fundament onder mobiliteit

Transcriptie

1 é ^KOAC ^^^ fundament onder mobiliteit

2 ^ KOAC N KOAC- Winthontlaan 28 Postbus GT Utrecht Tel Fax utrecht@koac-npc.nl e Model karakterisering vermoeiing asfaltbekledingen Ref. nr: t2- c(o^- 2c» r

3 ^KOAC Opdrachtnummer Offertenummer en datum Titel rapport Status rapport e o050392/au/adl Model karakterisering vermoeiing asfaltbekledingen Definitief Naam opdrachtgever Adres Plaats Naam contactpersoon Datum opdracht Kenmerk opdracht Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde Postbus GA DELFT de heer ing. C.C. Montauban 7 juli 2005 AK/ Contactpersoon KOAC«Auteur(s) rapport ing. A.K. de Looff ir. M. Moenielai ir. F. Tolman Rapportage Autorisatie Naam: M. Moenielai Naam: A. Handtekening: Handtekening: Datum: 12 december 2005 Datum: 12 december 2005 Zonder schriftelijke toestemming van KOAC- mag het rapport (of certificaat) niet anders dan in zijn geheel vi/orden gereproduceerd. e pagina 2 van 15

4 ^KOAC Inhoudsopgave 1 Inleiding 4 2 Beschrijving werkzaamheden 5 3 Vergelijking vermoeiingsrelaties 8 4 Relatie bezwijksterkte en stijfheidsmodulus 11 5 Conclusies en aanbevelingen 12 BIJLAGE 1 13 BIJLAGEN 14 BIJLAGE III 15 e pagina 3 van 15

5 (%KOAC 1 Inleiding In opdracht van de Dienst Weg- en Waterbouwkunde heeft KOAC* een studie uitgevoerd naar toepassing van de bezwijksterkte (buigtreksterkte) om de vermoeiingslevensduur van waterbouwasfaltbeton te bepalen. Er is een aantal factoren die aanleiding hebben gegeven voor het uitvoeren van deze studie: in dijkvakken met een grote variatie in de materiaalkwaliteit, wordt met het huidige model een grote variatie in de voorspelling van de vermoeiingslevensduur gevonden. Verondersteld wordt dat het delen van het opgelegde spanningsniveau door de bezwijksterkte leidt tot een lagere spreiding in de voorspelling van de vermoeiingslevensduur; het huidige vermoeiingsmodel geeft onvoldoende inzicht rondom het spanningsniveau dat overeenkomt met de bezwijksterkte. Het toevoegen van de bezwijksterkte geeft wellicht meer inzicht in het verloop van de vermoeiingsrelatie; bepaling van het op te leggen spanningsniveau is een arbitraire keus bij toepassing van het huidige model. De resultaten van de bezwijksterkte kunnen een hulpmiddel zijn om een goed onderbouwde keuze te maken van het op te leggen spanningsniveau, waardoor de kans op beschadiging van proefbalkjes wordt gereduceerd. In deze studie is gebruik gemaakt van resultaten van het onderzoek naar de Noordzeedijken in Noord-Holland (rapportnummer e ). Bij de Noordzeedijken zijn 3 dijkvakken onderscheiden: Helderse, Pettemer en Hondsbossche zeewering. Er is een analyse uitgevoerd van de onderzoeksresultaten en er is een model opgesteld om de relatie tussen de bezwijksterkte en de vermoeiingslevensduur te bepalen. e pagina 4 van 15

6 ^ KOAC 2 Beschrijving werkzaamheden Het doel van de studie is om een model op te stellen, dat de vermoeiingslevensduur beter kan voorspellen. In overleg met de opdrachtgever is bepaald dat het model globaal de vorm heeft zoals aangegeven in figuur 1. In deze figuur is weergegeven op welke verschillende wijzen de vermoeiingsrelatie rondom de bezwijksterkte beschreven kan worden. In deze studie zal vooral worden ingegaan op het lineaire deel van de vermoeiingscurve. Karakteristieke relatie nieuw model Helderse zeewering y =-5,3684x+1,2699 R^ = 0,7934 *^- 2-5% CTf -0,6-0,5-0,4-0,3-0,2 log aja, ^ ' - -0,1 Figuur 1 Voorbeeld relatie nieuw model vermoeiing e pagina 5 van 15

