FLEXIBLE PAVEMENT DESIGN WORKSHOP Ljubljana, 2012 · 2013-06-10 · 3 5 INTRODUCTION Highway...

1

FLEXIBLE PAVEMENT DESIGN WORKSHOPLjubljana, 2012

22

Current Practice in Flexible Pavement Design - GERMANY

Dipl.-Ing. Jan Jähnig

2

33

T E A M

Dipl.-Ing.Jan Jähnig

Prof. Dr.-Ing. habil. Frohmut Wellner

Professur für Straßenbau

Dipl.-Ing.Alexander Kiehne

44

INDEX

• PAVEMENT DESIGN

• TRAFFIC LOAD CALCULATION

• MATERIAL CHARACTERISTICS – NEW CONSTRUCTIONS

• MATERIAL CHARACTERISTICS – RECONSTRUCTIONS

• REQUIRED LAYER THICKNESS

• ADVANTAGES/DISADVANTAGES OF USED METHOD

• PROBLEMS WITH/POSSIBLE IMPROVEMENT OF CURRENT PAVEMENT DESIGN METHOD

3

55

INTRODUCTION

Highway Network (2012):

12.845 km

• 23% of whole road network

• 48% of road performance

~ 70% Asphalt

~ 30% Concrete

66

PAVEMENT DESIGN METHOD

„empirical“ method analytic method

Standardization

- layer thickness based on experience

- innovative materials areignored

Flexible Procedure

- calculation of required layerthickness

- based on performance tests- innovative materials can be

considered

Pavement Design

4

77

EMPIRIC PAVEMENT DESIGN METHOD

> 32 > 10 - 32 > 3 - 10 > 0,8 - 3 > 0,3 - 0,8 > 0,1 - 0,3 ≤ 0,1

Zeile Bauklasse SV I II III IV V VI

Tafel 1: Bauweisen mit Asphaltdecke für Fahrbahnen auf F2- und F3-Untergrund/Unterbau(Bauweisen auf F1-Böden s. Abschnitt 3.1.2) (Dickenangaben in cm; u Ev2-Mindestwerte in MN/m²)

Dicke des frostsich. Oberbaues1) 55 65 75 85 55 65 75 85 55 65 75 85 45 55 65 75 45 55 65 75 35 45 55 65 35 45 55 65

Dicke der Frostschutzschicht

Asphalttragschicht auf Frostschutzschicht

1

Asphaltdeckschicht

Asphaltbinderschicht

Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

22

34uuuu

120

uuuu45

4

8

18

30uuuu

120

uuuu45

4

8

14

26uuuu

120

uuuu45

44

14

22uuuu

120

uuuu45

4

14

18uuuu

120

uuuu45

4

10

14uuuu

100

uuuu45

10 6)

10uuuu

100

uuuu45

Asphalttragschicht und Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel auf Frostschutzschicht bzw.Schicht aus frostunempfindlichem Material

- 312) 41 51 253) 35 45 55 293) 39 49 59 - 332) 43 53 273) 37 47 57 212) 31 41 51 25 35 45 55

Äquivalente10-t-Achsübergänge

in Mio.B


2.2

AsphaltdeckschichtAsphaltbinderschicht

Asphalttragschicht

4

8

18

45uuuu45

4

8

14

41

uuuu45

4

8

15

37

uuuu45

44

15

33

uuuu45

Verfestigung15

15

1010

2.3


Asphalttragschicht

Schicht aus frostunempfindlichem Material–enggestuft gemäß DIN 18196–

4

8

18

50uuuu45

4

8

14

46uuuu

45

4

8

20

42

uuuu45

44

20

38

uuuu45

Verfestigung20

20

10

10

Schicht aus frostunempfindlichem Material–weit- oder intermittierend gestuft gemäß DIN 18196–

Asphalttragschicht und Schottertragschicht auf Frostschutzschicht

- - 342) 44 - 283) 38 48 - 302) 40 50 - - 342) 44

104)204) 30 40 144) 24 34 44 184) 28 38 48 124) 22 32 42

54) 154) 25 35 94) 194) 29 39 134) 23 33 43 74) 174) 27 37

263) 36 46- 163) 26 36- 163) 26 36-

2.1

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

14

41uuuu

120

uuuu45

4

8

10

37uuuu

120

uuuu45

4

8

15

35uuuu

120

uuuu45

44

15

31uuuu

120

uuuu45

Hydraulisch gebundeneTragschicht (HGT)

