I det här kapitlet analyseras de resultat som presenterades i kapitel 4. Resultaten kommenteras utförligare och möjliga bakomliggande orsaker till resultaten diskuteras. Analysen kommer att inledas med en allmän diskussion rörande alla analyserna, därefter behandlas de olika metoderna enskilt, sedan en sammanfattad slutsats, och avslutningsvis kommer förslag på fortsatta arbeten.
5.1 Allmänt
Vi inleder det här avsnittet diskussionsavsnittet med en kort genomgång och påminnelse om hur arbetet och analysen genomfördes. Tre olika designer för konstruktion simulerades och analyserades med hjälp av COMSOL Multiphysics®. Två av designerna byggde på att en avfasning i det anslutande betongelementet skulle ge stöd åt asfaltsvägen underifrån. Den tredje designen använde sig av en expansionsskarv i närheten av anslutningen vilken skulle tillåta rörelser i horisontalled. Utöver de tre designmetoderna analyserades även en nollmetod, rak anslutning utan några element tänkta att förbättra prestandan, med syfte att ha en utgångspunkt för jämförelse av resultaten.
De resultat från analysen som ansågs vara av huvudsakligt intresse var deformation, vilken mättes i form av förskjutning i vertikalled, och spänning, vilken mättes i form av von Mises spänning.
Mätningarna fokuserades på asfaltskomponenten av vägen då det antogs att den skulle vara mest utsatt och även är det mindre hållbara materialet i jämförelse med betong.
Mätpunkter placerades således ut i asfalten på tre nivåer; yta, mitten, och botten. De första mätpunkterna placerades ut i direkt anslutning till betongen följt av två omgångar med ett avstånd av fem (5) centimeter och därefter tio (10) centimeter. Mätpunkter placerades ut fram till ett avstånd från skarven på 3 meter för att skapa ytterligare ett referensvärde i form av hur normalt beteende för asfalten, utan influens från skarven, såg ut samt för att se på vilket avstånd detta beteende uppstod. Resultat från två av analyserna antyder att de sista mätpunkterna, istället för att påverkas av skarven kan ha påverkats av den bortre gränsen av modellen och därmed ha lätt missvisande värden.
Valet att använda von Mises spänning istället för huvudpänningsriktningar motiverades av att det tar hänsyn till spänning som uppstår både av volymförändrarande belastning och rent geometrisk deformation. Von Mises anses ofta ge mer verklighetstrogna resultat vid analys av ”mjuka” material jämfört med huvudspänningsmetoden – vilken stämmer bättre överens med spröda material.
Spänningar har således registrerats både i fallen då deformation av vägen skett och då deformation har förhindrats.
42
5.2 Deformation
Precis som i resultatdelen av det här arbetet kommer endast avfasningsmetoden och nollmetoden att tas upp i diskussion kring deformation och deformationsuppbyggnad. Metoden med expansionsskarv var aldrig tänkt att ha någon inverkan på deformationen och resultaten från analysen var i det närmaste identiska med nollmetoden. Om intresse finns så går det att hitta deformationsresultaten även för expansionsskarvsmetoden i Appendix C – Utskrifter från COMSOL Multiphysics®.
I korta ordalag var tanken bakom metoden med avfasning i betongen att bidra med ett stöd till asfalten och därmed minska deformationerna. Målet med metoden var att förlänga avståndet mellan skarven fram till dess att maximal deformation uppnåtts. Tanken var att vid den tidpunkt då deformationerna uppnått kännbar storlek ska passage med fordon upplevas som mjukare och jämnare och höjdskillnaden mellan asfalt och betong ska bli mindre påtaglig.
Simuleringen av deformationen genomfördes för alla mätpunktshöjder i asfalten och för både sommar- och vinterklimat. Deformationen för de olika höjderna i betongen befanns vara i det närmaste identisk, både i storlek och även i utseende varpå endast en av nivåerna, mitten, valdes för presentation och analys.