7 u KOAC In figuur 1 is Oo de opgelegde spanning tijdens de vermo«iingspro«f «n Ofde buigtreksterkte c.q. de bezwijksterkte. In het huidige model wordt de vermoeiingslevensduur met de volgende relatie beschreven: log7v=loga:-axlog(crj (1) Deze relatie is afgeleid uit de algemene vermoeiingsrelatie van materialen. N=k-{cTj-" (2) Hierbij zijn log k en a materiaalparameters die met behulp van vermoeiingsproeven worden bepaald. e pagina 6 van 15

8 fl KOAC in het nieuwe model kan de relatie op twee manieren worden beschreven: dubbel logschaal (zie formule 3) c.q. enkel logschaal (zie formule 4): log N = log m-cx log (T v^/y (3) log A^" ^a^ y'^fj -l (4) Hierbij zijn log m, c resp. d resp. I materiaalparameters die met behulp van vermoeiingsproeven worden bepaald. Verondersteld wordt dat het voordeel van het model is dat door het delen van de opgelegde spanning door de bezwijksterkte dat de spreiding in de resultaten zal afnemen. De volgende werkzaamheden zijn uitgevoerd bij het opstellen van het nieuwe model: De sterkteparameters worden bepaald volgens het bovenstaande model (met inachtname van de bezwijksterkte) en met het tot nu toe gebruikelijke model. De resultaten van beide modellen worden met elkaar vergeleken. Onderzoek naar de relatie tussen bezwijksterkte, opgelegde spanning en elasticiteitsmodulus. Verondersteld wordt dat er een betere relatie wordt gevonden tussen buigtreksterkte en elasticiteitsmodulus dan de eerder onderzochte relatie tussen opgelegde spanning en elasticiteitsmodulus. e pagina 7 van 15

9 fl KOAC 3 Vergelijking vermoeiingsrelaties Het nieuwe model voor de bepaling van de vermoeiingsrelatie kan op twee wijzen worden weergegeven: enkel en dubbel logschaal. Dit resulteert in twee verschillende regressiebenaderingen. De twee regressiebenaderingen zijn toegepast op drie afeonderlijke dijkvakken en voor een combinatie van de resultaten van de dijkvakken. De resultaten van de regressiebenaderingen zijn in de volgende tabel weergegeven. Na vergelijking van de resultaten zal een keuze worden gemaakt tussen beide type relaties. Bij de vergelijking is een aantal statistische grootheden berekend met behulp van regressielijnen, zoals het gemiddelde, de standaarddeviatie en de R^-waarden. De resultaten van de vergelijking tussen beide modellen is hieronder weergegeven voor de verschillende dijkvakken. De grafieken van de diverse relaties zijn in bijlage I weergegeven. Tabel 1 Gemiddelde Standaarddeviatie R^-waarde Vergel jking modellen Helderse Zeewering Huidig model Enkel logschaal Logoo Log (Oo / o,) 0,40 0,42 0,08 0,09 0,73 0,81 Dubbel logschaal Log{Oo/a,) -0,39 0,09 0,79 Tabel 2 Vergelijking modellen Pettemer Zeewering Huidig model Enkel logschaal LogOo Log (Oo / o,) Gemiddelde Standaarddeviatie R^-waarde 0,46 0,18 0,77 0,48 0,21 0,72 Dubbel logschaal Log (Oo / a,) -0,36 0,21 0,67 Tabel 3 Gemiddelde Standaarddeviatie R^-waarde Vergel jking modellen Hondsbossche Zeewering Huidig model Enkel logschaal LogOo Log(Oo/o,) 0,35 0,44 0,12 0,12 0,27 0,90 Dubbel logschaal Log (Oo / a,) -0,37 0,12 0,94 Tabel 4 Gemiddelde Standaarddeviatie R^-waarde Vergel jking modellen combinatie dijkvakken Huidig model Enkel logschaal LogOo Log (Oo / Of) 0,41 0,44 0,14 0,14 0,55 0,68 Dubbel logschaal Log (Oo / a,) -0,38 0,14 0,66 e pagina 8 van 15