1515

88

4

10

29uuuu

120

uuuu45

15

4

10

29uuuu

100

uuuu45

15

4

10

29uuuu

100

uuuu45

15

26 36 46164) 164) 26 3664) 164) 26 3664)

26 36 46164) 164) 26 3664) 164) 26 3664)

4

10

29

uuuu45

15

4

10

29

uuuu45

15

4

10

29

uuuu45

15

10

29

uuuu45

15

10

29

uuuu45

15

10

29

uuuu45

15

4 4 4

Dicke der Schicht ausfrostunempfindlichem Material


Asphaltdeckschicht

> 32 > 10 - 32 > 3 - 10 > 0,8 - 3 > 0,3 - 0,8 > 0,1 - 0,3 ≤ 0,1

Zeile Bauklasse SV I II III IV V VI

Tafel 1: Bauweisen mit Asphaltdecke für Fahrbahnen auf F2- und F3-Untergrund/Unterbau(Bauweisen auf F1-Böden s. Abschnitt 3.1.2) (Dickenangaben in cm; u Ev2-Mindestwerte in MN/m²)

Dicke des frostsich. Oberbaues1) 55 65 75 85 55 65 75 85 55 65 75 85 45 55 65 75 45 55 65 75 35 45 55 65 35 45 55 65



1

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

22

34uuuu

120

uuuu45

4

8

18

30uuuu

120

uuuu45

4

8

14

26uuuu

120

uuuu45

44

14

22uuuu

120

uuuu45

4

14

18uuuu

120

uuuu45

4

10

14uuuu

100

uuuu45

10 6)

10uuuu

100

uuuu45


- 312) 41 51 253) 35 45 55 293) 39 49 59 - 332) 43 53 273) 37 47 57 212) 31 41 51 25 35 45 55


in Mio.B


2.2


Asphalttragschicht

4

8

18

45uuuu45

4

8

14

41

uuuu45

4

8

15

37

uuuu45

44

15

33

uuuu45

Verfestigung15

15

1010

2.3


Asphalttragschicht

Schicht aus frostunempfindlichem Material–enggestuft gemäß DIN 18196–

4

8

18

50uuuu45

4

8

14

46uuuu

45

4

8

20

42

uuuu45

44

20

38

uuuu45

Verfestigung20

20

10

10


Asphalttragschicht und Schottertragschicht auf Frostschutzschicht

- - 342) 44 - 283) 38 48 - 302) 40 50 - - 342) 44

104)204) 30 40 144) 24 34 44 184) 28 38 48 124) 22 32 42

54) 154) 25 35 94) 194) 29 39 134) 23 33 43 74) 174) 27 37

263) 36 46- 163) 26 36- 163) 26 36-

2.1

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

14

41uuuu

120

uuuu45

4

8

10

37uuuu

120

uuuu45

4

8

15

35uuuu

120

uuuu45

44

15

31uuuu

120

uuuu45


1515

88

4

10

29uuuu

120

uuuu45

15

4

10

29uuuu

100

uuuu45

15

4

10

29uuuu

100

uuuu45

15

26 36 46164) 164) 26 3664) 164) 26 3664)

26 36 46164) 164) 26 3664) 164) 26 3664)

4

10

29

uuuu45

15

4

10

29

uuuu45

15

4

10

29

uuuu45

15

10

29

uuuu45

15

10

29

uuuu45

15

10

29

uuuu45

15

4 4 4



Asphaltdeckschicht

Number of loads (ESAL)

construction

German Design Guide „RStO 01“

88

TRAFFIC LOAD CALCULATION

• Calculation of traffic loads

Calculation of ESAL ... B-Number

- cumulated passages of 100kN standard axle loads in design period

- N ... 30 years

- Several factors (number of lanes, lane width, ...)