Som en första kommentar till resultaten kan de enkelt sammanfattas som förväntade. I alla fallen;
sommar och vinter för båda metoderna förlängdes sträckan som krävdes innan maximal deformation uppnåddes. Föga förvånande gav den längre avfasningen bättre resultat i den här aspekten än den kortare varianten. I analysen med materialdata motsvarande sommarklimat förbättrades resultaten med 70-120 % och vid vinterklimat 25-125 % vid jämförelse med nollmetoden.
En av de intressanta sakerna som finns att notera är att den sänkta deformationstakten inte märks av över hela längden av avfasningen för någon av metoderna. I båda fallen, både sommar och vinter, ökar deformationstakten efter runt 2/3 av avfasningens längd varpå deformationstakten ökar fram till att maximal deformation har uppnåtts. Det resultatet tyder på att det finns ett maximalt djup över vilket betongavfasningen bidrar med ett stöd till de överliggande lagren. Analysen tyder på att det här maximala djupet ligger runt 120 mm.
Vidare nu till den resterande deformationen och skillnaden i deformation direkt i skarven. Det är rimligt att anta att större delen av den resterande deformationen sker på ett större djup, i bärlagren under asfalten. Vilket för oss till skillnaden i deformation i mätpunkten placerad precis i skarven; med en avfasning märktes här en minskning på 20-22 % och 20-30 % för sommar- respektive vinterklimat.
Den bakomliggande anledningen till den här skillnaden förklarades som hastigast i avsnitt 2.3.1; då betongen har en betydligt högre styvhet än asfalten (och ännu högre jämfört med bärlagret) breder den ut lasten på ett mycket effektivt sätt. Påfrestningarna på bärlagret blir då lägre vilket ger en minskad deformation. Den uteblivna deformationen är självklart inte försvunnen utan är del av den deformation som upplevs efter betongsavfasningen.
Slutligen bidrar betongen i sig själv med lokalt minskade deformationer. Återigen tack vare högre styvhet deformeras inte betongen i avfasningen lika mycket som asfalt i motsvarande läge hade gjort.
Även denna deformation återkommer självklart senare, efter avfasningens slut varpå den slutgiltiga deformationen, bortanför skarvens influensområde, är lika stor för alla fallen.
43
5.3 Spänning
Som nämnt tidigare kan spänning uppstå på grund av två anledningar
• På grund av deformation
• På grund av förhindrad rörelse
Båda designmetoderna är tänkta att hjälpa mot spänningsuppbyggnad och kommer i det här ansnittet att behandlas separat, först avfasningsmetoden och därefter expansionsskarven. Precis som vid analysen av deformationen kommer resultaten att jämföras med nollmetoden. Till skillnad från deformationsanalysen skiljde sig resultaten mellan de olika nivåerna – inte bara i storlek utan även i utseende. Alla resultat är således av intresse.
Likt fallet med deformation utfördes mätningar i punkter ut till ett avstånd av tre (3) meter ifrån skarven för att försöka etablera en ”standardspänning” som vägen upplever utanför skarvens influens.
I nästan alla fallen påvisade resultaten förhöjd spänning i mätpunkterna placerade direkt i skarven.
Inte bara i jämförelse med den standardspänning som registrerades utan också med den närmast belägna punkten, endast fem (5) centimeter längre ut. Antagandet om att spänningar uppstår på grund av att asfalten förhindras från att deformeras in i betongen verkar således stämma
Avfasning 5.3.1
Avfasningsmetoden var, som bekant, i huvudsak tänkt minska deformationer i asfalten. Minskade deformationer leder i sin tur till att de spänningar som uppstår på grund av deformation minskar.
Resultaten visade sig tydligast då materialegenskaper motsvarande sommarklimat användes.
Asfaltens och de underliggande lagrens lägre styvhetsmodul leder till att materialen är mer benägna att deformeras – det finns således större deformationer att förhindra. De mönster som gick att se med sommarklimat var även synliga vid vinterklimat men inte i samma utsträckning.
