پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

تحلیل حساسیت پارامتریک و برهم‌کنش‌ها در روش طراحی روسازی صلب آشتو 1993 در رده‌بندی‌های عملکردی مختلف راه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
شاهین شعبانی 1
شیما طاهری 2
جاوید بهلول زاده 3
1 گروه مهندسی عمران، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
2 گروه مهندسی عمران، دانشگاه پیام نور ، تهران ، ایران
3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی عمران، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
10.22034/tri.2026.575932.3441
چکیده
این پژوهش یک تحلیل حساسیت جامع از روش طراحی روسازی صلب آشتو 1993 را ارائه می‌دهد که طی آن 883245415 ترکیب طراحی معتبر (9/91 درصد از فضای طراحی اولیه) در چهار طبقه‌بندی راه شامل آزادراه، شریانی، جمع‌کننده و محلی مورد بررسی قرار گرفته است. سه روش مکمل شامل تحلیل همبستگی فاکتوریل کامل، غربالگری اثرات ابتدایی موریس و تجزیه واریانس سوبول برای کمی‌سازی تأثیرات پارامترها و برهم‌کنش‌های آن‌ها به کار گرفته شدند. برای روسازی‌های آزادراهی، قابلیت اطمینان (ZR) و بار ترافیکی (W18) تعیین‌کننده ضخامت بودند و در مجموع 6/81 درصد از واریانس را از طریق اثرات مرتبه اول توجیه کردند، در حالی که سهم برهم‌کنش‌ها ناچیز (7/0 درصد) بود. ضریب انتقال بار (J) قوی‌ترین همبستگی (545/0 = r) را نشان داد و پس از آن بار ترافیکی (477/0 = r) قرار داشت. با کاهش حجم ترافیک، یک گذار رفتاری بنیادین پدیدار شد، راه‌های شریانی 3/0 درصد اثرات برهم‌کنش نشان دادند؛ راه‌های جمع‌کننده، نقطه گذار با 3/24 درصد واریانس ناشی از برهم‌کنش بودند و راه‌های محلی 9/72 درصد از واریانس را ناشی از برهم‌کنش پارامترها به جای اثرات مستقیم نشان دادند. روش موریس این الگوها را از طریق کاهش سیستماتیک نسبت‌های μ*/σ تأیید کرد (از مقادیر بالای 0/2 برای آزادراه‌ها به زیر 4/0 برای راه‌های محلی). برای راه‌های محلی، شاخص سوبول کل بار ترافیکی( 92/0 = ST) بسیار فراتر از شاخص مرتبه اول آن (208/0=S1) بود که نشان می‌دهد 2/71 درصد از تأثیر ترافیک از طریق ترکیب پارامترها عمل می‌کند. این یافته‌ها نشان می‌دهند که رویکردهای ساده تک‌پارامتری برای تسهیلات پرحجم معتبر باقی می‌مانند، در حالی که راه‌های کم‌حجم نیازمند روش‌هایی هستند که صراحتاً برهم‌کنش پارامترها را در نظر بگیرند. این مطالعه استفاده همگانی از روسازی بتنی برای راه‌های کم‌حجم را توصیه نمی‌کند، بلکه تحلیل حساسیت روش آشتو 1993 را در محدوده مجاز کاربرد آن بررسی می‌نماید.
کلیدواژه‌ها
تحلیل حساسیت
روش موریس
شاخص‌های سوبول
طراحی روسازی بتنی آشتو 1993

موضوعات

عنوان مقاله English

Parametric Sensitivity and Interaction Analysis of the AASHTO 1993 Rigid Pavement Design Method Across Road Functional Classifications

نویسندگان English

Shahin Shabani 1
Shima Taheri 2
Javid Bahloolzade 3
1 Civil Engineering Department, Payam e Noor University, Tehran, Iran
2 Civil Engineering Department, Payam-e-Noor University, Tehran, Iran.
3 Ph.D., Student, Civil Engineering Department, Payam-e-Noor University, Tehran, Iran.
چکیده English

