Praxis-Kalibrierung der neuen mobilen Grossversuchsanlage MLS10 für beschleunigte Verkehrslastsimulation auf Strassenbelägen in der Schweiz Messkampagne A1 Rothrist-Lenzburg / Folgeuntersuchungen

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: ASTRA2010/005_OBF
• Projekttitel Englisch: Performance-Calibration of the novel full-scale test machine MLS10 for accelerated traffic simulation on Swiss roads

Schlüsselwörter (Deutsch)

Verkehrlastsimulation; Beschleunigte Belagsprüfung APT; Leistungsfähigkeit von Asphaltbelägen; In-situ Kalibrierung; Bewertung; Tragfähigkeit; Strassen Dimensionierung

Schlüsselwörter (Englisch)

Traffic Simulation; Accelerated Pavement Testing APT; Performance of Asphalt Pavements, In-situ Calibration; Assessment; Bearing Capacity; Road Design

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die zahlreichen im Projekt "U2000" durchgeführten Versuche auf der Rundlaufanlage und auf den Versuchsfeldern der stark befahrenen Autobahn A2 im Bereich Sissach BL (teilweise auch mit dem Model Mobile Load Simulator MMLS3) haben einen umfangreichen Bewertungshintergrund für die verschiedenen mechanischen Zielgrössen gegeben. Diese sind:

• Deformationsstabilität der verschiedenen untersuchten Tragschichtmaterialien in Funktion der Zeit, des Klimas und der Belastungszyklen.
• Tragfähigkeit der verschiedenen Oberbaustrukturen in Abhängigkeit der Anzahl aufgebrachter Achslasten.
• Zusammendrückung und Vertikalverformung der bituminös gebundenen Schichten unter Verkehr.

In diesem neuen Projekt wird nun das in "U2000" mit den entsprechenden umfangreichen Untersuchungen erhobene und dokumentierte Verhalten von drei verschiedenen für das Projekt charakteristischen Strassenaufbauten mit verschiedenen Tragschichten mittels der neuen mobilen MLS10 verifiziert und für die Praxis- und Performance-Kalibrierung der Grossversuchsanlage im Hinblick auf künftige Anwendungen in der Schweiz verwendet. Neben den experimentellen Arbeiten wird die Praxis-Kalibrierung durch numerische Simulationen unterstützt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The numerous tests for the project "U2000" performed on the Swiss circular test track "Rundlaufanlage" as well as on the heavy traffic motorway A2 in the vicinity of Sissach BL (tests that were partly also performed with the Model Mobile Load Simulator MLS3) provided a broad data basis for assessment of different mechanical performance data:

• Deformation stability of the different base course materials as a function of time, climate and load cycles
• Bearing capacity of different pavement structure as a function of the number of axle loads
• Compression and vertical deformation of bituminous layers under traffic

This new project aims at verifying the behavior determined and documented within "U2000" by comprehensive investigations. Hence, three characteristic road structures with different base courses will be investigated, using the new mobile MLS10 and using the results for praxis and performance calibration of the full-scale Traffic Simulator with respect to its future use in Switzerland. In addition to the experimental validation, numerical simulations will be also performed.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Die Grossversuchsanlage Rundlauf hat das Forschungswesen im Bereich der strukturellen Dimensionierung von Oberbauten von Verkehrswegen in den letzten dreissig Jahren wesentlich beeinflusst. Aufgrund von Versuchen im Grossmassstab 1:1 auf mehr als 35 Versuchsfeldern im Rundlauf wurden die heute gültigen Schweizer Normen für die Dimensionierung von Oberbauten und die Beurteilung von Rezepturen für die Materialherstellung massgebend beeinflusst (siehe Literaturangaben)

Mit der MLS10, dem mobil einsetzbaren Verkehrslastsimulator wird die Forschungstätigkeit im gleichen Sinne weitergeführt, allerdings mit dem Vorteil, dass das Gerät wegen seiner Mobilität auf tatsächlich befahrenen Strassen eingesetzt werden kann.

