Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Rückrechnung, Dimensionierung, zerstörungsfreie Prüfung, Verstärkung, Deflektionsmessung, Rückrechnungsmethoden, Rückrechnungs-Algorithmen, Tragfähigkeit
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Back-Calculation, Road design, Inverse Analysis, Nondestructive testing, Reinforcement ,Deflection measurements, Back-Calculation-Methods, Algorithm, Bearing Capacity
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Untersuchungen und Forschungsarbeiten mit dem Prinzip der Rückrechnung „Back Calculation“ gibt es weltweit eine Hand voll. Als Datenbasis für die numerische Modellierung dienen direkt gemessene physikalische Parameter wie Deflektion, Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit, Geometrie etc.
Deflektionsmessungen werden parallel mit zwei verschiedenen Methoden, der statischen auf Laser Messtechnik basierenden und der dynamischen, FWD-Versuche, durchgeführt.
Ein neuartiges nichtlineares Stoffgesetz und Verhaltensmodell wird benützt, um statische und dynamische Labor- und Feldversuchsresultate zu simulieren.
Die Kombination von zwei verschiedenen Versuchsarten –statisch und dynamisch- erhöht die Zuverlässigkeit der Rückrechnungsmethode und die Genauigkeit der Bestimmung der Eigenschaften der Schichten des Oberbaus von Verkehrswegen. Das Ziel ist den effizientesten Algorithmus für beide Belastungsarten zu finden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Structural evaluation and rehabilitation of the existing road infrastructure requires development of inexpensive and reliable techniques for non-destructive testing of pavements. The goal of this project is to develop a novel procedure for in-situ characterization of the mechanical properties of the road materials, with a focus on typical Swiss conditions. This procedure will be based on the static and dynamic inverse analysis (backcalculation) of the deflection bowl in the pavement surface under a truck load. As a potential application, when combined with the novel measurement techniques (e.g., lasers), this procedure will allow for the entire road to be scanned from a specially equipped moving truck. The tools developed for this approach will help not only to better assess the existing state of the road, but also to predict its future performance and to design the rehabilitation measures. The wide scope of the project requires national and international expertise, which will be achieved via the proposed collaboration.
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Projektbeschreibung
(Deutsch)
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Die meisten der existierenden Rückrechnungs Computer Programme basieren auf linear-elastischen Stoffgesetzen. Einige benutzen nichtlinear-elastische Modelle zusammen mit einer statischen Berechnung der Einsenkung der Strassenoberfläche unter einer Last. Wenige Programme benutzen linear-elastische Modelle für den Unterbau und die ungebundene Fundationsschicht und linear-viscoelastische für die Asphalt-Schichten in Kombination mit dynamischen Berechnungen der Oberbaustruktur unter dem Falling Weight Deflectometer (FWD) oder vibrierenden Belastungseinrichtungen. Es wurde gezeigt, dass diese Materialmodelle (mit rückgerechneten Parametern) nicht genaue Aussagen über die Spannungs- und Dehnungsverhältbisse in der Strassenstruktur zulassen. Unter- und Ueberschätzungen bis ca. 50% sind keine Seltenheit.
Mit den folgenden Teilzielen kann das oben genannte Hauptziel erreicht werden:
In der Schweiz wurden in den letzten Jahrzehnten eine grosse Anzahl von sehr interessanten Grossversuchen und Feldmessungen an Versuchsfeldern durchgeführt. Es soll eine Datenbank erstellt werden mit allen relevanten Versuchsresultaten aus Grossversuchen und der Praxis (Resultate aus den Rundlaufversuchen, Versuche in der Halle Fosse und FWD Messungen in der Schweiz).
Wir planen die Entwicklung einer statischen zerstörungsfreien Prüfung, basierend auf Laser Technologie, zur Messung der Deflektionsmulde in allen drei Dimensionen. Die Deflektion wird unter einer 10-Tonnen Achslast gemessen. Diese Messausrüstung wird kombiniert mit dem Falling Weight Deflection Messgerät (FWD).
