdateringer, i takt med at arbejdet i Vejregel Arbejdsgruppe P.21, der står for en løbende tilpasning og udvikling af dimensioneringsmetoder. For at sikre en kontinuitet i anlæg og vedligehold af belægninger i Danmark er den nye vejregel i vid udstrækning kalibreret til, som standard at give de samle resultater som de vejregler, den afløser. Artiklen belyser nogle af de variationsmuligheder, der gør det muligt for brugeren i højere grad at tilpasse dimensioneringen til specifikke forhold og behov. Disse variationsmuligheder er ydermere indbygget på en sådan måde, at løsningerne findes hurtigere, og deres konsekvenser umiddelbart kan anskueliggøres. Forskellighed og kontinuitet Når man giver sig i kast med den nye vejregel eller MMOPP programmet, finder man hurtigt ud af at mange ting tilsyneladende har ændret sig: der er ikke de sædvanlige 4 simple trafikklasser fra 0- trafik til Tung trafik, og heller der er ingen tabel eller formel for trafikstigning, hvis man vil basere sin dimensionering på faktiske tællinger og prognoser. Til gengæld giver det nye system væsentlig mere hjælp, når de basale forudsætninger skal fastlægges. I nedenstående tabel er søgt sammenfattet hvorledes sammenhængen er mellem begreber i de gamle vejregler og den nye vejregel + MMOPP programmet. Trafik Trafikstigning Æ10 aksler pr. lastbil Tabel 1 Gamle Vejregler Ny Vejregel + MMOPP 0-trafik, Let trafik, Middel trafik, Tung trafik Tabel for 10, 15 og 20 år, stigningstakt 1 % til 5 % 0,5 Æ10 aksel pr. lastbil over 6 ton totalvægt Parallelle begreber, trafik 8 trafikklasser, benævnt T0 til T7 Formel i vejregel, automatisk beregning i MMOPP programmet Varierende, fra 0,5 for T1 til 0,8 for T8 Bemærkninger Trafikklasse 0 dækker alene stier i parker uden lastbiltrafik. Opdelingerne mellem de øvrige klasser er blandt andet baseret på retningslinierne for anvendelse af forskellige materialetyper i vejreglen for varmblandet asfalt. Eksponentiel stigning, dvs. samme procent af forrige års trafik - konstant stigningstakt, samme tilvækst af Æ10 pr. år kræver tilpasning, beskrevet i vejreglen. Afspejler det forhold, at der er flere tunge lastbiler på stærkt trafikerede veje. Også mere detaljerede angivelser til brug ved fastlæggelse af Æ10 belastning ud fra tællinger. C:\TEMP\CHB0001084 Vejforum 2005 Vejregel.DOC
Underbund Frostsikkert, Frosttvivlsomt og Frostfarligt Frostsikkert~100 Frosttvivlsomt~40 og Frostfarligt~20 Præcisering af, hvad der som hovedregel bør anvendes, når der ikke foreligger jordbundsundersøgelser. Ubundne materialer Bundne materialer excl. asfalt Asfalt Forstærkning Bundsikring, Stabilgrus, Singelsmacadam, Skærvemacadam Beton, Cementbundet Grus, Cementbundet Sand Gamle typer, OB, PA, AB, GAB Dimensioneres vha. diagrammetoden, alene check for ubundne lag, eksisterende asfalt indregnes som SG Forskellige genbrugsmaterialer (beton, asfalt, tegl) er tilføjet Beton~35.000 og Cementstabiliseret Grus~17.000 Stort set alle aktuelle typer er dækket ind, også semifleksible asfalt/cement slidlag (Confalt, Densiphalt) Der dimensioneres for alle lag, eksisterende asfalt indregnes med aktuel E- modul. For alle ubundne materialer (også underbund) gælder, at der skal anvendes 25 % fraktiler ved dimensionering, dvs. 75 % af målte værdier er højere end dimensioneringsværdien. E-moduler for CG er initialværdier, laget dimensioneres p.t. ud