Um aber die neue, leistungsfähige mobile Anlage optimal einsetzen zu können, ist es notwendig, einen entsprechenden Bewertungshorizont für die besonderen Schweizer Verhältnisse aufzubauen und gezielt MLS10 Resultate mit bisherigen Erkenntnisse des Rundlaufs zu vergleichen und zu kalibrieren. Dies muss auf ausgesuchten Strecken erfolgen, deren Material- und Einbaukennwerte, Verkehrs- und Klimabelastung sowie Performance bekannt sind. Dafür bieten sich in hervorragender Weise die Versuchsstrecken des Projektes "U2000" auf den Versuchsfeldern der stark befahrenen Autobahn A2 im Bereich Sissach BL an. Dies vor allem auch deshalb, weil bei diesen Feldern ein Teilersatz inkl. oberste Tragschicht durchgeführt wurde und die Strecke erst seit ca. 4 Jahren wieder befahren wird. Zudem liegen seitens "U2000" aus den Rundlaufversuchen umfangreiche Vergleichsdaten vor, betreffend:

• Deformationsstabilität der verschiedenen untersuchten Tragschichtmaterialien in Funktion der Zeit, des Klimas und der Belastungszyklen.
• Tragfähigkeit der verschiedenen Oberbaustrukturen in Abhängigkeit der Anzahl aufgebrachter Achslasten.
• Zusammendrückung und Vertikalverformung der bituminös gebundenen Schichten unter Verkehr.

Die mobile Grossversuchsanlage MLS10 wird auf denselben Versuchsfeldern eingesetzt, welche anlässlich der Forschungsarbeiten zu "U2000" eingebaut wurden.

Diese Versuchsfelder sind auf dem Normalfahrstreifen während nun drei Jahren mit bekanntem Verkehr befahren worden. An denselben Versuchsfeldern sind Flächen vorhanden, welche sehr wenig bis nicht befahren wurden (Pannenstreifen).

Die neue MLS10 soll sowohl auf befahrenen als auch auf unbefahrenen Abschnitten eingesetzt werden. Es werden Achslasten mit Doppelbereifung von 12 Tonnen (entsprechende Radlasten 6 Tonnen) aufgebracht. Die Belastungsgeschwindigkeit beträgt 6000 Radlasten pro Stunde.

Es ist vorgesehen, drei verschiedene Versuchsfelder mit der MLS10 zu prüfen und zudem den aktuellen mechanischen Zustand der Schichten hinsichtlich Steifigkeit sowie den Schichtenverbund an Bohrkernen zu untersuchen. Neben den experimentellen Arbeiten wird die Praxis-Kalibrierung durch numerische Simulationen unterstützt.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Hauptnutzniesser dieses Projekts sind letztlich all jene Kreise, die einen Vorteil von dauerhafteren, leistungsfähigeren und umweltfreundlicheren Strassen sowie einem hohen Stand der Qualität und Normierung haben, d.h. Betreiber, Benutzer und Anwohner, sowie jene, die neue Strassenbeläge entwickeln und einbauen. Somit sind die Nutzniesser:

• Bund (ASTRA)
• Kantone
• Gemeinden
• Industrie (Bauunternehmungen, private Labors)

Interessenten im nahen Ausland (z.B. TPA Wien)

Methoden (Deutsch)

Auf drei Versuchsfeldern von "U2000" auf der A2 im Bereich Sissach BL werden mit der neuen MLS10 befahrene und unbefahrene Abschnitte mit Radlasten von 6 Tonnen (Doppelbereifung) bei einer Belastungsgeschwindigkeit von 6000 Radlasten pro Stunde belastet. Damit können 0.5 Millionen Achslasten in ca. 5 Einsatztagen (z.B. 10 Nächten) aufgebracht werden.