• Traffic growth estimation

- DTV SV ... number of daily load applications (> 3,5 to)

- growth factor

- highways p = 3%

- state roads p = 2%

- country roads p = 1%

365321

)(⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= zBm

SVffffqDTANB

[www.bast.de]

5

99

ANALYTIC PAVEMENT DESIGN METHOD

2002 2004 2006 2008 …

BMBF – Projekt

„Nachhaltiger Straßenbau“

… 2010

B 35

S 286-1

S 286-2

B 273

BAB A4

BAB A5

B 246

1010

fatigue rutting

loads temperature materials

Pavment modell(stresses, strains)

assessment


• cement stabilized layers• unbound base layers• sub-grade

ΣΣΣΣ MINER

6

1111

Top Layer

Binder Course

Base Course

��linear elastic multi-layer-theory


uGL

1212

Top Layer

Binder Course

Base Course

uGL

-

Compressive

stress σσσσ1


7

1313

uGL

+

-

Tensile stresses

σσσσ2/3

Fatigue Testing

Top Layer

Binder Course

Base Course


1414

• load spectrum• different classes (weighing)

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

> 0

bis

< 1

>=

1 b

is <

2

>=

2 b

is <

3

>=

3 b

is <

4

>=

4 b

is <

5

>=

5 b

is <

6

>=

6 b

is <

7

>=

7 b

is <

8

>=

8 b

is <

9

>=

9 b

is <

10

>=

10

bis

< 1

1

>=

11

bis

< 1

2

>=

12

bis

< 1

3

>=

13

bis

< 1

4

>=

14

bis

< 1

5

>=

15

bis

< 1

6

>=

16

bis

< 1

7

>=

17

bis

< 1

8

>=

18

Achslastklasse

Ant

eil [

-]

[RDO Asphalt 09]

Special loads

TRAFFIC LOAD CALCULATION

8

1515

Zone 3

0,6%

2,3%

12,8%

17,6%

14,7%

17,8%

13,8%

8,1%

5,1%

3,8%2,8%

0,3% 0,3%

0,0%

2,0%

4,0%

6,0%

8,0%

10,0%

12,0%

14,0%

16,0%

18,0%

20,0%

Oberflächentemperatur [°C]

rela

tiv

e H

äu

fig

ke

it [

%]

[RDO Asphalt 09] [RDO Asphalt 09]

CLIMATIC CONDITIONS

1616

Performance based material-properties

• Stiffness (elastic Modulus)• Fatigue Testing• Layer adhesion

• high temperture performance(rutting)

• low temperture performance(low temperature cracking)

MATERIAL CHARACTERISTICS

9

1717

ITS – Test

• German Instruction AL Sp-Asphalt 09(modelled after EN 12697 – 24 / 26)

• Frequencies 0,1 … 10 Hz• Temperatures -20 … +20 °C


1818

Stiffness Elastic Modulus

εεεε

σσσσ

ITS - Test


10

19190

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Temperatur [°C]

abs. E

-Mod

ul [N

/mm

²]

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

0,01 0,1 1 10a

bso

lute

r E

-Mo

du

l [M

Pa

]f [Hz]

-10°C

0°C

10°C

20°C

Stiffness


f = 10 Hz

2020

20°C10 HzσO=1,5 N/mm²

Fatigue Testing


11

2121

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

0,01 0,10 1,00

La

stw

ec

hs

elz

ah

l NM

akro

[-]

elastische Anfangsdehnung εεεεel [‰]

Fatigue Testing


2222


0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Temperatur [°C]

abs. E

-Mo

du

l [N

/mm

²]

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

0,01 0,10 1,00

Lastw

ech

selz

ah

l NM

akro

[-]


≥ 10 tests≥ 27 tests

12

2323


Effect of material properties

1. „standard“ asphalts• „standard-results“ • layer thicknesses on a level with

empiric design method

2. „improved“ asphalts• better performance compared with standard-asphalts

(based on performance testing)

• longer lifetime (if layer thickness as RStO)

• reduced layer thickness (if N = 30 years)