fra et svensk kriterium.. E-moduler principielt som i gamle vejregler. Der er beskrevet hastighedsafhængig justering af asfalt E-moduler (krybespor, opmarchfelter). I MMOPP programmet foregår denne justering automatisk. Det præciseres i vejreglen at der anvendes 25 % fraktiler. Asfalt E-modul skal korrigeres til standard dimensioneringstemperatur vha. formel i vejregel Tabel 2 Parallelle begreber, materialer og metode Sammenligning af dimensioneringer Hvis man anvender MMOPP programmet på de gamle vejreglers standard trafikklasser fås næsten eksakt samme opbygninger, på trods af at der er sket en ændring af beregningernes belastning fra det nemt håndterlige enkelthjul til de mere realistiske tvillinghjul. En beregning for tung trafik, der svarer til 1000 lastbiler på vejen pr. døgn giver tykkelser, som angivet nedenfor, hvor der samtidig er beregnet belægningsopbygning i en svingbane, hvor kørselshastigheden er nedsat, og asfaltens E-modul derfor lavere. For den normale befæstelse efter MMOPP-programmet er endvidere illustreret den mulighed, programmet giver brugeren for at tilpasse lagtykkelserne til praktiske udførelsesforhold. I nogle tilfælde vil den strengt teoretiske dimensionering føre til lagtykkelser, der ikke er hensigtsmæssige at udføre i praksis. Stabilgruslag over 200 mm s tykkelse kunne være et sådant tilfælde. MMOPP-programmet har en indbygget regnemaskine, der på enkel vis gør det muligt for brugeren at justere tykkelserne af belægningens lag, og samtidig sikre at levetidskravene overholdes. Hvis man for eksempel ønsker en største SG-tykkelse på 200 mm, skal asfalttykkelsen forøges en smule de justerede tykkelser er angivet i parentes.
Gammel Vejregel Ny Vejregel, MMOPP Hastighed Normal Normal Svingbane 10 km/h AB B100 35 mm AB B70/100 35 mm 35 mm GABI B60 110 mm GAB I B40/60 108 mm (113 mm) SG II 220 mm SG II 220 mm (200 mm) 149 mm 190 mm Tabel 3 Typiske belægninger efter gammel og ny vejregel Dimensionering med variabel sikkerhed En af den nye vejregels stærkeste sider og måske også den mest indsigtsgivende er, at det ved simulationsberegninger viser brugeren, hvilke nedbrydningsfænomener, der er bestemmende for den aktuelle konstruktions levetid. Dette opgøres ved at der i programmet beregnes en række parametre, der hver kan relateres til observerbare forhold på vejen: Jævnhed, målt i IRI, tilladelig værdi 4 m/km Sporkøring, målt i mm, tilladelig værdi 10 mm Gennemsnitlig asfalt E-modul i forhold til udgangsværdi, 67 % svarer til at der kan observeres revner i kørespor Mindste asfalt E-modul i forhold til udgangsværdi, 33 % svarer til at der kan observeres slaghuller MMOPP programmet er ud fra generelle erfaringer med aktuelle levetider for danske befæstelser kalibreret således at der med ca. 85 % sandsynlighed opnås en levetid på 15 år for en befæstelse dimensioneret til 10 års trafik, belægningen kan herved betegnes som værende dimensioneret med en pålidelighed på 85 %. Denne mulighed for at vurdere nedbrydning, og ved en optimeringsfunktion at fastlægge den anlægsteknisk billigste løsning, der tilfredsstiller brugerdefinerede krav til levetider, gør det muligt at vælge mere sikre løsninger til vejstrækninger, der har stor betydning for trafikkens afvikling, og modsat, realisere besparelser på anlæg af mindre betydende strækninger. Dette forhold er illustreret i nedenstående tabel.