10 f^ KOAC Vergelijking afzondehijke dijkvakken Uit vergelijking van de resultaten blijkt dat de Helderse en Pettemer zeewering de oude en nieuwe vermoeiingsmodellen weinig verschillen vertonen. Voor de Hondsbossche zeewering wordt een duidelijk verschil waargenomen. De nieuwe vermoeiingsmodellen (loglineair en machtsrelatie) vertonen hierbij een sterker verband tussen de vermoeiingslevensduur en de spanningsverhouding dan het huidige model. Het sterkere verband wordt verklaard met behulp van de grotere variatie in de materiaaleigenschappen van de Hondsbossche zeewering ten opzichte van de andere dijkvakken. De variatie in de materiaaleigenschappen wordt veroorzaakt door verschillen in de aanlegkwaliteit en ouderdom van de dijkbekleding. Ter toelichting is de relatie tussen de dichtheid proefstuk en de bezwijksterkte voor de afeonderlijke dijkvakken bekeken. De resultaten zijn weergegeven in de volgende tat»el: Tabel 5 Gemiddelde Standaarddeviatie R^-waarde Relatie dichtheid proefstuk- sterkte Resultaten dichtheid proefstuk dijkvakken en relatie dichtheid-sterkte Helderse zeewering ,22 Pettemer zeewering ,32 Hondsbossche zeewering ,86 De grafische resultaten zijn in bijlage II weergegeven. Er wordt geconstateerd dat hoewel de gemiddeldes en de dichtheden proefstukken van de verschillende dijkvakken relatief dicht bij elkaar liggen, er voor de Hondsbossche zeewering de grootste R^-waarde is gevonden voor de relatie tussen dichtheid proefstuk en bezwijksterkte. De andere vakken vertonen een significant kleinere R^-waarde dan de Hondsbossche zeewering. Opvallend is dat de hoge R^-waarde van de Hondsbossche zeewering overeenkomt met een lage R^-waarde voor de voorspelling van de vermoeiingslevensduur, zoals bepaald met het huidige vermoeiingsmodel (zie tabel 3). Terwijl voor de andere dijkvakken een relatief hoge R^-waarde is gevonden voor de voorspelling van de vermoeiingslevensduur, dat correspondeert met lage R^-waarden voor de relatie tussen dichtheid proefstuk en bezwijksterkte. Een mogelijke verklaring is dat voor de Helderse en Pettemer zeewering met het huidige vermoeiingsmodel reeds een goede correlatie is gevonden tussen de opgelegde spanning en de vermoeiingslevensduur. De correlatie zal dan niet significant verbeteren, als de bezwijksterkte wordt toegevoegd aan de vermoeiingsrelatie. Mogelijk dient de verklaring ook gezocht te worden in de variatie van niet onderzochte relevante materiaaleigenschappen, zoals bitumeneigenschappen en holle ruimte. e pagina 9 van 15

11 (%KOAC Vergelijking combinatie dijkvakken De gecombineerde data van de dijkvakken leveren een minder sterk verband op dan de afeonderlijke dijkvakken. Dit wordt verklaard door de grotere variatie in de materiaaleigenschappen van de gecombineerde dataset ten opzichte van de afeonderlijke dijkvakken. Beschrijving regressiebenaderingen alternatief vermoeiingsmodel De beschrijving van de vermoeiingsrelatie met behulp van enkel logschaal c.q. een dubbel logschaal levert weinig tot geen verschillen op. Er wordt de voorkeur gegeven aan toepassing van de dubbel logrelatie, omdat hiermee de materiaalparameters wiskundig gezien op eenduidige wijze bepaald kunnen worden en omdat er wordt aangesloten op de huidige beschrijving van de vermoeiingsrelatie van asfaltbekledingen. e pagina 10 van 15

