A framework to improve pavements design applied to portuguese conditions

Bahareh Tavallaee

Key information

Authors:

Supervisors:

Luís Guilherme De Picado Santos (Luís Guilherme De Picado Santos); José Manuel Coelho das Neves (José Manuel Coelho das Neves)

Published in

10/21/2019

Abstract

A comparação entre diferentes métodos para estabelecer a abordagem mais adequada ao dimensionamento dos pavimentos sempre foi um importante desafio para as administrações rodoviárias. O método de dimensionamento mais corrente em Portugal é o método da SHELL. Esta tese pretende estudar e desenvolver um quadro de aplicação do “Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide” (método ME), desenvolvido pela AASHTO, para os pavimentos em Portugal e considerando as condições Portuguesas. Um dos objetivos principais deste estudo é obter uma comparação do dano obtido pelos dois métodos de dimensionamento. Com este propósito, os critérios de desempenho utilizados no método ME foram justificados com base nas condições e na experiência Portuguesas. Os três principais fatores – temperatura de serviço, teor em água e tráfego – também foram analisados em ambos os métodos ME e SHELL e os valores foram ajustados para se ter uma equivalência das abordagens. Os resultados da comparação dos danos para três estradas Portuguesas mostraram que as duas metodologias foram substancialmente diferentes. A resistência ao fendilhamento por fadiga a partir da base das camadas betuminosas foi o principal critério de desempenho no método da SHELL enquanto a deformação permanente total foi o critério mais importante no método ME. Os resultados também mostraram que o método da SHELL foi mais conservativo. Os resultados dos danos foram então verificados através duma análise de sensibilidade das degradações obtidas das variações dos dados no método ME. Para esta tarefa, foram extraídos os resultados de 750 análises de sensibilidade ao projeto das três estradas selecionadas para vários dados de dimensionamento e, seguidamente, foram obtidos e analisados os diagramas de tornado, valores do índice de sensibilidade normalizado (NSI) e diagramas de entrada/saída. Como resultado, a espessura das diferentes camadas, o módulo de deformabilidade da fundação e o TMDA de veículos pesados foram os dados com maior influência neste estudo. Finalmente, pode dizer-se que a metodologia ME tem um grande potencial para ser utilizada como uma das abordagens mais fiáveis para o dimensionamento de pavimentos no contexto tecnológico Português, apesar do tipo de tratamento de dados que é necessário fazer ser muito específico e permitir um certo grau de simplificação. Comparing different design methods to identify the most efficient pavement design approach has always been an important challenge for the road agencies. Current pavement design method used in Portugal is mostly based on SHELL pavement design approach. This thesis aims to study and develop a framework for the consideration of a possible adoption of Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (ME Design), developed by AASHTO, for Portugal roads considering Portuguese conditions. One of the main tasks in this study is to have a damage comparison between both methods. For this purpose, the performance criteria used in ME method were justified based on Portuguese conditions and experience. Three main factors – service temperature, moisture content and traffic – were also reviewed in both methods of ME and SHELL and the values were adjusted to have the similar background for both approaches. The results of damage comparison for three selected Portuguese roads indicated that they were substantially different for the two methodologies. The AC bottom-up fatigue cracking was the main performance criterion for SHELL method while the total rutting was the one for ME method. The results also showed that SHELL method was more conservative. The damage results were then verified by a sensitivity analysis of obtained distresses to design inputs' variations for ME Design. For this task, the results of 750 ME sensitivity analysis projects for the three selected roads with several design inputs (continuous and categorical inputs) were extracted and the tornado diagrams, normalized sensitivity index (NSI) values, and the input/output diagrams were prepared and analyzed. As result, the thickness of different layers, resilient modulus of subgrade layer and AADTT are seen as the most influential inputs in this study. Finally, it can be said that ME Design methodology has a great potential to be used as one of the most reliable approaches to design pavements in the Portuguese technology context, despite the type of a very specific data treatment needed, once it allows a certain extent of simplification.