> 32 > 10 - 32 > 3 - 10

Zeile Bauklasse SV I II

Dicke des frostsich. Oberbaues1) 55 65 75 85 55 65 75 85 55 65 75 85



1


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

22

34uuuu

120

uuuu45

4

8

18

30uuuu

120

uuuu45

4

8

14

26uuuu

120

uuuu45


- 312) 41 51 253) 35 45 55 293) 39 49 59


in Mio.B


2.2


Asphalttragschicht

4

8

18

45uuuu

45

4

8

14

41

uuuu45

4

8

15

37

uuuu45

Verfestigung15

15

10


- - 342) 44 - 283) 38 48 - 302) 40 50

104) 204) 30 40 144) 24 34 44 184) 28 38 48 12

2.1

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

14

41uuuu

120

uuuu45

4

8

10

37uuuu

120

uuuu45

4

8

15

35uuuu

120

uuuu45


1515

8


> 32 > 10 - 32 > 3 - 10

Zeile Bauklasse SV I II

Dicke des frostsich. Oberbaues1) 55 65 75 85 55 65 75 85 55 65 75 85



1


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

22

34uuuu

120

uuuu45

4

8

18

30uuuu

120

uuuu45

4

8

14

26uuuu

120

uuuu45


- 312) 41 51 253) 35 45 55 293) 39 49 59


in Mio.B


2.2


Asphalttragschicht

4

8

18

45uuuu

45

4

8

14

41

uuuu45

4

8

15

37

uuuu45

Verfestigung15

15

10


- - 342) 44 - 283) 38 48 - 302) 40 50

104) 204) 30 40 144) 24 34 44 184) 28 38 48 12

2.1

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

14

41uuuu

120

uuuu45

4

8

10

37uuuu

120

uuuu45

4

8

15

35uuuu

120

uuuu45


1515

8


2424

EXAMPLE

13

2525

EXAMPLE

2626

EXAMPLE

14

2727

EXAMPLE

ATS 1 ATS 2 ATS 2

H bit �� H bit ��

PmBH bit ��

PmB

2828


Advantages of analytic pavement design method

• consideration of material characteristics

• calculation of required layer thicknesses

(no fatigue in base layer during lifetime)

• consideration of extreme traffic growth

(B > 100 Mio … empiric design shouldn't applied)

Disadvantages of analytic pavement design method

• expensive and time-consuming

• contractual arrangements are revised

• actual research results have to be integrated

(e.g. probabilitistic, non linear elastic material properties, FEM)

15

2929

EXPERIENCES

Testtrack „S 286“ in Saxony

Section 1

• Length: 1,3 km• build in 2006• 1 testfield

Section 2

• Length: ~ 7 km• build in 2008• 4 testfields

3030

EXPERIENCES

16

3131

EXPERIENCES

- 6 cm

Special Mix Design

3232

EXPERIENCES

improved asphalt mixtures

• low air void content• continuous grading• modified binder

Sieblinienbereich für modifizierte ATS

binder content: 4,4 M.-%

air void content: 4,7 Vol.%

17

3333

EXPERIENCES

Compaction testing

special requirements

3434

EXPERIENCES

cores for ITS-testing

comliance testing

18

3535

EXPERIENCES

stiffness fatigue

[S 286][S 286]

comliance testing

3636

German Design Guide „RStO 01“

RECONSTRUCTIONS

19

3737

RECONSTRUCTIONS

analytic pavement design

cores for ITS-testing homogeneous sections

FWD

D0

R0 R0

3838

E-Moduln aus Spaltzugschwellversuchen

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Temperatur [°C]

ab

s. E

-Mod

ul [N

/mm

²]

AB

EB

ETO

Dehnungsabhängige Ermüdungskurven S 286

y = 0,976x-4,0229

R2 = 0,9555

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

0,01 0,10 1,00


La

stw

ec

hs

elz

ah

l N M

ak

ro [

-]

ST

ETO

RECONSTRUCTIONS

20

3939


Advantages of analytic pavement design method

• consideration of material characteristics

• calculation of required layer thicknesses

• consideration of extreme traffic growth

• application for NEW CONSTRUCTIONS and RECONSTRUCTION

Disadvantages of analytic pavement design method

• expensive and time-consuming

• contractual arrangements are revised

• actual research results have to be integrated

(e.g. probabilitistic, non linear elastic material properties, FEM)

4040

The end

Thank you for your attention!