12 AKOAC 4 Relatie bezwijksterkte en stijfheidsmodulus Een belangrijke veronderstelling in de huidige methode voor het beoordelen van een asfaltbekleding op golfklappen is dat er een relatie moet zijn tussen de bezwijksterkte en de stijfheidsmodulus. In de huidige methode worden namelijk zwakke plekken geselecteerd op basis van stijfheidsmoduli die met het valgewichtapparaat zijn bepaald. Verwacht wordt dat indien de variatie in materiaaleigenschappen klein is, de relatie tussen bezwijksterkte en stijfheidsmodulus geen lineair, maar vooral een constant verloop zal te zien geven. Indien er toch een lineair verband zichtbaar wordt, wijst dit op een grote variatie in materiaaleigenschappen. Het nieuwe vermoeiingsmodel heeft als voordeel dat er een betrouwbare voorspelling kan worden gegeven van de vermoeiingslevensduur, ondanks grote variaties in de materiaaleigenschappen. Voor elk dijkvak is daarom de relatie onderzocht tussen de bezwijksterkte en de stijfheidsmodulus. De stijfheidsmodulus is bepaald met behulp van de driepuntsbuigproef (zie rapportnr. e ). De relaties zijn grafisch weergegeven in bijlage III. De resultaten zijn hieronder weergegeven: Tabel 6 R^-waarde Resultaten relatie bezwijksterkte- stijl Helderse zeewering 0,16 Pettemer zeewering 0,16 fheidsmodulus Hondsbossche zeewering 0,60 Combinatie dijkvakken 0,35 Voor de Helderse en Pettemer zeewering wordt geconstateerd dat er een zwakke relatie blijkt te zijn tussen de bezwijksterkte en de stijfheidsmodulus, terwijl voor de Hondsbossche zeewering er een redelijk goede correlatie is gevonden. Analoog aan de resultaten van de relatie tussen dichtheid proefstuk en bezwijksterkte (zie hoofdstuk 3), worden dezelfde verklaringen van toepassing geacht. Een mogelijke verklaring is dat voor de Helderse en Pettemer zeewering met het huidige vermoeiingsmodel reeds een goede correlatie is gevonden tussen de opgelegde spanning en de vermoeiingslevensduur. De correlatie zal dan niet significant verbeteren, als de bezwijksterkte wordt toegevoegd aan de vermoeiingsrelatie. Mogelijk dient de verklaring ook gezocht te worden in de variatie van niet onderzochte relevante materiaaleigenschappen, zoals bitumeneigenschappen en holle ruimte. Er is geen vergelijking gemaakt met het huidige vermoeiingsmodel. Voor de relatie tussen opgelegde spanning en de stijfheidsmodulus wordt een lage R^-waarde verwacht, omdat de keuze voor het opgelegde spanningsniveau op arbitraire wijze plaatsvindt bij de uitvoering van de proef. e pagina 11 van 15

13 ^KOAC 5 Conclusies en aanbevelingen Op basis van de uitgevoerde analyses worden de volgende conclusies getrokken: 1. Voor de Helderse en Pettemer zeewering geeft het huidige vermoeiingsmodel goede correlaties voor de bepaling van de vermoeiingslevensduur, maar niet voor de Hondsbossche zeewering. 2. Het toevoegen van de bezwijksterkte aan het vermoeiingsmodel levert een betere correlatie op voor de Hondsbossche zeewering. Voor de andere dijkvakken vertoont de correlatie weinig verschillen met het huidige vermoeiingsmodel. 3. De bezwijksterkte lijkt een verklarende parameter te zijn om de vermoeiingslevensduur te voorspellen, met name voor dijkvakken met een grote variatie in de materiaalkwaliteit zoals de Hondsbossche zeewering. Bij toepassing van regressiebenaderingen met de bezwijksterkte als toegevoegde variabele neemt de nauwkeurigheid toe ten opzichte van het huidige model. De volgende aanbevelingen worden gedaan: 1. Voor de Helderse en Pettemer zeewering zijn er onverwacht slechte correlaties geconstateerd betreft de relaties van dichtheid proefstuk en de bezwijksterkte. Deze relaties dienen nader onderzocht te worden. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van gegevens van de opleveringscontroles, zoals gemiddeldes en spreidingen van samenstelling en holle ruimte. 2. Aanbevolen wordt vergelijkbaar onderzoek uit te voeren op asfaltbekledingen met kleine en grote variaties in de materiaalkwaliteit. 3. Een volgende stap is het bepalen van een karakteristieke relatie, die in het GOLFKLAPmodel dient te worden ingevoerd. Hiertoe dient de nauwkeurigheid van het model met de bezwijksterkte te worden onderzocht en de range van spanningsniveaus waarbinnen het alternatieve vermoeiingsmodel toegepast kan worden. Er is reeds geconcludeerd dat de voorspelling van de levensduur nauwkeuriger is geworden. Echter door het toevoegen van de bezwijksterkte, dient de spreiding van deze grootheid ook in ogenschouw te worden genomen bij de bepaling van de nauwkeurigheid van het alternatieve vermoeiingsmodel. Er zal moeten worden nagegaan op welke wijze de spreiding van de bezwijksterkte verwerkt moet worden bij de bepaling van de karakteristieke relatie en hoeveel metingen gedaan moeten worden om de bezwijksterkte te bepalen. e pagina 12 van 15