This study presents a comprehensive sensitivity analysis of the AASHTO 1993 rigid pavement design method, examining 883,245,415 valid design combinations (91.9% of the initial design space) across four road classifications: highway, arterial, collector, and local. Three complementary methods—full factorial correlation analysis, Morris elementary effects screening, and Sobol variance decomposition—were employed to quantify parameter influences and their interactions. For highway pavements, reliability (ZR) and traffic loading (W18) dominated thickness determination, collectively accounting for 81.6% of variance through first-order effects, with minimal interaction contributions (0.7%). The load transfer coefficient (J) exhibited the strongest correlation (r = 0.545), followed by traffic loading (r = 0.477). As traffic volumes decrease, a fundamental behavioral transition emerges: arterial roads showed 0.3% interaction effects; collector roads marked a transition point with 24.3% interaction-attributable variance; and local roads exhibited 72.9% of variance arising from parameter interactions rather than direct effects. The Morris method confirmed these patterns through systematically decreasing μ*/σ ratios—from values exceeding 2.0 for highways to below 0.4 for local roads. For local roads, W18’s total-order Sobol index (ST = 0.920) far exceeded its first-order index (S1 = 0.208), demonstrating that 71.2% of traffic influence operates through parameter combinations. These findings indicate that simplified single-parameter approaches remain valid for high-volume facilities, while low-volume roads require methodologies explicitly accounting for parameter interactions. This study does not advocate universal concrete pavement use for low-volume roads; rather, it investigates the sensitivity behavior of the AASHTO 1993 method within its formally permitted application range, providing methodological insights rather than prescriptive guidance on pavement type selection.

کلیدواژه‌ها English

Sensitivity analysis؛ Morris method؛ Sobol indices؛ Parameter interactions
concrete pavement design of AASHTO 1993
-AASHTO. (1993). AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C.
-ARA, Inc. (2004). Guide for
Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. NCHRP Report 1-37A, Transportation Research Board, Washington, D.C.
-Campolongo, F., Cariboni, J. and Saltelli, A. (2007). An effective screening design for sensitivity analysis of large models. Environmental Modelling & Software, 22(10), 1509-1518.
-Carvalho, R. L. and Schwartz, C. W. (2006). Comparisons of flexible pavement designs: AASHTO empirical versus NCHRP project
1-37A mechanistic-empirical. Transportation Research Record, 1947(1), 167-174.
-Ceylan, H., Kim, S., Gopalakrishnan, K. and Ma, D. (2013). Sensitivity analysis of jointed plain concrete pavement mechanistic-empirical performance predictions. Construction and Building Materials, 43, 545-556.
-Darter, M. I., Smith, K. D. and Hall, K. T. (1995). Concrete Pavement Rehabilitation: Guide for Load Transfer Restoration.
FHWA-RD-94-116, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
-FHWA. (2019). Traffic Monitoring Guide. Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, Washington, D.C.
-Firgiansyah, E., Prihantono and Daryati. (2022). Comparative study of rigid pavement planning using Bina Marga 2017 and AASHTO 1993 methods. Jurnal Pensil: Pendidikan Teknik Sipil, 11(1), 78-91.
doi: 10.21009/jpensil.v11i1.24199
-Forrester, A., Sobester, A. and Keane, A. (2008). Engineering Design via Surrogate Modelling: A Practical Guide. John Wiley & Sons, Chichester, UK.
-Guo, R. and Prozzi, J. A. (2008). Probabilistic model for mechanistic-empirical flexible pavement design. Transportation Research Record, 2095(1), 129-138.
-Haider, S. W. and Dwaikat, M. B. (2011). Estimating optimum sample sizes for pavement performance curves. International Journal of Pavement Engineering, 12(4), 399-407.
-Hall, K. T., Darter, M. I., Hoerner, T. E. and Khazanovich, L. (1997). LTPP Data Analysis-Phase I: Validation of Guidelines for K-Value Selection and Concrete Pavement Performance Prediction. FHWA-RD-96-198, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
-Highway Research Board. (1962).
The AASHO Road Test: Report 5-Pavement Research. Special Report 61E, National Academy of Sciences, Washington, D.C.
-Homma, T. and Saltelli, A. (1996). Importance measures in global sensitivity analysis of nonlinear models. Reliability Engineering & System Safety, 52(1), 1-17.
-Huang, Y. H. (2004). Pavement Analysis and Design (2nd ed.). Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ.
-Ioannides, A. M. and Korovesis, G. T. (1990). Aggregate interlock: A pure-shear load transfer mechanism. Transportation Research Record, 1286, 14-24.
-Iooss, B. and Lemaître, P. (2015). A review on global sensitivity analysis methods.
In Uncertainty Management in Simulation-Optimization of Complex Systems, Springer, 101-122.
 