Vor dem Aufbringen der Belastungen werden alle interessierenden Grössen gemessen. Das sind:

• Oberflächengeometrie quer
• Oberflächengeometrie längs
• Schichtdicken mittels Georadar
• Deflektion unter einer 6-Tonnen Radlast
• Geometrie der Einsenkungsmulde (3-dimensional) unter 6-Tonnen Radlast
• Zusammendrückung der bituminös gebundenen Schichten mittels eingebauten Deformationsmeter
• Temperatur an der Oberfläche und in den Tiefen -50mm, -150mm und -300mm
• Vertikalverformung mittels Beschleunigungssensoren

Die Messkampagnen werden jeweils nach 50'000, 100'000, 250'000 und 500'000 Achslastübergängen wiederholt.

Das gemessene Verhalten der verschiedenen Oberbaustrukturen mit der MLS10 wird den Resultaten der Forschungsarbeiten welche, im Rahmen des Projektes U2000 erhoben wurden, gegen­übergestellt. Zu diesem Zwecke werden entsprechende numerische Dimensionierungsberechnungen durchgeführt.

Dieses Vorgehen erlaubt die direkte Kalibrierung und Validierung der MLS10. Vor allem erhoffen wir uns auch eine Klärung der teilweise nicht vollständig erklärbaren Resultate aus dem Projekt "U2000".

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

MLS10

Zusammendrückungsmesseinrichtung

Georadar

Stand der eigenen Forschung (Deutsch)

Grossversuche unter realen definierten Verkehrs- und Klimabedingungen werden praktisch in allen Schlüsselländern der Strassenbauentwicklung als unerlässliches Instrument angesehen, um Bau- und Unterhaltskosten zu reduzieren sowie die Gebrauchtauglichkeit und Nachhaltigkeit von Strassenbelägen (Schonung der Ressourcen und des Volksvermögens) weiter zu verbessern.

Insbesondere sind Grossversuche mit beschleunigter Verkehrslastsimulation auf Belägen (sog. Accelerated Pavement Testing, APT) ein wesentliches Element, um die Errungenschaften der angewandte Forschung und Entwicklung im Bereich Baustoffe, Belagsaufbauten und Dimensionierungen hinsichtlich ihrer praktischen Tauglichkeit und Umsetzung ohne Behinderung von Verkehrsteilnehmern in sicherer und rascher Weise validieren und optimieren zu können. Dies belegen nicht zuletzt die intensivierten internationalen Anstrengungen auf diesem Gebiet (siehe 3rd International Conference Accelerated Pavement Testing, APT´08, Madrid, www.cedex.es/apt2008) sowie der Erfolg der bisher durchgeführten Untersuchungen und Versuchsanlagen im In- und Ausland (siehe NCHRP Synthesis 325 Significant Findings From Accelerated Pavement Testing, Washington 2004).

Tatsächlich hat auch die Schweiz dank solch relativ aufwändiger bisheriger Einrichtungen, wie namentlich dem Rundlauf der ETHZ auf dem Gelände der EMPA sowie der Halle Fosse der EPFL, zum Wohle des Strassenbenutzers und der Volkswirtschaft recht erfolgreich eine punktuelle auf die Schweiz zugeschnittene Baustoffforschung und Systementwicklung betreiben können, die es ermöglichte, bezüglich Gebrauchstauglichkeit, Sicherheit und optimalem massvollem Materialeinsatz technologisch mit den dramatisch steigenden Verkehrsbeanspruchungen und Zusatzbedürfnissen (z.B Umwelt) aber auch mit den technischen Neuentwicklungen bis dato weitgehend Schritt zu halten.

