Finite element and fatigue analysis of flexible pavements based on temperature profile modeling

• Autorzy: Cho Seoyoung , Lakatos Éva

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.022.006

Warianty tytułu

PL

Analiza MES i zmęczeniowa nawierzchni podatnych na podstawie modelowania rozkładu temperatury

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The effect of temperature on asphalt pavement structure is of great importance due to the nature of binder used in the asphalt layers. An equivalent temperature is commonly applied to eliminate the effect of temperature dependence in calculations of mechanical properties of the asphalt and of the pavement. Equivalent temperatures, applied as constant values, are supposed to have the same effect on fatigue behavior of the pavement in the period of one year as the real varying weather conditions. The aim of the presented research was to compare the behavior of the pavement under realistic temperature data throughout a single year with the results of the traditional pavement design method. Temperature data were obtained from a previously established weather station. Binder viscosity and asphalt dynamic modulus were defined based on the temperature profile for asphalt layers divided into 19 sublayers. This subdivision was introduced to better reflect the changes in strength characteristics of the asphalt layers along the depth of the structure. Comparison with the simple calculation using the equivalent temperature method showed that the detailed model outlined in this paper can provide better prediction of the overall pavement structural capacity. The focus of this study is to apply asphalt layer discretization to reflect temperature variation and its influence on changes in strength properties of asphalt mixtures. Temperature at each sublayer was estimated using the German specification, dynamic modulus was determined using the Witczak model, and the structural analysis was performed employing the finite element method.

PL

W przypadku podatnych nawierzchni drogowych wpływ temperatury ma bardzo duże znaczenie ze względu na właściwości lepiszcza zastosowanego w warstwach asfaltowych. Aby wyeliminować w obliczeniach zmienność właściwości mechanicznych warstw asfaltowych, zastosowano temperaturę ekwiwalentną – stałą pojedynczą wartość temperatury, przy której szkoda zmęczeniowa w ciągu roku powinna w założeniu odpowiadać łącznej wielkości szkód zmęczeniowych przy rzeczywistych zmiennych warunkach pogodowych. Celem przedstawionych badań było obliczeniowe porównanie pracy nawierzchni przy realistycznych danych temperaturowych z okresu jednego roku z wynikami tradycyjnej metody z temperaturą ekwiwalentną. Dane temperaturowe pozyskano z założonej wcześniej stacji meteorologicznej. Lepkość asfaltu i moduł dynamiczny mieszanki mineralno-asfaltowej zostały określone na podstawie profilu temperatury w warstwach asfaltowych podzielonych na 19 podwarstw. Taki podział miał na celu lepsze odzwierciedlenie zmian właściwości mechanicznych warstw asfaltowych w zależności od głębokości. Porównanie z prostszymi obliczeniami wykonanymi z zastosowaniem temperatury ekwiwalentnej wykazało, że opisany w artykule bardziej szczegółowy model może zapewnić lepszą prognozę wytrzymałości zmęczeniowej nawierzchni. Duży nacisk położono na dyskretyzację warstw asfaltowych w celu odzwierciedlenia zmienności temperatury i jej wpływu na właściwości mechaniczne mieszanek asfaltowych. Temperatura każdej z podwarstw została oszacowana zgodnie z zaleceniami niemieckimi, moduły dynamiczne warstw asfaltowych zostały określone z pomocą modelu Witczaka, zaś analiza obliczeniowa konstrukcji nawierzchni została przeprowadzona z zastosowaniem metody elementów skończonych.

Słowa kluczowe

EN

finite element method; flexible pavement modeling; temperature modeling; temperature profile

PL

metoda elementów skończonych; modelowanie nawierzchni podatnych; modelowanie temperatury; profil temperatury

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 21, no. 2
• Strony: 103--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Cho Seoyoung

• Budapest University of Technology and Economics, Department of Highway and Railway, Műegyetem rkp. 3, K épület magasföldszint 98, 1111 Budapest, Hungary

autor

Lakatos Éva

• Budapest University of Technology and Economics, Department of Structural Mechanics, Műegyetem rkp. 3, K épület magasföldszint 98, 1111 Budapest, Hungary

Bibliografia

• 1. Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. National Cooperative Highway Research Program (NCHRP), 1-47A Report, Transportation Research Board, National Research Council, Washington, 2004
• 2. Guidelines for mathematical dimensioning of foundations of traffic surfaces with a course asphalt surface RDO. Research Society for Roads and Traffic, Berlin, 2009
• 3. Barber S.E.: Calculation of Maximum Pavement Temperatures from Weather Reports. Highway Research Board Bulletin, 168, 1957, 1-8
• 4. Rumney T.N., Jimenez R.A.: Pavement Temperatures in the Southwest. 50th Annual Meeting of the Highway Research Board, Washington, 1971
• 5. Southgate H.F., Deen R.C.: Temperature Distribution Within Asphalt Pavements and Its Relationship to Pavement Deflection. Highway Research Record, 291, 1969, 116-131
• 6. Thompson R.M., Dempsey J.B., Hill H., Vogel J.: Characterizing temperature effects for pavement analysis and design. 66th Annual Meeting of the Transportation Board, Washington, 1987, http://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/trr/1987/1121/1121-003.pdf (21.12.2021)
• 7. Duncan J.M., Monismith L.C., Wilson L.E.: Finite Element Analyses of Pavements. Highway Research Record, 228, 1968, 18-33
• 8. Burmister D.M.: The general Theory of Stresses and Displacements in Layered Systems I. Journal of Applied Physics, 16, 2, 1945, 89-94, DOI: 10.1063/1.1707558
• 9. Tóth C., Primusz P.: New Hungarian mechanistic-empirical design procedure for asphalt pavements. Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, 15, 1, 2020, 161-186, DOI: 10.7250/bjrbe.2020-15.466
• 10. Tóth C., Pethő L.: Calculating the equivalent temperature for mechanistic pavement design according to the French method for Hungarian climatic conditions. Acta Technica Jaurinensis, 14, 3, 2021, DOI: 10.14513/actatechjaur.00602
• 11. Pszczoła M., Judycki J.: Equivalent temperature for design of airport pavements using mechanistic-empirical methods. 2nd Annual International Conference “Airport pavements”, Strbske Pleso, Slovak Republic, 2014, https://www.researchgate.net/publication/262186813_Equivalent_temperature_for_design_of_airport_pavements_using_mechanistic-empirical_methods (21.12.2021)
• 12. AASHTO: Mechanistic-empirical pavement design guide. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, 2008
• 13. Monismith L.C., Hicks G.R., Finn N.F., Sousa J., Harvey J., Weissman S., Deacon J., Coplantz J., Paulsen G.: Permanent deformation response of asphalt aggregate mixes. National Research Council, Washington, 1994
• 14. Nagórski R., Tutka P., Złotowska M.: Defining the domain and boundary conditions for finite element model of flexible road pavement. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 16, 4, 2017, 265-277, DOI: 10.7409/rabdim.017.017
• 15. LTPP Computed Parameter: Dynamic modulus. Federal Highway Administration, McLean, 2011
• 16. Mechanistic-empirical pavement design specification. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT), Seoul, 2015
• 17. Guide to Pavement Technology, Part 2: Pavement Structural Design. Austroads Ltd., Sydney, 2017

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).