Zugspannungen in einer Betonfahrbahnplatte unter zentraler Fallgewichts-Deflektometer-Belastung, als Funktion der thermischen Aufwölbung, und ihre Vorhersage aus dem Oberflächentemperaturverlauf: Feldversuche und Strukturanalyse

Abstract

Straßen sind zahlreichen Belastungszyklen ausgesetzt, wodurch es bei starrer Bauweise zur Betonermüdung kommt. Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Quantifizierung von Zugspannungen in Betonfahrbahnplatten im aufgewölbten Zustand, hervorgerufen durch Fallgewichts-Deflektometer (FWD) Versuche. Der Begriff „Aufwölbung“ bezeichnet dabei die Verformung der Platte aufgrund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung. Zwei Problemstellungen werden mit Hilfe von Versuchen an Feldmessstellen und ingenieurmechanischen Modellen gelöst, wobei Finite Elemente Simulationen auf ein Minimum reduziert werden.Problemstellung 1 bezieht sich auf das Quantifizieren der Zugspannungen in einer Betonfahrbahnplatte auf der Autobahn A10, hervorgerufen durch 19 zentrale FWD Versuche. Die gemessenen Durchbiegungen steigen linear mit wachsender negativer thermischer Eigenverkrümmung der Platte an. Letztere wird aus Temperaturen, die in vier Tiefen während der FWD Versuche gemessen wurden, berechnet. Zum Quantifizieren der Zugspannungen in der Mitte der Plattenunterseite wird das Problem in drei Lastfälle unterteilt: (i) Eigengewicht der aufgewölbten Platte, (ii) thermische Eigenspannungen des Betons und (iii) Aufprall des Fallgewichts. In Lastfall (i) wird ein nichtlineares Kontaktproblem mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen gelöst. Die berechneten Zugspannungen nehmen nichtlinear mit negativer Eigenverkrümmung zu, sind aber nahezu unabhängig vom Bettungsmodul. Der Lastfall (ii) wird analytisch berechnet. Die thermischen Eigenspannungen zeigen eine nicht-triviale hysteretische Korrelation mit der Eigenkrümmung der Platte. Der Lastfall (iii) beschreibt die Lageänderung der Platte zufolge der FWD-Tests. Das zugehörige Strukturmodell bezieht sich auf eine einzelne Platte mit freien Rändern auf einer Winklerbettung, welche durch eine gleichmäßige Bettungsspannung erweitert wird. Der Bettungsmodul und die zusätzliche gleichmäßige Bettungsspannung werden für jeden FWD-Test optimiert, um die gemessenen Durchbiegungen zu reproduzieren. Die Zugspannungen werden analytisch berechnet und nehmen mit negativer Eigenverkrümmung nur mäßig zu.Problemstellung 2 bezieht sich auf die Vorhersage der thermischen Eigenverkrümmung der Platte unter Verwendung ihres Oberflächentemperaturverlaufs als Randbedingung für den eindimensionalen Wärmeeintrag in einen Halbraum. Das Wärmeleitungsproblem wird analytisch gelöst. Das daraus folgende Temperaturprofil ermöglicht die Berechnung der Eigenverkrümmung der Platte. Die Anwendung auf Temperaturdaten einer Feldmessstelle auf der Autobahn A2 zeigt, dass Temperaturmessungen über sieben Tage mit einem 15-minütigen Messintervall für die Vorhersage der Eigenverkrümmung ausreichen.Abschließend wird die Bedeutung der Arbeit für den Autobahnbetrieb und die Bemessung diskutiert. Spannungen infolge einer Bemessungsradlast von 50 kN werden durch lineare Skalierung der Spannungen aus Lastfall (iii) und Überlagerung mit den Spannungen aus den Lastfällen (i) und (ii) erhalten. Eine Überfahrt über eine stark aufgewölbte Platte mit großen thermischen Eigenspannungen weckt Zugspannungen, die bis zu sechsmal größer sind als bei der gleichen Überfahrt im kaum aufgewölbten Zustand ohne nennenswerte thermische Eigenspannungen. Es ist daher empfehlenswert, LKW-Wiegestationen in Zeiten mit starker Zugspannungsbelastung zu betreiben und Schwerlasttransporte in den frühen Morgenstunden durchzuführen, weil dann sowohl die Eigenverkrümmung als auch die Eigenspannungen klein sind. Das thermo-mechanische Modell (Problemstellung 2) ermöglicht dabei die Echtzeitberechnung der Eigenverkrümmung durch Oberflächentemperaturmessungen von Frostspionen.

Pavement structures endure many load cycles, leading to concrete fatigue in rigid pavements, making design challenging. This thesis focuses on quantifying tensile stresses in concrete slabs caused by FWD testing on curled slabs and by traffic running over them, respectively. “Curling” refers to slab curvature due to non-uniform temperature distribution. Two challenges are addressed using real-scale experiments at field testing sites and engineering mechanics modeling with analytical solutions, minimizing Finite Element simulations to the possible minimum.Challenge 1 refers to quantifying tensile stresses experienced by a concrete-over-asphalt pavement on Austria’s highway A10, resulting from 19 central Falling Weight Deflectometry (FWD) tests. Despite identical test execution, measured surface deflections varied. Temperature data from four slab depths during FWD testing are used to quantify the concrete slab’s thermal eigencurvature. This allows for showing a linear increase in deflections with negative eigencurvature. Tensile stresses at the slab’s underside center are quantified by dividing the problem into three load cases: (i) dead load of the curled slab, (ii) thermal eigenstresses of concrete, and (iii) impact of the falling weight. Load case (i) involves a nonlinear contact problem due to slab lift-off, solved using Finite Element simulations for a plate resting on a Winkler foundation. The computed tensile stresses increase nonlinearly with negative eigencurvature, while being practically independent of the modulus of subgrade reaction. Load case (ii) is computed analytically. Thermal eigenstresses show a non-trivial hysteretic correlation with the eigencurvature of the slab. Load case (iii) refers to the slab’s configuration changes resulting from FWD testing. The related structural model refers to a single plate with free edges on a Winkler foundation, extended by uniform subgrade stress. The modulus of subgrade reaction and the additional uniform subgrade stress are optimized for every FWD test, to replicate the measured deflections. Tensile stresses are computed analytically. They increase moderately with negative eigencurvature.Challenge 2 refers to the prediction of the slab’s thermal eigencurvature using the slab’s surface temperature history as boundary condition for one-dimensional heat ingress into a half-space. The heat conduction problem is solved analytically, providing the temperature profile and enabling eigencurvature computation. Application to data from a field testing site on Austria’s highway A2 shows that seven days of temperature history, with measurements every 15 minutes, are sufficient for eigencurvature prediction.Finally, implications for operation of highways and pavement design are discussed. Slab stresses due to a design wheel load of 50 kN are quantified by linear scaling of the stresses from load case (iii) and superposing them with the stresses from load cases (i) and (ii). When a design vehicle travels over a slab with large negative eigencurvature and eigenstresses, the resulting tensile stresses can be up to six times larger than when the vehicle travels over the slab with small eigencurvature and eigenstresses. Thus, it is recommendable to operate truck weighing stations during periods of significant tensile stresses, and to schedule heavy-load transport during the earlier morning when both the eigencurvature of the slab and the eigenstresses of concrete are small. The thermo-mechanical model from Challenge 2 allows for real-time monitoring of the eigencurvature evolution using surface temperature data from ice warning systems. In the future, it will be interesting to combine eigencurvature evolutions with data from traffic monitoring systems, such that realistic tensile stress histories can be determined as exposure conditions for the fatigue assessment of concrete pavement slabs.