2. Belastninger og deformasjoner i vegkonstruksjoner

2.1. Belastninger og deformasjoner under et kjøretøy i bevegelse

I leksjon 1 drøftet vi permanent deformasjon under en enkel punktlast som gjentas. Men i veger gir den bevegelige trafikkbelastningen en mer sammensatt dynamisk lastsituasjon. Den består vanligvis av tre ulike effekter: 1. Spenninger i overbygningen på grunn av belastningen fra et hjul i bevegelse, 2. Den tidsavhengige reaksjonen i vegmaterialene, og 3. Spenninger påført av støtbelastninger.

Figur beskriver vertikalspenninger, horisontalspenninger og skjærspenninger i underkant av de bundne lagene, samt trykk- og strekkspenninger i ubundne lag og i undergrunnen. Det viser at de viktige spenningstilfellene ?1 og ?2 endres foran, under og bak lasten fra hjulet. Det er viktig å være klar over at det er trykkspenninger foran og bak hjulet, mens det er sterke strekkspenninger under hjullasten.

Den tidsavhengige reaksjonen i materialene er en annen viktig faktor. Den er særlig viktig for materialer som er ømfintlige for permanent deformasjon og ikke reagerer fullt ut elastisk under en dynamisk belastning fra hjulet. Disse materialene går ikke tilbake til tidligere tilstand straks etter at lasten er fjernet, og en tung bil med mange aksler kan gi økt påkjenning på slike materialer.

Som en siste faktor kan størrelsen av belastninger og deformasjoner påvirkes av hvor jevnt vegdekket er. Det skyldes at humper og ujevnheter kan gi støtpåkjenninger på vegdekket som avhenger av kjøretøyenes fjæringssystem. Som følge av dette kan belastninger og deformasjoner etter en hump bli vesentlig større enn ved et normalt jevnt dekke. Det kan føre til en raskere nedbryting av vegdekket på grunn av at vann fra det fuktige laget under pumpes opp gjennom dekket

En kan observere dette på bilder tatt med termokamera om våren.

2.2. Elastisitetsmodul og bæreevne

Materialer og lag i vegkroppen på lavtrafikkveger i kalde strøk oppfører seg vanligvis mer som et viskoelastisk eller viskoelastisk/plastisk materiale enn som et plastisk materiale. Likevel er det viktig å forstå elastisitetsmodulens betydning for å bestemme bæreevne og motstand mot permanent deformasjon i ulike lag av overbygningen og i undergrunnen/underbygningen. Vegens totale strukturelle kvalitet bestemmes av dens “svakeste ledd”, som kan finnes på ulike steder i overbygningen, eller i undergrunnen.

Mer informasjon om modultyper finnes på Wikipedia og andre kilder.

I en ideell vegkonstruksjon bør E-modulen i lagene i overbygningen reduseres ovenfra og nedover. Det skyldes at jo nærmere materialet er til overflaten, desto større vil belastningen fra hjullasten være. Et stivere materiale vil fordele lasten bedre over laget under. Det vil minske belastninger og deformasjoner i det underliggende laget, og dermed gjøre det mulig å bruke svakere materialer der. Forholdstallet mellom de to lagenes E-modulverdier bør likevel ikke bli for høyt, da det kan gi horisontale strekkrefter i underkant av det øvre (stivere) laget.

Lagtykkelse og E-modul i et lag i vegkroppen betyr mer for bæreevnen i lagene over enn i lagene under. Bæreevnen øverst i vegkroppen vil være bestemt av materialegenskapene både i undergrunnen og i de enkelte lag av overbygningen. Ved prosjektering av vegkroppen må en derfor sikre at belastninger og deformasjoner i hvert lag, og også i undergrunnen, er godt under deres kritiske grense. Samme regel gjelder når en planlegger forsterkning av en eksisterende veg.

Det er mange ulike måter å oppnå bæreevne når en planlegger en ny veg eller skal forsterke en eksisterende veg. Men evnen til å stå imot permanente deformasjoner over lang tid må også tas i betraktning. Det kan gjøres ved å analysere de steder i vegkroppen der belastning og deformasjon er nær den kritiske grensen. Disse kritiske punktene kan være vanskelig å identifisere. Til hjelp for dette har ROADEX utviklet “ROADEX demo av beregning av belastning og deformasjon av vegdekker”, som er vist i det følgende. Den vil hjelpe leseren til å anslå belastninger og deformasjoner i lagene i overbygningen og øverst i undergrunnen. Den vil også vise hvordan bæreevnen utvikler seg opp gjennom vegkroppen. I tillegg er demonstrasjonen laget for å gi informasjon om hvilken effekt ulike dekktyper og dekktrykk har på vegens kritiske belastninger og deformasjoner.

