Dauerhafte Längsbelastung von StraÃen mit dem Mobile Load ... - KIT
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Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
<strong>Dauerhafte</strong> Längsbelastung<br />
<strong>von</strong> Strassen <strong>mit</strong> <strong>dem</strong><br />
<strong>Mobile</strong> <strong>Load</strong> Simulator<br />
- Erfahrungen aus der Schweiz<br />
<strong>von</strong><br />
Manfred N. Partl<br />
Ass. Prof. KTH Stockholm, Adj. Prof. Carleton, Ottawa,CA<br />
EMPA, Abteilung Strassenbau/ Abdichtungen<br />
Dübendorf, www.empa.ch/Abt113<br />
Methoden zur Bewertung der strukturellen<br />
Substanz <strong>von</strong> Fahrbahnkonstruktionen, 24. Nov<br />
2009, <strong>KIT</strong>, Karlsruhe<br />
1<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Motivation MMLS3 MLS10 Eign.Test Kalibrierg. Schlussfolgerungen<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Inhalt<br />
Motivation für beschleunigte<br />
Verkehrslastsimulation APT<br />
Modellsimulatoren, z.B. MMLS3<br />
MLS10-Konzept<br />
Eignungstests in CH<br />
Praxis-Kalibirierung MLS10<br />
Schlussfolgerungen<br />
2<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Motivation<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Wozu mobile Strassentester ?<br />
(Accelerated Pavement Tester, APT)<br />
Rasche, zuverlässige, praxisgerechte<br />
Antworten für strukturelle Tragfähigkeit<br />
<strong>von</strong> Belägen bezügl.<br />
Planung & Bemessung -<br />
Dauerhaftigkeit,<br />
Zustand - Resttragfähigkeit,<br />
Erhaltungsmassnahmen<br />
Einbauqualität – (bonus-malus?)<br />
Innovation<br />
neue Beläge fördern, (Lärm,<br />
Warmasphalt)<br />
teure Fehlentwicklungen<br />
vermeiden (kleineres Risiko)<br />
APT = Forschungs- & Kontroll-Mittel<br />
e 22<br />
In situ/<br />
Praxis<br />
Dilemma<br />
?<br />
Validierung<br />
1:1 vor Ort<br />
Labor/<br />
Modell<br />
Beschleunigte<br />
realistische, 1:1,<br />
Verkehrslastsimulation<br />
3<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Motivation<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Beschleunigungs-Pfade<br />
Effekt<br />
Alter<br />
Last<br />
Klima, Witterung<br />
Ursache, Intensität<br />
t 1 =t beschl<br />
4<br />
Partl/113/’09<br />
t 2 =t real<br />
Zeit<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Motivation<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Beispiele Strassentest-Anlagen<br />
Stationär<br />
Test-<br />
Strassen<br />
MnRoad.us NCAT.us Westrack.us CERI,jp<br />
Teststücke<br />
(Linear)<br />
HalleFosse,LAVOC.ch LINTRACK.nl ATLaS,ATREL.us CEDEX.es<br />
Teststücke<br />
(Rundlauf)<br />
CAPTIF.nz Manège,LCPC.fr JHRI.jp Rundlauf,ETHZ.ch<br />
Mobil<br />
Strassen<br />
TxMLS.us ALF.FHWA.us HVS, CSIR.za<br />
5<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Motivation<br />
Verkehrlastsimulatoren<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Wann Praxistests? Grossversuche<br />
Wann Modelltests? Kleinsimulatoren<br />
Wann Materialtest? Minisimulatoren<br />
Wann „Dinosaurier“, „Ochsen“, „Hunde“<br />
verwenden?<br />
Nicht <strong>mit</strong> Kanonen auf Spatzen schiessen!<br />
6<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
MMLS3<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Beispiel Spannungs-Skalierung (MMLS)<br />
In situ 1:1 Situation<br />
Nach unten skaliertes Modell<br />
Gleiche Spannung,<br />
aber nach unten<br />
skalierte<br />
Schichtdicke<br />
7<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
#2, Spurtiefe [mm]<br />
#12, Spurtiefe [mm]<br />
MMLS3<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
MMLS3: Model <strong>Mobile</strong> <strong>Load</strong> Simulator (EMPA)<br />