Wir messen die Deflektionsmulden an verschiedenen Messpunkten auf ausgewählten Strassenabschnitten sowohl mit der statischen als auch mit der dynamischen (FWD) Messmethode.
Es werden die nötigen Laborversuche durchgeführt. Die Laborversuche dienen der Ermittlung von Basisgrössen, welche in den numerischen Berechnungen benötigt werden.
Einer der Gründe, weshalb die existierenden Methoden der Rückrechnung nicht genau sind, ist die Tatsache, dass linear elastische Modelle verwendet werden. Wir werden realistische neuartige nichtlineare, nichtelastische Materialverhalten in die Rückrechnungsmodelle einführen.
Die neu entwickelten Stoffgesetze und Modelle werden in Finite-Element-Berechnungen analysiert um Feld- und Laborversuche, welche in den Teilzielen 1,3,4 und 5 erhoben wurden, sowohl statisch als auch dynamisch zu simulieren.
Es ist vorgesehen sowohl vorhandene als auch neu zu entwickelnde Rückrechnungsverfahren zu testen. Das Ziel ist Rückrechnungen mit denselben Algorithmen für statische als auch dynamische Feldversuche mit neuartigen Stoffgesetzen durchzuführen.
Je ach den Resultaten der Rückrechnung werden die Teilziele 2 bis 7 angepasst und neue Daten erhoben.
Es werden Empfehlungen ausgearbeitet wie die vorgeschlagene Rückrechnungsmethode insbesondere für die beiden Deflektions-Messmethoden für die zerstörungsfreie Prüfung von Verkehrswegen im Hinblick auf die Dimensionierung und die Erhaltung verwendet werden kann.
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Methoden
(Deutsch)
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Literaturrecherche, Feldversuche, Laborversuche, Numerische Vorwärts- und Rückrechnungen der erhobenen Feld- und Laboprmessresultate.
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Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
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Laser-Deflektionsmessgerät zur Ausrüstung auf einem LW mit 10-Tonnen Achslast, Falling Weight Deflectometer (FWD)
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Stand der eigenen Forschung
(Deutsch)
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Im Anhand an dieses Gesuch ist eine eingehende Literaturstudie mit Literaturverzeichnis enthalten. Eine kleine Auswahl ist hier wiedergegeben.
(1) I. Scazziga, et al.(1994), „Vergleich von Oberbauvarianten für Kantons- und Gemeindestrassen“ (Rundlaufversuch Nr. 3), Schlussbericht zu Forschungsauftrag 35/80 und 17/85, Bundesamt für Strassenbau, bern,Nr. 316, August 1994
(2) M. Horat, et al.(1994), „Untersuchung des Verhaltens von Recycling- und teilweise gebrochenen Materialien für die fundationsschicht“ (Rundlaufversuch nr. 4) Schlussbericht zu Forschungsauftrag 7/85, Bundesamt für Strassenbau, Bern, Nr. 311, März 1994
(3) M.G.Grogg and J.W.Hall( 2004), “Measuring Pavement Deflection at 55 MPH” Public Roads, January/February 2004
(4) W.Uddind, S.Garza (2002), “In Situ Material Characterization of Pavement-Subgrade Systems using FWD Data and Validation By 3D-FE simulations” Federal Aviation Administration Airport technology Transfer Conference
(5) P.Andren (1999), “High-Speed Rolling Deflectometer Data Evaluation” Proc. SPIE Vol. 3586, p. 137-147, Nondestructive Evaluation of Aging Aircraft, Airports, and Aerospace Hardware III, Ajit K. Mal; Ed
(6) P.Andren and C.A.Lenngren (2000), “Evaluating Pavement Layer Properties with a High-Speed Rolling Deflectometer” Proc. SPIE Vol. 3994, p. 192-200, Nondestructive Evaluation of Aging Aircraft, Airports, and Aerospace Hardware IV, Ajit K. Mal; Ed.
