Mechanistic-empirical design of rigid pavements and concrete overlays : Extension and improvement of the existing approaches and methods

Abstract

Die Bemessung von konventionellen starren Fahrbahnkonstruktionen in Österreich basiert derzeit aufStandardstraßenaufbauten, die in Abhängigkeit von verkehrsbezogenen Parameter ausgewählt werdenund in einem Bemessungskatalog angegeben sind. Dieser Ansatz erlaubt nicht die Berücksichtigung vongenauen Materialeigenschaften, detaillierten Verkehrsbelastungsinformationen, lokalen Klimabedingungenund anderen Randbedingungen. Um diese Nachteile abzulegen wurde eine verbesserte, mechanistischempirischeBemessungsmethode für Betonstraßen eingeführt. Aufgrund der Notwendigkeit alternativerErhaltungsmaßnahmen für das österreichische Landesstraßennetz wurde im Rahmen dieser Arbeit einBemessungsverfahren für Fahrbahnverstärkungen aus Beton entwickelt. Die vorliegende Arbeit bestehtaus (i) einer umfassenden Einleitung und (ii) vier Publikationen, die sich mit der genaueren Charakterisierungwesentlicher Eingangsparameter, deren Implementierung in das Bemessungsverfahren und derenAuswirkung auf das Bemessungsergebnis befassen.Die erste Publikation untersucht den Einfluss klimatischer Temperaturschwankungen auf die Bemessungvon Betonstraßen. Für die Abschätzung relevanter Wölbspannungen wurden repräsentativeTemperaturgradienten abgeleitet. Diese Temperaturgradienten wurden mit Hilfe Temmperaturdaten vonMessstationen, die über das österreichische Autobahnnetz aus Beton verteilt sind und einem Temperaturvorhersagemodellermittelt. Dieses Modell basiert auf dem Differenzenverfahren, wurde in einer Python-Software implementiert und anhand gemessener Temperaturprofildaten validiert. Zusätzlich wurde dieAuswirkung dieser Temperaturgradienten auf die Lebensdauer einer typischen Fahrbahnkonstruktion mitHilfe der verbesserten Bemessungsmethode für Betonstraßen demonstriert.In der zweiten Publikation wird das Fahrbahnverhalten unter dynamisch erhöhten Radlasten untersucht,indem Ansätze zur Modellierung von Achsaggregaten, zur Simulation der dynamischen Radlastenaufgrund von Längsunebenheiten sowie zur Ermittlung der Lebensdauer des Straßenaufbaus kombiniertwerden. Des Weiteren wurden mit Hilfe der verbesserten und für den Zweck dieser Studie adaptiertenmechanistisch-empirischen Bemessungsmethode für Betonstraßen die Schädigung und die Lebensdauervon Betonaufbauten unter dynamischen Radlasten berechnet. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Korrelationzwischen dem bewerteten Längsprofil WLP (Indikator für Längsunebenheiten) und der theoretischenLebensdauer von starren Aufbauten. Basierend auf dieser Korrelation wurde ein Bewertungshintergrundfür Längsunebenheiten vorgestellt, der die Klassifizierung von Straßenabschnitten abhängig vongemessenen Unebenheiten (ausgewertet mit WLP) in fünf Klassen ermöglicht.Die dritte Publikation widmet sich einer umfassenden Analyse der Verbundeigenschaften zwischenneuen Betondecke und bestehenden Asphaltschichten bei Fahrbahnverstärkungen aus Beton. Zu diesemZweck wurden temperaturabhängige, experimentelle Daten generiert, die das Verbundverhalten in normalerund tangentialer Richtung beschreiben und in 3D-Finite-Elemente-(FE)-Modelle zur Berechnungder Spannungen im Oberbau einbezogen wurden. Zudem wurde anhand einer kommerziellen FE-Softwaredie Auswirkung von verschiedenen Modellierungsansätzen für den Verbund ("Vollverbundmodell", "Reibungsmodell"und "Kohäsivzonenmodell") auf die resultierende Bemessungslebensdauer untersucht. Einerder wichtigsten Erkenntnisse aus dieser Studie ist, dass die Verwendung von temperaturabhängigen,empirischen Daten zur Beschreibung des Verbundverhaltens und der Steifigkeit der vorhandenen Asphaltschichtzu realistischeren Bemessungsergebnissen führt.In der letzten Publikation wurde eine neue Bemessungsmethode für Fahrbahnverstärkungen aus Beton(Whitetopping) vorgestellt. Neben der Implementierung des temperaturabhängigen Elastizitätsmodulsdes Asphalts und der Verbundeigenschaften berücksichtigt dieser Bemessungsansatz den vorhandenenStraßenzustand (ausgedrückt durch die Resttragfähigkeit), verschiedene Fugenabstände, temperaturabhängigeMaterialeigenschaften, klimatische Bedingungen und Verkehrslasten. Die Berücksichtigung alldieser Eingangsparameter führt zu einer realistischeren Bestimmung der Schichtdicke und der Nutzungsdauer.Darüber hinaus wurde ein Bemessungskatalog abgeleitet, der auf den Ergebnissen einer Reihe von Oberbaustrukturanalysen mit unterschiedlichen Parametern basiert. Für einen gegebenen, erwartetenBemessungsnormlastwechsel, Dicke der bestehenden Asphaltschicht und deren Resttragfähigkeit ist esmöglich, die erforderliche Schichtstärke der Betonplatte zu bestimmen.