Lav Sikkerhed 50 % pålidelighed Standard MMOPP, 85 % pålidelighed Bærelagstykkelser Høj Sikkerhed, 95 % pålidelighed Asfalt 128 mm 143 mm 158 mm Stabilgrus 210 mm 220 mm 230 mm Levetider Middel Spredning Middel Spredning Middel Spredning IRI 15,5 2,5 16,8 2,3 20,9 3,3 Spor 16,9 1,6 19,0 2,3 22,9 3,1 Revner 28,6 10,3 32,5 9,8 38,1 4,1 Slaghuller 21,2 10,2 27,6 10,9 34,7 7,3 Tabel 4 Dimensionering med variabel sikkerhed Forstærkning Dimensionering af forstærkningsbelægninger foretages i den nuværende udgave af MMOPP alene som analytisk dimensionering, idet der endnu ikke har været gennemført kalibreringer mod aktuelt udførte strækningers nedbrydningsforløb. Som forberedelse til en forstærkningsdimensionering opdeles strækningen ved hjælp af egnede statistiske metoder i delstrækninger, der statistisk set kan betragtes som ensartede med hensyn til materialer, lagtykkelser, nedbrydningstilstand m.v.. Inddata til dimensioneringen er: trafik, beregnet efter samme metodik som for nye belægninger data for den eksisterende belægning, hvor der anvendes gennemsnitlige lagtykkelser og 75 % fraktiler for lagenes E-moduler (dvs. at 75 % af E-modulerne er højere end de indtastede værdier). forstærkningslagets E-modul (typisk 2000 eller 3000 afhængigt af om der anvendes bitumen 70/100 eller 40/60 som bindemiddel) E-modul data vil typisk komme fra faldlodsforsøg. For asfaltlaget bør de regningsmæssigt korrigeres til referencetemperaturen på 20 C inden beregning af 75 % fraktilen. Mange faldlodsprogrammer kan udføre denne korrektion automatisk, ellers kan anvendes en omregning efter nedenstående formel, hvor t er asfalttemperaturen i C: E(20 C) = E(t) [1 2 log 10 (20 C/t)]
Selve dimensioneringen foretages ved at programmet justerer forstærkningslagets tykkelse indtil lineærelastiske beregninger viser at spændingskriterierne på oversiden af de ubundne lag samt underbund, samt tøjningskriteriet i undersiden af det eksisterende asfaltlag alle er overholdt. Nedenstående eksempel viser fremgangsmåden. Belægningen ønskes forstærket, således at den kan bære en trafikmængde på 120.000 Æ10 aksler i 15 år: Tykkelse E-modul () (mm) Middel Spredning 75 % fraktil Asfalt 134 2383 758 1872 Stabilgrus 220 300 62 258 Bundsikring 340 94 15 84 Underbund 44 12 36 Tabel 5 Inddata til forstærkningsberegning Da der er tale om en relativt høj trafikintensitet, forudsættes det at der skal anvendes 40/60 bitumen i forstærkningslaget. Der anvendes derfor en E-modul på 3000, og programmet finder herefter en nødvendig forstærkningstykkelse på 61 mm. Status og fremtidig udvikling Med offentliggørelsen har brugerne i vejbygningssektoren fået et værktøj, der kan lette og forbedre det daglige arbejde: EDB programmeringen af dimensioneringsprocessen gør det muligt at vurdere flere alternativer hurtigere Der er skabt fuld sammenhæng mellem principperne for dimensionering af nye befæstelser og forstærkningsbelægninger. Det bliver anskueliggjort, hvorledes de forskellige nedbrydningsprocesser påvirkes af materialevalget og lagtykkelserne Det bliver muligt at udføre belægningsdimensioneringer, der er tilpasset det aktuelle projekts betydning i trafiknettet. Vejreglen vil fortsat være genstand for bearbejdning, således at de nyeste forskningsresultater og metoder kan nyttiggøres. Udviklingsarbejdet i de kommende år vil bl.a. sigte på at indføre: Dimensioneringskriterier og simulationsberegninger for cementbundne bærelag, baseret på de nyeste forskningsresultater samt erfaringer fra for eksempel Høgild-demonstrationsstrækningen ved Herning Mere realistiske beregninger af tøbrudseffekten, hvor blandt andet de enkelte lags dybde ynder belægningsoverfladen tages i betragtning