Vegens levetid i endret klima Konsekvenser for vegfundament og dekke Per Otto Aursand, Statens vegvesen, Region nord Sluttseminar 10.05.2011
Innhold Veger med fast dekke Beregninger av tilstandsutvikling Hva bygger arbeidet på? Variasjon i parametere, usikkerheter Konklusjoner: sporutvikling og levetid Grusveger ROS-analyse for vegoverbygning
Veger med fast dekke Beregninger av forventet tilstandsutvikling (spor) for vegdekker på norske rv. og fv. (vegnett før 2010) Basert på data i NVBD og klimatiske data for perioden 2000-2008 og estimerte data for perioden 2070-2100 Beregningsprogram: Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, M-E PDG, versjon 1.100 fra FHWA i USA
Valg av beregningsmodell Basert på et forstudium Vurdert som den best egnede modellen Kalibrert til norske forhold (basert på oppfølgingsstrekninger i vegkapitalprosjektet) Datagrunnlag: Vegnett Vegens oppbygning: Materialegenskaper, lagtykkelser Klimadata: Nåtid - fremtid Trafikkdata: Mengde, sammensetning, tungtrafikk
Bestemme inndeling av klimasoner og vegnett Klimasoner Vegnett Representativ klimastasjon eklima
Klimaendringer Målte klimadata for perioden 2000-2008 er omarbeidet for å være representative for antatt klima i perioden 2070-2100: Nedbørsdataene er gitt en prosentvis økning. Temperaturen er modifisert ved hjelp av en lineær regresjon. OBS: En betydelig del av de klimaendringer som er beskrevet i Klima i Norge 2100, har allerede funnet sted!
Klimadatasett brukt i beregninger Årsmiddeltemperatur Frostmengder Veksling rundt 0 o C Årlig nedbør
Tilrettelegging av vegnettsdata Oppgravingsregisteret og dekkeregisteret i NVDB. Store variasjoner i oppbygning av vegnettet Deler inn vegnettet i hver klimasone i typiske overbygninger basert på: 4 ÅDT-grupper (0-300, 300-1500, 1500-5000, >5000) Bæveevnegruppe for undergrunn (1-7) Telefarlige lag i overbygningen (Ja/Nei) 70 000 000 60 000 000 57 156 167 50 000 000 40 000 000 30 000 000 20 000 000 10 000 000 0 8 590 751 4 166 045 0 58 600 20 475 169 15 301 264 218 482 527 773 28 090 247 8 511 514 218 342 229 773 27 978 823 436 824 816 146 Stamveger RV FV SUM: Lengde Vegnett (fra NVDB) Beregnet lengde oppgravings-punkter (meter) Veglengde oppgravingspunkter som mangler klimasone (meter) Veglengde oppgravingspunkter som mangler ÅDT (meter)
Trafikkdata Trafikkdata fra NVDB. Det er også benyttet data for tungtrafikkens sammensetning basert på bearbeiding av BWIM (Bridge Weigh-in-Motion) fra Sverige og korrigert for forskjellen i tillatt totalvekt for vogntog.
Beregninger Resultatene viser betydelige variasjoner Uttrykk for kompleksiteten av de forhold man har i en vegoverbygning. Ved å variere én parameter og holde alle andre konstant kan man se på effektene av de enkelte parametrene: Betydningen av økt temperaturer Betydningen av økt nedbør Variasjoner mellom klimasonene Variasjoner i grunnforhold Betydningen av styrken på overbygningen Telefarlige materialer i overbygningen Trafikkens betydning for sporutvikling
Betydningen av økt temperatur og nedbør Økt temperatur: Økt deformasjon i bitumeniøse materialer Påvirker ikke deformasjon i grunnen og de granulære lag direkte, men reduserte frostmengder -> høyere teleløsningsbæreevne Økte nedbørsmengder: Påvirker ikke deformasjon i bitumeniøse materialer Innvirkning på deformasjon i grunnen og de granulære lag er vesentlig mindre enn man tidligere har trodd Effekten av temperaturendringer er vesentlig større enn effekten av økningen i nedbør. Den positive effekten av mindre frost er større enn den negative effekten av økt nedbør. (Konklusjoner med forbehold om de begrensninger ME- PDG og kalibreringen har)
Variasjoner mellom klimasonene Asfalt: Generell tendens til at sporutvikling er høyere for 2070-2100. Kyststrøkene i Nord-Norge som de viktigste unntak. Grunnen og granulære lag: Deformasjonene er generelt mindre for 2070-2100. Små forskjeller mellom klimastasjonene, men noe avhengig av bæreevnegruppe. Tydeligst for klimastasjoner i Nord-Norge og i innlandet i Sør-Norge Minimale forskjeller for kyststrøkene på Vestlandet.