z.b.<br />
Vergleich: Rundlauf – A2<br />
R.Gubler et al. 2004<br />
Max 80km/h<br />
Last 80kN (0.5 Achse)<br />
Seitenbeweg. ±675mm<br />
A2 Autobahn Rundlauf<br />
#12 #13 #2 #3<br />
Decke. 30 mm MR 8 40 mm AC 11S<br />
Obere 80 mm ACT 22S 70 mm ACT 22S<br />
Tragschicht<br />
.<br />
B50/70 B70/100 B50/70 B70/100<br />
Rundlauf<br />
A2<br />
3<br />
T<br />
72'000 Überrol 3cm =18..43°C<br />
2<br />
A2<br />
Autobahn 1<br />
0<br />
-3 -1 1 3<br />
-1 y = 0.8754x<br />
R 2 = 0.9609<br />
-2<br />
-3<br />
#13, Spurtiefe [mm]<br />
3<br />
72'000 Überrol<br />
T 3cm =14..45°C<br />
2<br />
Rundlauf<br />
1<br />
8<br />
Partl/113/’09<br />
Autobahn allg. stärkere<br />
Deformation als bei Rundlauf<br />
#12,#2 geringere Spurbildung<br />
als bei #13,#3 Mischung<br />
0<br />
-3 -1 1 3<br />
-1 y = 0.8128x<br />
-2 R 2 = 0.9118<br />
-3<br />
#3, Spurtiefe [mm]<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
MLS10<br />
MLS10 - Konzept<br />
3000<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Achse/2<br />
6.5t<br />
10700<br />
285/70 R19.5 (°920)<br />
2400<br />
LINEAR<br />
INDUCTION<br />
MOTORS<br />
Last [kN] (DoppelR.) ..65<br />
Rad-Ø [mm] 920<br />
Testlänge [m] 4.2<br />
Zyklen pro h 6000<br />
Geschw. [km/h] 22<br />
Gewicht [t] ca 34<br />
Wagen <strong>mit</strong><br />
Doppelreifen<br />
(Bogie)<br />
Al-Platten<br />
Umlenk-<br />
Schienen<br />
9<br />
Partl/113/’09<br />
Quer-Pendeln möglich<br />
Dieseltank<br />
1200 lit<br />
Linearmotoren<br />
Wassertank<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
MLS10<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
MLS10 Tests in Mozambique Jun06<br />
Schicht Dicke Alt (PT) Neu (SA)<br />
Decke 40mm Asphalt Asphalt<br />
Fund.- 200mm Gelber Sand; Roter Sand; Stab.<br />
Trags.<br />
PC Stab. 7% 2.5% PC + 2.5%Kalk<br />
Nass-<br />
Tests<br />
Schichtentrennung- Pumpen- Risse<br />
10<br />
Partl/113/’09<br />
Lasträder<br />
Lärmverkleidung<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Eign. Test<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Eignungstests MLS10, Hinwil ASTRA 2004/018<br />
Ort<br />
VSZ Betzholz Hinwil<br />
Sensoren<br />
Profilometer<br />
MLS10<br />
Position<br />
Georadar, GPR<br />
DELTA, ETH<br />
Deform. Mulde unter<br />
Last m. Laser<br />
Aufbau<br />
40mm<br />
100mm<br />
Portable<br />
Seismic Pav.<br />
Analyzer, PSPA<br />
Verform.<br />
(Balluff,<br />
Magn.Stric.)<br />
Beschl.<br />
180mm<br />
~180mm<br />
Temperatur,<br />
Lärm<br />
DMS an MLS10<br />
WIM<br />
11<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Spurtiefe[mm]<br />
Mittl. Spurtiefe [mm]<br />
Messungen, Hinwil<br />
Profilometer: Spurrinnen<br />
(300mm ab Mitte gegen Rollrichtg.)<br />
-1<br />
0<br />
250 500 750 1000 1250 1500<br />
1<br />
3<br />
5<br />
7<br />
9<br />
11<br />
5k<br />
50k<br />
100k<br />
200k<br />
300k<br />
500k<br />
620k<br />
1000k<br />
GPR, Birds-View<br />
8m<br />
0.6 mio Übrlg., 4.5cm =Tiefe Beschlg.<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Eign. Test<br />
60kN Lastr 3.0m<br />
300mm<br />
y = 1.025x 0.33<br />
R 2 = 0.98<br />
0<br />
Übrlg. (k)<br />
1000<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
ETHZ/IGT-DELTA<br />
(Deflektions-Mulde unter Last)<br />
PhD Rabaiotti ETHZ/IGT Prof Putzrin<br />
ETHZ DELTA<br />
3m<br />
Kabel<br />
1.0 mio Übrlg., 4.5cm =Tiefe<br />
Profilom. Pkt<br />
12<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Spurtiefe [mm]<br />
Mittl. Spurtiefe [mm]<br />
A p p a r. S e is m . M o d . (G P a )<br />
D e p th in (m )<br />
3m<br />
Messungen, Hinwil<br />
Profilometer: Spurrinnen<br />
(300mm ab Mitte gegen Rollrichtg.)<br />
-1<br />