Projektziele (Deutsch)

Ziel ist das Praxis-Kalibrieren und Validieren der Forschungsresultate der MLS10 durch erneute Untersuchung der Versuchsfelder von "U2000" und der Vergleich mit den entsprechenden Daten aus der umfangreichen Forschungsarbeit „U2000“. Es ist ein Bewertungshintergrund für den künftigen Einsatz der neuen Grossversuchsanlage in der Schweiz zu erarbeiten. Dabei sind insbesondere Zusammenhänge zwischen den Daten des ehemaligen Schweizer Rundlaufs (heutiger APT Erfahrungshintergrund) - In-situ Praxisverhalten - neuer MLS10 aufzuzeigen

Projektziele (Englisch)

Goal is practical performance oriented calibration and validation of MLS10 accelerated pavement testing results through renewed testing of the "U2000" test sections and by comparing these results with the corresponding data from the comprehensive research "U2000". This means creating an assessment basis for the future use of the new full-scale testing equipment in Switzerland and to show the relationships between the data of the former Swiss circular test track (actual APT basis of experience) - in situ performance - new MLS10.

Forschungsplan (Deutsch)

Wie unten dargestellt wird die Forschungsarbeit auf 14 Monate veranschlagt . Im Zeitplan wurde berücksichtigt, dass zeitliche betriebsbedingte Zwangspunkte seitens des Betreibers der Strecken bestehen und dass allenfalls auf witterungsbedingte Einflüsse Rücksicht genommen werden muss. Der Arbeitsplan enthält folgende Hauptelemente:

• Planung Versuchsfelder: Definition der Versuchsfelder, Logistic, Festlegen der Prüfstelle
• Bau Sensoren: Zusammendrückungssensoren, Beschleunigungssensoren
• Einbau Sensoren: Kabel, Datenlogger, Kalibrierungen
• Probenentnahmen & Mat. Untersuchung: Bohrkernentnahme, Steifigkeit, Schichtenverbund
• Messkampagne 1 ...3: unbefahren und befahren, je 500 k Achslastübergänge
• Auswertung: Datenanalyse, numerische Berechnungen, Gegenüberstellung mit Daten von U2000
• Bericht

siehe unten beigefügte Dokumente: Tabelle.pdf

Daraus ergeben sich folgende Meilensteine:

1. erste Messkampagnen durchgeführt (6mt)
2. weitere Messkampagnen durchgeführt und Auswertung gemacht (11mt)
3. Bericht und Projektabschluss (14 mt)

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Das Forschungsprojekt wird die Anwendung der Grossversuchsanlage auf eine für die Schweiz angepasste Grundlage stellen. Erkenntnisse werden in verschiedenen späteren Forschungsprojekten mit denen eine MLS10 Validierung vorgenommen wird, als Bewertungshintergrund einfliessen

Berichtsnummer (Deutsch)

1432

Literatur (Deutsch)

Rabaiotti C., Caprez M. (2007) "UNTERHALT 2000, Forschungspaket 4: Dauerhafte Beläge", Forschungsauftrag [ASTRA 2000/422] auf Antrag des Bundesamtes für Strassen (ASTRA), im Druck

Gubler, R., Partl, M.N. (2007): "UNTERHALT 2000, Forschungspaket 2: Dauerhafte Komponenten bitumenhaltiger Belagsschichten", Forschungsauftrag [ASTRA 2000/420] auf Antrag des Bundesamtes für Strassen (ASTRA), Im Druck

Angst, C (2007). "UNTERHALT 2000, Forschungspaket 7: Vergleichsstrecken mit verschiedenen Tragschichten auf einer Nationalstrasse", Im Druck

Partl M, N, Caprez, M. (2004), "Forschungs- und Beschaffungskonzept: neue mobile Grossversuchsanlage für beschleunigte Verkehrslastsimulation auf Strassenbelägen in der Schweiz EMPA/IGT

Rabaiotti C., Caprez M. (2006) “Mechanical response of asphalt-pavements under static and moving wheel-load” GeoCongress Atlanta 2006, invited presentation

Rossner H.P., et al. (1982) „Verhalten des Strassenoberbaus unter wiederholter Belastung“

(Rundlaufversuch Nr. 1), Schlussbericht zu Forschungsauftrag 13/77 und 34/80, Forschungsberichte des Eidg. Departementes des Innern, Nr. 50;Bern,März 1982