Reduksjon i sporutviklingen Tendens til at endringene er størst for Bæreevnegruppe 6 (leire/silt, T4). Positiv effekt av mindre frost og telehiv Variasjoner i grunnforhold
Betydningen av styrken på overbygningen Analyser av forskjellige kombinasjoner av overbygninger, undergrunn og ÅDTtunge Med unntak av de svakeste overbygningene er klimaendringenes innvirkning på beregnet sporutvikling tilnærmet uavhengig av vegoverbygningens styrkeindeks. Det er andre forhold enn trafikkbelastninger og vegoverbygningenes styrke som er i samspill med klimaendringene når det gjelder deformasjoner i de granulære lag i overbygningen.
Trafikkens betydning for sporutvikling ÅDT-T = 600 ÅDT-T = 1050 Mengden tungtrafikk har stor innvirkning på beregnede endringer i sporutviklingen på grunn av deformasjoner i asfaltlagene. Skyldes økningen i dekketemperaturen i de varme sommermånedene.
Telefarlige (TF) materialer i overbygningen TF-materialer i overbygningen har en markert innvirkning på forventet sporutvikling ~ >0,1 mm/år Effekten av et evt. samvirke mellom TF/Ikke-TF materiale og klimaendringene virker å være minimal i forhold til andre faktorer. Det synes derfor ikke nødvendig å skille mellom TF/Ikke-TF materiale når en ser på effekten av klimaendringer.
Klimaets innvirkning på piggdekkslitasjen Beregningsprogram fra VTI Piggdekkandel på 70 % Forventet årlig sporutvikling: 0,59 mm per år for saltet veg 0,47 mm per år for usaltet veg Ca 25% større sporutvikling pga. piggdekkslitasje på saltet veg Mildere klima kan gi en reduksjon i piggdekkbruken? antall bilister som bruker piggdekk lengden av piggdekkperioden Klimaendringene er sannsynligvis av underordnet betydning for piggdekkslitasjen. Eventuelle endringer i strategien for vinterdriften har sannsynligvis langt større betydning.
Resultater for vegnettet (Stamveger) Figuren viser ikke direkte viser forskjellene mellom de enkelte klimasonene med hensyn på hvordan klimaendringene innvirker på tilstandsutviklingen. I grunnlaget for figurene inngår også andre viktige påvirkningsparametre som trafikkmengde, vegens oppbygning, etc.
Usikkerheter Usikkerheter knyttet til kalibreringen til norske forhold. modellene er i betydelig grad basert på registrert tilstandsutvikling for observasjonsstrekninger i USA og Canada. vegens geometri og plassering i terrenget Materialegenskaper, oppgravingsregisteret, datadekning Dybde til grunnvannstanden inngår ikke som selvstendig parameter i nåværende versjon av programmet Erstatning for modeller basert på dybde til grunnvannstanden i ME-PDG: Thornthwaite Moisture Index: en indeks som er utviklet for landbruket for områder hvor det er underskudd av fuktighet. Ekstrapolering av TMI-data for norske forhold
Effekt av mulig endring i grunnvannstand Effekten av klimaet på grunnvann og dermed tilstandsutvikling er som regel oppdelt i flere problemstillinger: 1) Hvilken innvirkning har klimaet på vanninnholdet til materialet i grunnen og granulære lag?? 2) Hvordan innvirker variasjoner i vanninnholdet på egenskapene til de granulære materialer 3) Hvordan innvirker variasjoner i materialegenskapene på tilstandsutviklingen for vegdekkene 4) Hvilken betydning har endringer i tilstandsutviklingen for dekkelevetiden og årskostnadene for vedlikeholdet av vegdekkene. Ukjent og komplisert kobling: Nedbør grunnvannstand vanninnhold i materialer?
Effekt av mulig endring i grunnvannstand Roadex II Sporutvikling pga. deformasjoner i grunnen, mm/år 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Estimert sporutvikling på grunn av derformasjoner i materialet i grunnen som funksjon av dybde til grunnvannstand, Pavement Health Track, FHWA Pavement Health Track, FHWA 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Dybde til grunnvannstand, meter leire mager leire leirig silt silt siltig sand sand knust grus knust fjell Kalibreringsfaktor 0,07-0,12 Dersom man antar at 0,1 meter høyere grunnvannstand gir en økning i de årlige kostnader til dekkevedlikehold i størrelsesorden 2,5 %, gir dette en total kostnadsøkning på 58,6 Mill kroner per år. Etterslepet for hovedprosess 4 på riks- og fylkesveger pr 1.1.2008 estimeres til 2,7 mrd. kroner. Dersom etterslepet på drenering fjernes, vil dreneringssystemet ikke bidra til at dekkelevetiden reduseres.
