Mechanistic Pavement Design considering hourly loading conditions

Die „Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht“ (RDO Asphalt 09) stellen ein alternatives Verfahren für die Dimensionierung von Straßenoberbauten in Asphaltbauweise gegenüber den Bauweisen gemäß den „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen“ (RStO 12) im deutschen Regelwerk dar. Hier werden Beanspruchungszustände im Straßenoberbau berücksichtigt, die aus der Überlagerung von Häufigkeiten aus Verkehr und Temperatur für den geplanten Nutzungszeitraum resultieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein erweitertes Berechnungsverfahren umgesetzt, das die Erfassung von Beanspruchungen zu jeder Stunde innerhalb des geplanten Nutzungszeitraumes ermöglicht. Dieses erlaubt neben der verbesserten Erfassung einer Vielzahl von realistischen Lastfällen zusätzlich zu dem im deutschen Regelwerk definierten Ermüdungsnachweis von Asphalt („Bottom-Up-Cracking“) den Ermüdungsnachweis gegenüber der kälteinduzierten Rissbildung von oben („Top-Down-Cracking“, Ermüdung der Asphaltdeckschicht). Durch Parameterstudien konnte gezeigt werden, dass die Berücksichtigung lokaler Temperaturdaten auf stündlicher Basis im Rahmen der rechnerischen Dimensionierung von entscheidender Bedeutung ist. Des Weiteren wurde gezeigt, dass bei den im Regelwerk dokumentierten standardisierten Bauweisen mit Asphaltdecke die prognostizierten Temperatureffekte aus der Klimaerwärmung, für den im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Nutzungszeitraum, nicht gesondert berücksichtigt werden müssen und dass eine ermüdungsbasierte Rissbildung bei Kälte parallel zur Lasteinleitung aufgrund von Überlagerungseffekten aus mechanogenen und kryogenen Zugspannungen, wenn überhaupt, nur in wenigen Ausnahmefällen nachgewiesen werden kann.The German pavement design guideline (RDO Asphalt 09) provides an alternative method to design pavement structures compared to the standardized superstructures according to RStO 12. Here stresses and strains within the pavement are taken into account, resulting from the superposition of frequencies of traffic and temperature for the design period. In this thesis an advanced method for the mechanistic pavement design procedure has been introduced that allows the detection of stresses and strains at any hour within the design period. This allows an improved detection of realistic load cases. In addition to the defined procedure of asphalt fatigue resistance ("bottom-up-cracking") within the German regulations a new approach, namely “top-down-cracking” at cold temperatures, is taken into account. Through parametric studies it was shown that the consideration of local temperature data on an hourly basis is crucial within the mechanistic pavement design procedure. Furthermore, it was shown that effects on the documented standardized asphalt pavement constructions due to global warming do not need to be considered for the time period taken into account in this work and that a fatigue-based cracking at cold temperatures, parallel to the load application by superposition from mechanical and cryogenic tensile stresses, if anything can be detected only in a few exceptional cases