I resultaten syns det i den övre och mellersta nivån en tydlig sänkning av spänningen över avfasningen. Spänningen ökar även långsamt i takt med att avståndet mellan ytan och betongen ökar. Likt resultaten med deformation avslutas spänningssänkningen ganska abrupt en bit innan avfasningen tagit slut – även denna gång runt 2/3 av avfasningen.
Mätpunkten närmast skarven visar högre värden än resteranade punkter ovanför skarven, dock tydligt lägre än vid nollmetoden. Den här delen visar tydligt att spänning från deformation har minskat med avfasningen men att spänningen från trycket mot betongen finns kvar. I fallen med den längre avfasningen syns även en liten förhöjning i punkten närmast skarven.
På den lägre mätnivån syns ingen spänningssänkning över avfasningen. En annan intressant sak sker istället på den här nivån; mot slutet av avfasningen sker istället ett spänningspåslag över tre punkter, efter det återgår spänningen till en lägre nivå. Spänningspåslaget sker i det området då deformationerna ökar före avfasningens yttre gräns. Ökningen sker förmodligen på grund av att deformationerna ökar men att det trots det finns mothåll som orsakar tryckspänningar.
I korthet kan det sägas att metoden presterade som förväntat.
44 Expansionsskarv
5.3.2
Expansionsskarven hade i syfte att tillåta horisontella rörelser att ske och därmed minska trycket i skarven. Resultaten från simuleringarna påvisade dessvärre ingen större skillnad mellan expansionsskarven och nollmetoden. Den övre mätpunkten i direkt anslutning till skarven visade en marginell spänningssänkning, runt 2,5 % lägre, vid både sommar- och vinterklimat. Resultatet var däremot inte konsekvent över de övriga nivåerna – resultaten var till och med till fördel för nollmetoden i vissa av fallen, även om det rörde sig om under 1 %.
Inga tydliga slutsatser kan dras från det här resultatet.
Trots att undersökningen av spänningspåslaget inte gav några tydliga resultat gav analysen av de horisontella rörelserna i betongen resultat som förtjänar att tittas närmare på. Om än inte speciellt stora rörelser så syntes det i resultaten att betongen flyttades i horisontalled strax innan lasten nådde fram till skarven. Med det i åtanke kan metoden inte helt och hållet avskrivas baserat på resultatet från spänningsanalysen.
5.4 Slutsatser
Det här arbetet inleddes med avsikten att testa två olika metoder för att konstruera övergången mellan betong och asfalt i en väg. Metoderna valdes ut för att uppnå två mål:
•
Förhindra deformation för att ge en jämnare övergång mellan materialen – metod 1, avfasningsmetoden (se Figur 3.2 och Figur 3.3)•
Förhindra spänningsuppbyggnad för att förhindra materialbrott – metod 2, expansionsskarvsmetoden (se Figur 3.4)Metod 1 visade sig prestera som förväntat; genom att stödja asfaltskomponenten av vägen med ett starkare, underliggande lager minskade deformationerna. Från skillnaden mellan metod 1 och nollmetoden, och även mellan de två varianterna av metod 1, kan slutsatsen dras att den mätbara deformationen vid ytan sker på flera nivåer i vägkroppen. Avfasningen sprider ut lasten precis i skarven och minskar därför deformationerna längre ner i vägkroppen – endast de övre lagren deformeras till en början. Efter avfasningen sker sedan deformationen över en större del av vägkroppens höjd. Genom att lyckas ta ut så stor del av ”de övre” deformationerna innan man låter
”de undre” deformationerna ta vid ger i slutändan en längre och jämnare övergång.