Konklusjoner Klimaet sammen med vegens oppbygning har stor betydning for tilstandsutviklingen på vegnettet men de forventede endringene i klima er av underordnet betydning i forhold til andre faktorer som bidrar til nedbrytingen. For hele riks- og fylkesvegnettet samlet gir klimaendringene: Gjennomsnittlig reduksjon i forventet sporutvikling i størrelsesorden 0,2 mm/år Økning i dekkelevetiden i størrelsesorden 13 16 %. Endringene i klima vil ikke medføre store endringer i tilstandsutviklingen i forhold til i dag. Hovedårsak: Den positive effekt av mindre frost og telehiv er generelt større enn den negative effekt av mer nedbør. Klimatilpasning: Stivere bindemiddel ved det fremtidige dekkevedlikeholdet. Vedlikehold og reduksjon av etterslepet, spesielt på drenering.
Grusveger Utgjør ca. 26 % av vegnettet av fylkesvegnettet (før 2010 og) Kommunalt vegnettet Skogsbilvegnettet er større enn det offentlige vegnettet Et estimatet viser at kostnadene til drift og vedlikehold (høvling, grusing, grøfterensk) vil øke med ca 20 % på grunn av endra klima. Anbefalinger: Bruk av grovere masser i bære/forsterkningslag Innskjerping på krav og oppfølging av grøfterensk Fokus også på fjellgrøfter/nabber som kan lede vann inn i vegkroppen Fjerning av torvkanter Brøyting av grøfter på våren Nedføringsrenner og sandfang ved stikkrenner Stabilisering av dekket LCC analyser viser at det vil lønne seg å gjøre en oppgradering (forsterking og drenering) av vegnettet for å møte den framtidige klimasituasjonen.
ROS-analyser for vegoverbygning 3 Analyse av årsak og sannsynlegheit (for uønska hendingar) Nedbør / vatn Temperatur; Frost og tining Temperatur sommars tid -slit.spor pga våt vegbane/dårleg avrenning -telehiv pga telefarleg materiale i u.g. -deformasjonspor i dekket -deform.spor pga høgt v-innh i overbygning -telehiv pga telefarleg materiale i vegoverbyg-deformasjonspor i berelag -def.spor pga høgt vassinnh i undergrunn -krakelering pga telefarleg materiale i u.g. -siging/ustabil skulder pga erosjon -krakelering pga telefarleg materiale i berelag -dårleg drenering pga sig i skjering -slaghol pga krakelering -mykje telehiv pga stor vasstilgang -langsgåande sprekk pga telehiv -dårleg vårbereevne /spor pga stor vasstilga -deformasjonspor i overbygning -mykje telehiv pga stor vasstilgang -deformasjonspor i undergrunn 4 Analyse av konsekvens (av uønska hendingar) 4-1 Økonomi 4-2 Framkomst 4-3 Trafikktryggleik 4-5 Miljø -auka/red dekkekostnader -større spor og meir ujamnheiter -kollisjon pgs skade i vegbanen -utvasking mot vassdrag -auka forsterkingsbehov -meir hol og skader på vegen -utforkøyring pga skade i vegban -auka / redusert materialbruk -auka kostn til grøfter og dren -meir /mindre telehiv -utforkøyring pga utvasking -auka vedlikehald på grusveg -påkøyrsel pga skade i vegbanen -auka forsterkingsbehov -auka tryggleik pga red fart pga skade 5 Utgreiing av risiko 5-1 Økonomi 5-2 Framkomst 5-3 Trafikktryggleik 5-5 Miljø 6a Risikovurdering; samanlikning mot akseptkriterier 6-1 Økonomi 6-2 Framkomst 6-3 Trafikktryggleik 6-5 Miljø 6b Risikovurdering; Aktuelle tiltak Dekke Bærelag Drenering Andre tiltak -klimatilpassa bindemiddel -grove / drenerande massar -dim. etter framtidig nedbør -tilpassa lokalisering av veg -bruke polymermodifiserte bindem-auka bruk av stabiliserte berelag-etablere fordrøyingsmagasin -terrengtiltak og dren i skjæring -bruke drenerande dekketypar -auke kapasitet på drensgrøfter -auke høgde over flaumvasstand -leggje fast dekke på grusveg -auke kapasitet på stikkrenner -etablere gode varslingsrutinar -stabilisere grusdekke -etablere meir lukka drenering -omkøyringsruter -større sandfang i åpne kummar -beredskapsplanar
ROS-analyser for vegoverbygning Konsekvens prioritert etter relevans for vegoverbygning vil normalt være: Økonomi Framkommelighet Trafikksikkerhet Miljø Når det gjelder økonomiske konsekvenser bør nåverdien beregnet ved en LCC-analyse over vegens dimensjoneringsperiode (20 år) legges til grunn.
Rapporter