Forhåpentligvis kan ROADEX-demoen brukes som et enkelt prosjekteringsverktøy for lavtrafikkveger. En må likevel huske at også andre faktorer kan bety mye for vegens bæreevne og permanente deformasjoner (vegbredde, frostmengde, drenering osv.). Disse faktorene må også tas i betraktning. Demonstrasjonen kan også brukes som et spesialverktøy for vurdering av veger for tømmertransport, bl.a. for å bestemme om det er mer hensiktsmessing å innføre sentral dekktrykkregulering (CTI) enn å forsterke vegen.

Bemerk: “ROADEX demo av beregning av belastning og deformasjon” er utviklet bare for undervisningsformål. ROADEX-prosjektet er uten ansvar ved eventuell bruk av den til planlegging av prosjekter i virkeligheten.

2.3. Roadex demo for beregning av belastning og deformasjon av vegdekker

Belastninger og deformasjoner i den demoen som følger er beregnet på forhånd med Bisar© programvare basert på lineær elastisitetsteori. I beregningene er brukt typiske lastkonfigurasjoner, lagtykkelser og materialmoduler som er observert i Den nordlige periferi. Parametrene er valgt slik at de dekker et vidt spenn av vegkonstruksjoner, fra svært dårlig til svært god standard.

Hjullasten som brukes i demoen er alltid uendret, med en standard hjullast på 50 kN som representerer en aksellast på 10 t.

Alle andre parametre kan endres. Vegkroppen som er brukt i demoen består av tre deler: A. vegdekket (bundne lag), B. overbygningen (ubundne lag i overbygningen), og c. undergrunnen. For å begynne må en velge den lastkonfigurasjonen som skal brukes. Det er to alternative dekktyper og tre dekktrykk å velge mellom. Deretter velges E-modul og tykkelse for de bundne og ubundne lagene (hver for seg), samt E-modul for undergrunnen.

Demoen beregner deretter belastninger og deformasjoner som vil oppstå i vegkroppen på de tre stedene som er omtalt nedenfor.

Disse antas å være mest kritiske for utvikling av permanente deformasjoner.

A. Horisontal strekkdeformasjon i underkant av de bundne lagene.
Høye verdier her innebærer fare for utmatting av vegdekket.

B. Vertikale trykkspenninger og deformasjoner i øvre del av de ubundne lagene.
Belastninger og deformasjoner på dette stedet er det mest kritiske for utvikling av spor av type 1.

C. Vertikale trykkspenninger og deformasjoner øverst i undergrunnen.
Belastninger og deformasjoner på dette stedet er det mest kritiske for utvikling av spor av type 2.

Hvert deformasjonstilfelle er også gitt en farge som angir faren for permanent deformasjon eller brudd i laget.

• Grønt betyr et sikkert last- og deformasjonsnivå og svært liten fare for brudd eller permanent
• Gult betyr et moderat last- og deformasjonsnivå og begrenset fare for brudd eller permanent deformasjon.
• Rødt betyr et høyt last- og deformasjonsnivå og stor fare for brudd eller permanent deformasjon.
• Svart betyr at brudd eller permanent deformasjon sannsynligvis vil skje raskt.

Det svakeste laget i oppsettet bestemmer hvordan hele vegkroppen skal verdsettes. F.eks., hvis en eller flere av deformasjonstilfellene er klassifisert “svart” vurderes hele konstruksjonen som utilstrekkelig, og det vil oppstå brudd i det valgte lasttilfellet.

Fordelingen av vertikale trykkrefter i over- og underbygningen er også vist, med referanse til de punkter i vegkroppen som beregningen omfatter. Verdien som vises er maksimal belastning i beregningspunktet. Demoen viser også bæreevnen i overkant av hvert lag i vegkonstruksjonen, beregnet med Odemark-metoden.

Detaljert bruksanvisning vises her.

Fortsett til ROADEX DEMO FOR BEREGNING AV BELASTNING OG DEFORMASJON AV VEGDEKKER