Metod 2 presterade sämre än förväntat – eller rättare sagt; den presterade inte alls. Ingen skillnad syntes mellan analysen av metod 2 och nollmetoden. Från det kan en kort slutsats dras; trycket som uppstår i kontakten mellan asfalten och betongen överstiger inte den kraft som behövs för att flytta det första betongsegmentet i sidled. Då analyserna endast undersökte korta tidsspann finns det en möjlighet att spänningsuppbyggnad över längre tid kan uppnå ett värde där märkbar förbättring sker.
Resultaten från metod 1 visade även på en ytterligare mekanism; tvärtemot teorin från metod 2 där tanken var att förhindra spänningar genom att tillåta rörelser och deformation så går det även i viss utsträckning att förhindra spänningspåslag genom att förhindra rörelser och deformation. Således bidrog metod 1 inte bara till sänkt deformation i anslutningen utan även till sänkta spänningar.
45
5.5 Fortsatta arbeten och optimering
Det här arbetet har främst fokuserat på asfaltskomponenten av vägen under antagandet att det är det mindre hållbara materialet. De olika konstruktionsmetoderna har haft som syfte att förbättra prestandan hos asfaltsvägen i närheten av betongen. Då inga förrändringar har gjorts hos betongdelen av vägen har den delen av modellen inte analyserats. Ett förslag på fortsatt arbete är att undersöka ifall det finns delar av betongens geometri, speciellt i avfasningsmetoden, som utsätts för oväntat eller farligt höga påfrestningar.
Ytterligare ett förslag på fortsatt arbete är att undersöka långtidseffekterna av de olika konstruktionsmetoderna, med längre tidsspann och upprepade laster. Främst bör spännings- och deformationsuppbyggnad över tid undersökas, speciellt med asfaltens viskoelastiska egenskaper i åtanke.
Långtidseffekterna kan även ge nya resultat för expansionsskarvsmetoden. Analyserna påvisade små rörelser men inte några tydliga resultat gällande spänningsminskning. Det är möjligt att deformationsuppbyggnad med tiden kan ge större horisontella rörelser och därmed minskad spänning i det långa loppet.
Det här arbetet har bara tagit upp förändrade materialegenskaper som följd av temperaturförändringar. Förutom materialegenskaper så förändras även materialens volym, vilket kan ge upphov till spänningar i materialen. Expansionsskarvsmetoden tillåter, som namnet antyder, att materialen expanderar och det bör därför undersökas hur den påverkar temperaturspänningar.
Förutom det kan optimeringsarbete utföras på de metoder som redan undersökts.
Avfasningsmetoden – analysen av den här metoden visade att effekterna av betongavfasningen kraftigt minskade vid ett visst avstånd mellan ytan och betongen. I arbetet uppskattades djupet till runt 120 mm - tiotal millimeter är ett någorlunda bra värde men kan självklart förbättras. Ytterligare optimering kan göras genom att undersöka hur mycket avfasningen kan sakta ner deformationen genom att se på vilket avstånd från skarven som en betongavfasning som ligger på maximalt djup fortfarande påverkar deformationstakten.
Med uppbyggda deformationer i åtanke kan det även undersökas i vilken utsträckning som längre avstånd mellan betongen och maximal deformation i asfalten har en märkbar effekt på åkkomforten. Om det visar sig att det finns en maximal längd så kan material sparas genom att inte bygga för lång avfasning. En för lång avfasning kan även orsaka ökad spänning i betongen på grund av exempelvis momentkrafter då avfasningen verkar som hävarm
Expansionsskarvsmetoden – i analyserna i det här arbetet visade resultaten inga tydliga effekter på spänningsuppbyggnaden. Betongsegmentet i anslutning till asfalten utformades i standardstorlek på fem (5) meter. Det är mycket möjligt att ett element av den storleken är för tungt för att flytta och därmed lätta på spänningen. I resultaten märktes däremot att små rörelser i horisontalled förekom. Ett kortare, och därmed lättare, element kan möjligen tillåta större rörelser. Inte riktigt en optimering men kortare element bör testas för att se om det stämmer.
46
47