0<br />
250 500 750 1000 1250 1500<br />
1<br />
3<br />
5<br />
7<br />
9<br />
11<br />
GPR, Birds-View<br />
8m<br />
0.6 mio Übrlg., 4.5cm =Tiefe Beschlg.<br />
Kabel<br />
5k<br />
50k<br />
100k<br />
200k<br />
300k<br />
500k<br />
620k<br />
1000k<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Profilom. Pkt<br />
Eign. Test<br />
60kN Lastr 3.0m<br />
300mm<br />
y = 1.025x 0.33<br />
R 2 = 0.98<br />
0<br />
Übrlg. (k)<br />
1000<br />
PSPA<br />
20<br />
15<br />
0 Überrlg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
ETHZ/IGT<br />
-DELTA<br />
Deflektions-<br />
Mulde unter<br />
Last<br />
1mio Überrlg.<br />
Linkes Rad, 0 Pos.<br />
A s p halt<br />
S tab i T o p<br />
S tab i B o tto m<br />
0<br />
0 .1<br />
0 .2<br />
1mio<br />
Passg<br />
50k<br />
1.0 mio Übrlg., 4.5cm =Tiefe<br />
10<br />
5<br />
0<br />
0 500 1000<br />
P as s g . (k)<br />
0 .3<br />
0 .4<br />
0 10 20<br />
0 .5<br />
A p p ar. S e is m . Mo d . (G P a)<br />
13<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Eign. Test<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Forensic Hinwil: Slab (1mio Passings)<br />
14<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Eign. Test<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Forensic Hinwil: Slab (1mio Passings)<br />
15<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Eign. Test<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Forensic Hinwil: Slab (1mio Passings)<br />
16<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10: ASTRA 2007 / 011<br />
Ziel: Einsatzdauer optimieren<br />
A4 Zürich West-Umfahrung Testgelände<br />
„Fildern“ Knonaueramt<br />
A4<br />
A3<br />
wieviel MLS10 Belastung erforderlich, um bei neuen<br />
CH Belägen deutliche Änderungen zu er<strong>mit</strong>teln?<br />
Kalt-Recycling Aufbau<br />
Materialien Thick. [cm]<br />
SMA 8 3<br />
AC B 22 H 8<br />
AC T 22 H 8<br />
SAMI 8/11 1<br />
obere KMF(H) 18<br />
untere KMF(H) >22<br />
Untergrd ME 1 : >30MN/m 2<br />
Verhalten<br />
B<br />
A<br />
Überrollungen<br />
Structure A4:<br />
17<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10: ASTRA 2007 / 011<br />
18<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10: ASTRA 2007 / 011<br />
Objekt A4: Knonaueramt<br />
DMS längs<br />
DMS quer<br />
Temp.<br />
Beschl.<br />
AC T 22H<br />
SA MI<br />
AC MR 8<br />
AC B 22H<br />
mm<br />
30<br />
80<br />
80<br />
Stabi 1<br />
180<br />
Stabi 2<br />
F1 F3 F4<br />
300<br />
439k 427k 740k Übrlg<br />
19<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10: ASTRA 2007 / 011<br />
Elektr.<br />
Steuerung<br />
Transporträder<br />
65kN 60kN<br />
60kNLastr<br />
Lasträder 3.0m<br />
3m<br />
Strom-<br />
Generator<br />
3.3m<br />
4.2m<br />
10.7m 2.55m<br />
Zum Messen<br />
jeweils hin &<br />
her fahren<br />
Baubaracke<br />
3.52 x 2.11m<br />
3.3m<br />
20<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Ort: Knonaueramt<br />
Kalibrierg.<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10 (ASTRA 2007/011)<br />
Messungen<br />
Spurbildung<br />
Profilometer<br />
Schichtdicken<br />
Georadar<br />
Statische Deflektionsmulde,<br />
ETH Delta<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
DynamischeDeflektionsmulde<br />
FWD<br />
(ISE Karlsruhe Master Thesis<br />
M. Umminger)<br />
Seismischer Modul<br />
PSPA<br />
eingebaute Fühler<br />
Dehnungen, DMS<br />
Deflektion,Beschleunigungsensoren<br />
Thermoelemente<br />
21<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Kalibrierg.<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10 (ASTRA 2007/011)<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Dehnung längs<br />
Dehnung quer<br />
Temperatur<br />