The design of conventional rigid pavements in Austria is currently based on standard road structures,which are chosen depending on traffic-related parameters. This approach does not allow the considerationof precise material characteristics, detailed traffic load information, local climate conditions, and otherboundary conditions. To overcome these limitations an improved mechanistic-empirical pavement designmethod for rigid pavements (MEPDR) has been introduced. Furthermore, due to the need for alternativestructural maintenance measures to be applied to the regional road network, a design procedure for bondedwhitetopping overlays for the Austrian regional network has been developed within the framework of thiswork. This thesis consists of (i) an comprehensive introduction and (ii) four publications addressing theproper characterisation of significant input parameters, their implementation in the design procedure andtheir effect on the design result.The first publication investigates the effect of climatic temperature variation in the design of rigidpavements. Representative temperature gradients for the estimation of relevant curling stresses have beenestablished using actual weather data from measuring stations distributed over the Austrian highwayrigid pavement network and a temperature prediction model. This model is based on the finite differencemethod, was implemented in a Python software and validated using measured temperature profile data.Additionally, the effect of these temperature gradients on the design life of a typical pavement structurewas demonstrated using the MEPDR.The second publication studies the pavement performance under dynamically increased wheel loadsby combining approaches about the modelling of axle assemblies, the simulation of the dynamic wheelloads due to longitudinal unevenness as well as the estimation of pavement service life. Furthermore, usinga recently introduced and for the purpose of this study adopted MEPDR the distress and service life ofrigid pavements under dynamic wheel loads were estimated. The results show a high correlation betweenthe assessed Weighted Longitudinal Profile (WLP) (as an indicator for longitudinal unevenness) and thetheoretical service life of rigid pavements. Based on that correlation, a rating scheme for longitudinalunevenness is introduced. It allows the classification of the unevenness of roads in a five-grade systemdepending on the WLP and the definition of limiting values for the longitudinal unevenness.The third publication is devoted to an extensive analysis of the interface bonding conditions betweena concrete overlay and the existing hot mix asphalt layer (HMA). Therefore, temperature-dependent experimentaldata was generated, that describes the bond behaviour in normal and tangential direction andinvolved in 3D finite element (FE) models for the evaluation of the pavement response. Further, the effectof applying different interface modelling approaches (full bonding model, friction model and the cohesivezone model (CZM)) in a commercial FE-software on the resulting design life has been demonstrated.One of the most significant findings to emerge from this study is that the implementation of temperaturedependentempirical data to describe the interface bonding conditions and the stiffness of the existingHMA layer lead to more realistic design results.The new performance-based design method for bonded concrete overlays of existing asphalt pavementsis presented in the last publication. Beside the implementation of temperature-dependent elasticmodulus of the HMA and interface bonding properties, this design approach considers the existing roadcondition expressed by the residual bearing capacity, different joint spacings, temperature-dependent materialproperties, climatic conditions and traffic loads. The implementation of all these input parameterslead to a more realistic determination of the overlay thickness and the design life. Further, a designcatalogue was derived based on the results from a number of pavement structure analysis with varyingparameters. For a given expected number of heavy goods vehicles (HGV) passes, the thickness of theexisting HMA and its residual bearing capacity it is possible to determine the required concrete overlaythickness.