Jacot A. (1985) „Langzeitverhalten und Dimensionierung von Zementstabilisierungen“ (Rundlaufversuch Nr. 2), Schlussbericht zu Forschungsauftrag 8/83, Forschungsberichte des Eidg.Departementes des Innern, Nr.113, Bern, Februar 1985

Scazziga I., 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

Horat M., 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

Beligni M., et al. (1995), „Heiss- und Kaltmischfundationsschichten aus recycliertem Ausbauasphalt“ (Rundlaufversuch Nr. 5), Schlussbericht zu Forschungsauftrag 14/91, Bundesamt für Strassenbau, Bern, Nr. 351, August 1995

Oekzul O., et al. (1999),“Zementstabilisierte Fundationsschichten aus Asphaltgranulat und Kiessand unter dünnen bituminösen Deckschichten“ (Rundlaufversuch Nr. 6), Schlussbericht zu Forschungsauftrag 08/95, Bundesamt für Strassenbau,Bern, Nr. 451, Mai 1999

Arraigada, M., Partl, M. N., Angelone, S. M. (2007): "Determination of Road Deflections from Traffic Induced Accelerations" International Journal of Road Materials and Pavement Design, JRMPD, Hermes Science Publications, Vol 8/3, pp 399...421, (2007)

Partl, M.N. (2006): "Auf dem Weg zu modernen Materialien". Baublatt, Jubiläumsausgabe 75 Jahre VESTRA, September pp62-66, (2006)

Raab, C., Partl, M. N., Anderegg, P., Brönnimann, R. (2005): "A LTPP Study with a new Device for Vertical Deformation Measurements", Int. J. of Pavement Engineering, Vol 6, Nr3, pp211…216.

Raab, C., Partl, M.N., Jenkins, K., Hugo, F. (2005): "Determination of Rutting and Water Susceptibility of Selected Pavement Materials using MMLS3", 7th Int. Conf. on the Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields, BCRA’05, Trondheim, 27.-29. June

Sokolov, K, Stimolo, S., Burger, H.M., Partl, M.N. (2005): "Application of a Model Rutting Tester for Road Safety Installations". J. of Materials & Structures Nr 279, June, pp 533...540

Several Authors (1993): “AASHTO Guide for Design of Pavement Structures, 1993” American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C.

SN 640 324a : Dimensionierung Strassenoberbau, VSS Vereinigung Schweizerischer Strassenfachleute¨

Romanoschi S.A: and Metcalf J.B. (2003),”Errors in Pavement Layer Backcalculation due to Improper Modeling of the Layer Interface Condition” 82 Annual Meeting of the Transportation Research Board

Uzan J. (2004), “Linear and Nonlinear Backcalculation for Site 1 in Hanover” 83^rd Annual Meeting of the Transportation Research Board

Several Authors (2006): "Pavement Management; Monitoring, Evaluation, and Data Storage; and Accelerated Testing", Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 1974

Several Authors (2004): NCHRP Synthesis 325 "Significant Findings from Accelerated Pavement Testing", Transportation Research Board, Washington 2004

Several Authors (2003): NCHRP Report 512 "Accelerated Pavement Testing Data Guidelines", Transportation research Board, Washington

De Vos, E., Hugo, F., Strauss, P., Prozzi, J., Fults, K. Tayob, H. (2007), "Comparative Scaled MMLS3 Tests vs. Full-Scale MLS10 Tests in Mozambique", 86^th Annual Meeting of the Transportation Research Board

Lee, J., Y.R. Kim, and E.O. McGraw. (2006): "Performance Evaluation of Bituminous Surface Treatment Using the Third-Scale Model Mobile Loading Simulator", Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 1958

Bhattacharjee, S., Gould, J.S.; Mallick, RB, Hugo F. (2004): An evaluation of use accelerated loading equipment for determination of fatigue response of asphalt pavement in laboratory, Int. J. of Pavement Engineering

Ebels L-J, Jenkins K, and Sadzik E (2004), "Investigation into the Correlation of the MMLS3 and HVS Devices", Proc. 2^nd Int. APT Conference, Minneapolis, USA