21

4141

Asphalt Binder Courses

1. Results from TU Dresden• Stiffness• Fatigue• Low temperature performance• High temperature performance

2. Prognosis of lifetime mit PaDesTo

Typ AC 16 B S (TL) AC 16 B S - SMA

BiMi 10/40-65 A 10/40-65 A

Raumdichte 2,508 2,513

B 4,5 5,6

V (MPK) 5,6% 3,5%

BV (MPK) 11,0% 13,7%

VFB 66,3% 79,6%

V1 V2

Mix Desgin

4242

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

ab

solu

ter

E-M

od

ul

[MP

a]

Temperatur[°C]AC 16 B S (TL) 10/40-65 A AC 16 B S - SMA 10/40-65 A

StiffnessTyp AC 16 B S (TL) AC 16 B S - SMA

BiMi 10/40-65 A 10/40-65 A

T f IEI IEI

[°C] [Hz] [MPa] [MPa]

50 10 599 757

35 10 4.119 4.565

20 10 11.358 11.985

15 10 14.358 15.078

10 10 17.275 18.163

0 10 21.936 23.403

-10 10 24.563 26.685

-20 10 25.716 28.297

BiMi A A

Typ std SMA

Mix Desgin

22

4343

Fatigue

y = 4,03x-3,96

R² = 0,99

y = 7,39x-3,91

R² = 0,99

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

0,010 0,100 1,000

Lastw

ech

selz

ah

l N

Mak

ro

elastische Anfangsdehnung [promille]

AC 16 B S (TL) 10/40-65 A AC 16 B S - SMA 10/40-65 A

y = 4,03x-3,96

R² = 0,99

y = 7,39x-3,91

R² = 0,99

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

0,010 0,100 1,000

Lastw

ech

selz

ah

l N

Mak

ro

elastische Anfangsdehnung [promille]

AC 16 B S (TL) 10/40-65 A AC 16 B S - SMA 10/40-65 A

improvementoffatigue

Mix Desgin

4444

Conclusion

Typ AC 16 B S (TL) AC 16 B S - SMA

BiMi 10/40-65 A 10/40-65 A

Raumdichte 2,508 2,513

B 4,5 5,6

V (MPK) 5,6% 3,5%

BV (MPK) 11,0% 13,7%

VFB 66,3% 79,6%

Ermüd. / Steifigkeit 100,0% 201,5%

σ Z [MPa] 3,7 4,5

T [°C] -19,1 -19,3

PRD_Luft 2,6% 2,9%

Tendenz: AC B S - SMA

+

+

+

o

-

o

Mix Desgin

23

4545

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Ho

hlr

au

mg

eh

alt

H

bit

[Vo

l.-%

]

Bindemittelgehalt HB [Vol.-%]

AC 16 B S

AC 22 B S

HA 100 %

HA 90 %

HA 85 %

HA 80 %

HA 75 %

HA 70 %

HA 60 %

HA 65 %

HA 95 %

HM,bit 22,5 %HM,bit 20,0 %HM,bit 17,5 %HM,bit 15,0 %

HM,bit 12,5 %

HM,bit 10,0 %

AC 22 B S AC 16 B S

Mix Desgin

4646

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Ho

hlr

au

mg

eh

alt

H

bit

[Vo

l.-%

]

Bindemittelgehalt HB [Vol.-%]

AC 16 B S

AC 22 B S

stetige ABi

SMA-Binder

HA 100 %

HA 90 %

HA 85 %

HA 80 %

HA 75 %

HA 70 %

HA 60 %

HA 65 %

HA 95 %

HM,bit 22,5 %HM,bit 20,0 %HM,bit 17,5 %HM,bit 15,0 %

HM,bit 12,5 %

HM,bit 10,0 %

AC 22 B S AC 16 B S

dichteABi

SMA-Binder

Mix Desgin

24

4747

The end

Thank you for your attention!


4848

ANNEX

25

4949

ANNEX

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