Beschleunigung<br />
ACMR8<br />
ACB22H<br />
ACT22H<br />
SA MI<br />
30mm<br />
80<br />
80<br />
F4<br />
Stabi 1<br />
Dehnung<br />
Beschleunigung<br />
Spurbildung<br />
Seismischer Modul<br />
Georadar GPR<br />
Stabi 2<br />
F4<br />
180<br />
300<br />
22<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Tiefe [mm]<br />
0<br />
50<br />
100<br />
150<br />
200<br />
250<br />
300<br />
350<br />
400<br />
450<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10 (ASTRA 2007/011)<br />
Spurbildung<br />
Kalibrierg.<br />
2.5<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
Überrollungen [k]<br />
23<br />
Partl/113/’09<br />
Praxis-Kalibrierung 4<br />
der neuen mobilen Grossversuchsanlage MLS10 für beschleunigte<br />
Verkehrslastsimulation Profil 032 auf Strassenbelägen in der Schweiz-ASTRA 2007/011<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y<br />
0<br />
200<br />
600<br />
100<br />
200<br />
300
Praxis-Kalibrierung (ASTRA 2007/011)<br />
Dehnungen<br />
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Dehnungen<br />
(längs), -3cm<br />
Dehnung in Abhängkeit <strong>von</strong> Temp. & Überrollungen<br />
Dehnungen<br />
(quer), -3cm<br />
24<br />
Partl/113/’09<br />
Praxis-Kalibrierung der neuen mobilen Grossversuchsanlage MLS10 für beschleunigte<br />
Verkehrslastsimulation auf Strassenbelägen in der Schweiz-ASTRA 2007/011<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10 (ASTRA 2007/011)<br />
ETH Delta<br />
25<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10 (ASTRA 2007/011)<br />
ETH Delta<br />
26<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Deflexion [µm]<br />
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10 (ASTRA 2007/011)<br />
FWD<br />
0.0<br />
Deflexionen Messpunkt 10<br />
Feld 4 ; Messlinie B<br />
Entfernung der Geophone vom Lastzentrum [mm]<br />
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100<br />
50 90 KN<br />
50.0<br />
100.0<br />
29.06.2009<br />
15.09.2009<br />
22.10.2009<br />
22.10.2009<br />
150.0<br />
27<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Kalibrierg.<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Praxis-Kalibrierung MLS10 (ASTRA 2007/011)<br />
Prüfkörperentnahme<br />
28<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
Schlussfolgerungen<br />
Schlussfolgerungen<br />
Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
APT Die beschleunigte Verkehrslastsimulation ist ein wichtiges Forschungs- &<br />
Validierungstool;<br />
Frage: wie kann am besten beschleunigt (F,T,..) werden ?<br />
Die mobile Empa-MLS10 ist effizient & zukunftsweisend.<br />
Die Empa- MLS10 hat schon 7 mio unidirektionale Überrollungen in<br />
Mozambique, SA und CH hinter sich. Die MLS10 hat klare Vorteile:<br />
Kompakte Grösse, daher vergleichsweise mobil auch bei engen<br />
Kurvenradien (z.B. wie Kreisel).<br />
Unidirektionales Überrollrichtung (kein Hin und Her)<br />
Hohe Anzahl realistischer Achslasten in relativ kurzer Zeit. Daher ist<br />
Prüfzeit & Staurisiko in Feldversuchen minimal.<br />
Mit 22km/h erlaubt die MLS10 realistische dynamische Ermüdungslasten<br />
(Überlasten können Fehlschlüsse verursachen)<br />
Die Empa- MLS10 ist ein Prototyp. Sie erfordert sorgfältigen Unterhalt und<br />
hat noch Verbesserungspotenzial. Langzeit-Performance ist unbekannt.<br />
29<br />
Partl/113/’09<br />
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Methoden der Bewertung…Karlsruhe 24 Nov 09<br />
Danke!<br />
Fragen?<br />
SF1 TV: Clip über MLS10 und MMLS3<br />
http://www.sf.tv/sf1/einstein/index.php<br />
30<br />
Partl/113/’09<br />
Ma t e r ia ls Sci ence & Te chnolog y
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