-Kannekanti, V. and Harvey, J. (2006). “Sensitivity analysis of 2002 design guide distress prediction models for jointed plain concrete pavement. Transportation Research Record, 1947(1), 91-100.
-Khazanovich, L. and Yu, H. T. (2005). ISLAB2000: Finite element analysis program for rigid and composite pavements. Transportation Research Record, 1919(1),
20-28.
-Kim, S., Ceylan, H. and Gopalakrishnan, K. (2015). Sensitivity analysis of ME pavement design guide for jointed plain concrete pavements. Journal of Transportation Engineering, 141(5), 04014107.
-Kumar, A. and Mathew, B. S. (2020). Implementation of empirical and
mechanistic-empirical pavement design methods in India. International Journal of Pavement Engineering, 21(14), 1715-1728.
-Li, J., Pierce, L. M. and Uhlmeyer, J. (2019). Calibration of the AASHTO MEPDG for flexible pavement design in Washington State. Transportation Research Record, 2673(6),
427-439.
-Morris, M. D. (1991). Factorial sampling plans for preliminary computational experiments. Technometrics, 33(2), 161-174.
-NCHRP. (2004). Guide for
Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. NCHRP Report 1-37A, Transportation Research Board, Washington, D.C.
-Oltean, G. and Matei, A. (2021). Sensitivity analysis of rigid pavement design based on semi-empirical methods: Romanian case study. Materials, 14(2), 168.
-Packard, R. G. (1984). Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements. Portland Cement Association, Skokie, IL.
-Pierce, L. M. and McGovern, G. (2014). Implementation of the AASHTO
Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide and Software. NCHRP Synthesis 457, Transportation Research Board, Washington, D.C.
-Rahman, M., Gassman, S. L. and Asi, I. M. (2013). Comparison of Ontario pavement designs using the AASHTO 1993 empirical method and the mechanistic-empirical pavement design guide method. Canadian Journal of Civil Engineering, 40(9), 908-918.
 
 
-Rodden, R., Voigt, G. F. and Gieraltowski, J. (2021). Design and Construction of Metric Concrete Pavements. FHWA-HIF-21-015, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
-Rodríguez, E., Pradena, M. A., Molina, F. and González, V. (2018). Comparison of AASHTO 1993 and mechanistic-empirical pavement design methods for Colombian conditions. Ingeniería e Investigación, 38(2), 112-119.
-Saltelli, A. (2002). Making best use of model evaluations to compute sensitivity indices. Computer Physics Communications, 145(2), 280-297.
-Saltelli, A., Annoni, P., Azzini, I., Campolongo, F., Ratto, M. and Tarantola, S. (2010). Variance based sensitivity analysis of model output. Design and estimator for the total sensitivity index. Computer Physics Communications, 181(2), 259-270.
-Saltelli, A., Ratto, M., Andres, T., Campolongo, F., Cariboni, J., Gatelli, D., Saisana, M. and Tarantola, S. (2008). Global Sensitivity Analysis: The Primer. John Wiley & Sons, Chichester, UK.
-Schwartz, C. W., Li, R., Ceylan, H., Kim, S. and Gopalakrishnan, K. (2013). Global sensitivity analysis of mechanistic-empirical performance predictions for flexible pavements. Transportation Research Record, 2368(1), 12-23.
-Smith, K. D., Harrington, D., Pierce, L., Ram, P. and Smith, K. L. (2014). Concrete Pavement Preservation Guide (2nd ed.). National Concrete Pavement Technology Center, Iowa State University, Ames, IA.
-Sobol, I. M. (2001). Global sensitivity indices for nonlinear mathematical models and their Monte Carlo estimates. Mathematics and Computers in Simulation, 55(1-3), 271-280.
-Sullivan, G. M. and Feinn, R. (2012).
Using effect size—or why the P value is not enough. Journal of Graduate Medical Education, 4(3), 279-282.
-Suwaji, S., Anisari, R. and Adriyati, R. (2023). Rigid pavement thickness planning using the AASHTO 1993 method on the road section of Danau Rawah Village, Kapuas District, Central Kalimantan. Asian Journal of Management Entrepreneurship and Social Science, 3(4), 640-651.
-Tighe, S., Li, N., Falls, L. C. and Haas, R. (2008). ncorporating road safety into pavement management. Transportation Research Record, 2068(1), 1-10.
-Wijajanti, E., Kusmaryono, I. and Zakir, A. M. (2023). Analisis perencanaan tebal lapisan perkerasan kaku rigid pavement menggunakan metode MDP 2017 dan AASHTO 1993: Studi kasus proyek jalan tol Cinere Jagorawi. C-Line Jurnal Teknik Sipil, 12(2), 10-19.
-Yoder, E. J. and Witczak, M. W. (1975). Principles of Pavement Design (2nd ed.). John Wiley & Sons, New York.
-Ziar, A., Ulfat, S., Serat, Z. and Armal, M. A. (2024). Cost effectiveness analysis of design methods for rigid and flexible pavement: A case study of urban road.” Archives of Advanced Engineering Science, 2(3), 134-141.
doi:­10.47852/bonviewAAES32021264