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Projektziele
(Deutsch)
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Das Hauptziel dieser Forschungsarbeit ist eine zuverlässige, effiziente Methode zu entwickeln, mit welcher es möglich ist, die mechanischen strukturellen Eigenschaften von bestehenden Verkehrswegen zerstörungsfrei zu erheben. Die Daten sollen im Hinblick auf das Dimensionieren und Erhalten von Oberbaustrukturen aufbereitet werden. Das Ziel soll erreicht werden durch erhebliche Verbesserungen der Methode der Rückrechnung mit:
- Kombinieren von Falling Weight Deflectometer Versuchen mit neuartigen statischen Versuchen
- Anwenden von zuverlässigen nichtlinearen Stoffgesetzen und Modellen für dynamische und statische Berechnungen
- Entwickeln von stabilen Algorithmen für die Rückrechnung, welche sich sowohl für statische als auch für dynamische Berechnungen eignen
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Projektziele
(Englisch)
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Our ultimate long-term goal is to develop reliable and efficient methods for non destructing testing of mechanical properties of existing roads with applications to road design and maintenance.
Main goal of the proposed research is to achieve considerable improvement in back-calculation analysis by:
- Combining the FWD Dynamic tests with newly developed static tests.
- Using reliable state of the art non linear constitutive models of material behavior capable of modeling both dynamic and static conditions
- Developing robust inverse analysis algorithm which can perform both dynamic and static back calculation
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Forschungsplan
(Deutsch)
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Teilprojekte |
Quartal |
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IV/06 |
I/07 |
II/07 |
III/07 |
IV/07 |
I/08 |
II/08 |
III/08 |
IV/08 |
I/09 |
II/09 |
III/09 |
IV/09 |
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1. Daten Feld |
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2. Entwickeln T |
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3. Feldversuche |
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4. Laborversuche |
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5. Stoffgesetze |
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6. Vorwärtsrech. |
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7. Rückrechng. |
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8. Feed Back |
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9. Empfehlungen |
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10. Schlussber. |
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Die Resultate dienen als Grundlage zur Revision der Schweizerischen Dimensionierungsnorm.
Die Resultate dieser Forschungsarbeit können direkt von Ingenieuren, welche sich mit der Dimensionierung von Verkehrswegen befassen und von PMS-Verantwortlichen genutzt werden. Im Bericht werden die Beschreibung und Arbeitsanweisung der Messgeräte als auch der Rückrechnung enthalten sein. Der Benutzer kann diese Resultate in der Praxis einsetzen. Mit den vorgeschlagenen Instrumenten ist es möglich Unterhaltskosten effizient einzusetzen. Mit der Möglichkeit der Voraussage der restlichen Gebrauchsdauer ist es möglich, Unterhaltsmassnahmen ökonomisch zu planen.
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist ein neuartiges und innovatives Verfahren zu erarbeiten. Dieses kann zur indirekten zerstörungsfreien Prüfung von Oberbaustrukturen von Verkehrswegen verwendet werden.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Berichtsnummer
(Deutsch)
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1331
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Literatur
(Deutsch)
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(1) E. Levenberg and J.Uzan (2005), “1-D VE-VP Modeling of AC with Damage and Healing” TRB 2005
(2) C.W.Schwartz, N.H.Gibson, R.A.Schapery, M.W.Witczack (2002),””Viscoplasticity Modeling of Asphalt Concrete Behavior”, 15th Mechanics Conference, Jun2 2 -5,2002, ASCE
(3) G.R.Chehab, J.S.Daniel, Y.R.Kim, (2003) “Development of a constitutive model for fatigue cracking in asphalt concrete”16th Engineering Mechanics Conference, Juli 16-18, 2003 ASCE
(4) G.R.Chebab, Y.R.Kim, (2005), “Viscoelastoplastic Continuum Damage Model Application to Thermal Cracking of Asphalt Concrete”, J.Mat.Civ.Engrg, Volume 17, Issue 4, pp. 384-392, Juli-August 2005
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