14 fl KOAC BIJLAGE I Grafieken vergelijking huidige en nieuwe vermoeiingsmodel Helderse zeewering Pettemer zeewering Hondsbossche zeewering Combinatie dijkvakken (compleet) e pagina 13 van 15

15 Bijlage I vergelijking huidige en nieuwe vermoeiingsmodel Huldig model Helderse Zeewering Nieuw model loglineair Helderse zeewering Nieuw model machtsrelatie Helderse zeewering 5 4,0 % 4 3,0 z ^.0 1,0 ^V.^^^ y = -6,1957x +5,8459 R^' = 0,7328 z 3 O) ^2 1 y =-5,691 lx+ 5,7306 : 0,8052 y = -5,3684x + 1 R^ = 0,7934 n n 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0, o 0,60 O 0,1 0,2 0,3 aja, 0,4 0,5 0,6-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2 log aja, -0,1 Huidig model Pettemer Zeewering Nieuw model loglineair Pettemer zeewering Nieuw model machtsrelatie Pettemer zeewering 5,0 5-4,0 3,0 2,0 1,0 y = -2,9151x +4,5404 R' = 0,7685 0,0 0, ,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 log<j ^^^^^^ y = -2,4855x + 4,3815****^ R^ = 0,7234 C ) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 oja, O) o R^ = 0, { -0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 O log aja, 1 O > n z TJ n

16 Bijlage I vergelijking huidige en nieuwe vermoeiingsmodel Huidig model Hondsbossche Zeewering Nieuw model loglineair Hondsbossche zeewering Nieuw model machtsrelatie Hondsbossche zeewering 5,0-4,0 logn to co 'o "o.^., ^ y = x R^ = 0,2703 1» 5-4 z 3 -«2. y = -4,5225x + 5,5324*^vJ R^ = 0,8993 R"^ = 0,9362 1,0-1 0,00 0,10 0, ,40 0,50 0,60 0 () 0.1 0, ,5 0,6 0,7-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 O logoo aja, log ajoi z ' l'2 Complete data: Huidig model A A» y = -0,4231x ^ ^^"^^-...^^^^^^^ R^ = ^****' 1 n c ) " log OO/CT, logn c 4 to co 1 n Complete data: Nieuw model machtsrelatie r^^h*^^^.^ y = -3,3103x "^**<..»* R^ = 0,684 * ^ T ^ C ) 0,1 0, ,5 0,6 0,7 0,8 log aja, O) o Complete data: Nieuw model machtsrelatie ^ = -3,2721x +2, T I 1 I I -, 9- -0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 O log ajoi o > n z TJ n

17 ^ KOAC BIJLAGE II Grafieken relatie bezwijksterkte (afin MPa) - dichtheid proefstuk [kg/m3] Helderse zeewering Pettemer zeewering Hondsbossche zeewering e pagina 14 van 15

18 BiJlag^^ei^ti^tijchtheidjiroefsU^t^^ll^Jksterkte Helderse zeewering in _ i. 7- * Ï2: y = 0,0085x-12,71 R^ = 0,2205 r\ _ Dichtheid [kg/m3] Pettemer zeewering in ^ 9 ld ü 5 S 4- f r y = 0,0111x-17,817 R^ = 0, n Dichtheid [kg/m3] Hondsbossche zeewering 4> m H 1 O 2050 y = 0,0185x-36,591 R^ = Dichtheid [kg/m3]

19 ^ KOAC BIJLAGE III Grafleken relatie bezwijksterkte (ai) - stijfheidsmodulus (E) Helderse zeewering Pettemer zeewering Hondsbossche zeewering Combinatie dijkvakken (compleet) e pagina 15 van 15

20 Q: 4((HMy/j^a«pcstei ta- pjjtjpmt Ismodulus Helderse zeewering: ope Q -, y = 0,0002x R^ = 0,1601 ^ > " 4 B n E [MPa] Pettemer zeewering: ope B" C y = 0,0002x +4,2466^ R' = 0,1579 t^ r j^ ) E [MPa] Hondsbossche zeewering: ope I 5 y = 0,0006x + 0,7543^ R^ = 0,6033,^1^^ n - ( ) E [MPa]

21