A methodological framework for pavement damage estimation considering simulated axle load spectra

Abstract

Despite being crucial to the economic and social development of any country or region, road freight transport is one of the players responsible for environmental impact of transport increasing in the last decades. In order to minimise these impacts, heavy vehicles have been evolving. Consequently, road pavement design must keep up with it since a road pavement is designed for a foreseeable heavy traffic flow that will pass on the pavement during its considered life time.

The current pavement design procedures convert the heavy traffic flow into a number of Equivalent Standard Axle Load (ESAL) applications. In particular, the Portuguese procedure uses Aggressiveness Factors (AFs) to make that conversion. However, the Portuguese AFs have remained unchanged since at least 1995 and subsequently they are not up-to-date with the evolutions in heavy vehicles.

This thesis addresses the development of a methodological framework for AFs (and pavement damage) estimation. For that, axle load spectra are simulated by using a commercial software TruckSIM®. The methodological framework is applied to two case studies, a ‘baseline’ case study and an ‘empty running’ case study. For that, two pavement structures and two trucks are considered. The trucks carry different payload weights and run with different travel speeds over road profiles with different levels of roughness. In the third of a three level-hierarchical approach assumed, an application was created which allows the consideration of the degradation of the Asphalt Concrete (AC) modulus and the roughness growth along the pavement design period. It is used to quantify (a) the effect of the initial International Roughness Index (IRI) value of the road profile on the pavement damage, (b) the effect of the AC modulus degradation on the pavement damage and (c) the effect of the roughness growth on the pavement damage.

The results show that the AFs are strongly affected by the truck configuration, the pavement structure, the roughness level of the road profile and the design criterion. For example, the fatigue’s AF for a specific truck running fully loaded at 60 km/h over a road profile with IRI equal to 1 m/km is 53% higher in the thinner structure. The initial IRI value and the amount of AC modulus degradation have a great effect on the pavement damage. The AC modulus degradation can increase the pavement damage, at the end of the considered life cycle, within the range of 136% to 391%. In its turn, the roughness growth can increase the pavement damage within the range of 5% to 18%. The ‘empty running’ case study is intended to show how the methodological framework can be applied to quantify the impact of some transport policies on the pavement damage. When the empty running percentage reduces from 25% to 0%, the pavement damage, at the end of the considered life cycle, increases by more than 26% whichever case is analysed.

These results are closely related to the flexible pavement structures, the trucks and the models considered in the analysis. However, the methodological framework developed has the advantage of being easily applied and extendable to other situations.

Apesar de ser fundamental para o desenvolvimento social e económico de qualquer região ou país, o transporte rodoviário de mercadorias é um dos responsáveis pelo crescimento do impacto ambiental dos transportes nas últimas décadas. No sentido de minimizar estes impactos, os veículos pesados têm vindo a sofrer alterações. É assim necessário que o dimensionamento de pavimentos rodoviários acompanhe essas alterações, uma vez que um pavimento é dimensionado para suportar um determinado fluxo de veículos pesados que irá solicitar o pavimento ao longo do seu tempo de vida. Os procedimentos de dimensionamento de pavimentos correntemente usados convertem o fluxo de veículos pesados num número equivalente de aplicações de eixos-padrão. Por exemplo, o procedimento usado em Portugal utiliza fatores de agressividade para efetuar essa conversão. No entanto, estes fatores de agressividade permanecem inalterados desde pelo menos 1995, pelo que não têm acompanhado a evolução dos veículos pesados. Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para estimar fatores de agressividade (e o dano em pavimentos). Neste sentido foram simulados espetros de carga por eixo usando o programa comercial TruckSIM®. A metodologia é aplicada a dois casos de estudo, um caso de estudo de ‘referência’ e um caso de estudo de ‘viagens sem carga’. Para tal, foram consideradas duas estruturas de pavimento e duas configurações de veículos pesados de mercadorias. Os veículos pesados podem transportar cargas com pesos diferentes e circular com velocidades de circulação diferentes sobre pavimentos com diferentes níveis de irregularidade. No terceiro dos 3 níveis da abordagem hierárquica usada, foi criada uma aplicação que permite considerar a degradação do módulo das misturas betuminosas e o aumento da irregularidade do pavimento ao longo do período de dimensionamento. Esta aplicação é usada para quantificar (a) o efeito que a irregularidade inicial do pavimento tem no dano do pavimento, (b) o efeito que a degradação do módulo das misturas betuminosas, ao longo do período de dimensionamento, tem no dano do pavimento e (c) o efeito que o aumento da irregularidade do pavimento, ao longo do período de dimensionamento, tem no dano do pavimento. Os resultados mostram que os fatores de agressividade são fortemente afetados pelo tipo de veículo, pela estrutura do pavimento, pelo nível de irregularidade do pavimento e pelos critérios de dimensionamento considerados. Por exemplo, o fator de agressividade para o critério de fadiga e para um determinado tipo de veículo, que circula completamente cheio a 60 km/h sobre um pavimento com um Índice de Irregularidade Internacional (IRI) igual a 1 m/km, é 53% superior na estrutura delgada. O valor de IRI inicial e o modelo degradação do módulo das misturas betuminosas têm um grande efeito no dano do pavimento. A degradação do módulo pode aumentar os danos, no fim do ciclo de vida considerado, numa percentagem que pode variar entre 136% e 391%. Por sua vez, a evolução da irregularidade pode aumentar o dano do pavimento entre 5% e 18%. O caso de estudo ‘viagens sem carga’ pretende demonstrar a aplicabilidade da metodologia na quantificação do impacto que algumas políticas de transporte podem ter no dano dos pavimentos. Quando a percentagem de viagens sem carga reduz de 25% para 0%, o dano dos pavimentos, no fim do ciclo de vida considerado, aumenta em mais de 26%, seja qual for o caso analisado. Os resultados apresentados estão intrinsecamente relacionados com as estruturas de pavimento, as configurações dos veículos pesados e os modelos considerados na análise. Contudo, a metodologia desenvolvida tem a vantagem de poder ser facilmente utilizada e de poder ser facilmente estendida a outras situações.