Raskaan liikenteen kuormitusvasteiden mallintaminen
Isometsä, Jukka (2024)
Isometsä, Jukka
2024
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-02-28
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202402212441
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202402212441
Tiivistelmä
Kasvavat ajoneuvoyhdistelmien pituudet, teli- sekä akselimassat yhdistettynä ilmastonmuutokseen altistavat tierakenteen nopealle vaurioitumiselle. Raskas liikenne aiheuttaa tierakenteeseen eri suuruisia muodonmuutoksia, joista osa on palautuvia ja osa pysyviä. Sitomattomiin rakennekerroksiin mobilisoituvat muodonmuutokset ovat ohutpäällysteisen tien kannalta kriittisessä asemassa. Ohut päällyste ei pysty jakamaan ulkoisista kuormituksista johtuvia suuria jännityksiä riittävästi esimerkiksi kantavan kerroksen lujuus- ja muodonmuutosominaisuuksien kannalta.
Tämä diplomityö käsittelee raskaiden ajoneuvoyhdistelmien aiheuttamien kuormitusvasteiden mallintamista elementtimenetelmällä. Diplomityö on jatkoa vuonna 2022 Karstulassa tehdylle raskaiden ajoneuvoyhdistelmien tiekuormitustutkimukselle, jossa esitettiin jatkotutkimustarve erilaisten akseli- ja telikuormien tierakenteelle aiheuttamien rasitusten vertailusta. Diplomityö on osittain kirjallisuusselvitys sekä osittain laskennallinen tarkastelu. Kirjallisuusselvityksellä on pyritty taustoittamaan tierakenteen kuormitusten arviointia kuormitusekvivalenttikertoimilla sekä esittämään vaihtoehtoisia vasteisiin perustuvia ekvivalenttikertoimien laskentamalleja. Kirjallisuusselvityksellä on myös kuvattu AASHTO-teoriaan pohjautuvan, niin kutsutun neljännen potenssin säännön ekvivalenttikerroinmenetelmän ongelmia. Työn laskennallisessa osuudessa painotus on ollut ohutpäällysteisten väylien kantavan kerroksen muodonmuutoksissa sekä niistä aiheutuvan urautumisriskin arvioinnissa.
Sitomattomien rakennekerrosten urautumisriskiä arvioitiin Plaxis 3D FEM-ohjelmistolla mallinnettujen deviatoristen muodonmuutosvasteiden perusteella. Tehdyissä laskelmissa huomattiin, että Karstulan tiekuormituskokeen tapauksessa akseli- ja telimassoilla, akselin rengastuksella sekä asfalttipäällysteen paksuudella oli suuri merkitys kantavaan kerrokseen mobilisoituvien deviatoristen muodonmuutosten kannalta. Yksikköpyörillä varustetut akselit aiheuttivat kantavaan kerrokseen huomattavasti suurempia deviatorisia muodonmuutoksia kuin paripyöräakselit, ja 3-akseliset telit kuormittivat kantavaa kerrosta hieman enemmän kuin 2-akseliset telit. Myös yksikköpyörillä varustettujen 3-akselisten telien todettiin aiheuttavan kantavaan kerrokseen vähän yksittäisiä yksikköpyöräakseleita suurempia deviatorisia muodonmuutoksia. Pohjamaan mekaanisilla ominaisuuksilla ei todettu olevan merkittävää vaikutusta kantavan kerroksen deviatoristen muodonmuutosten kannalta. Sen sijaan pohjamaan mekaanisilla ominaisuuksilla oli merkittävä vaikutus alusrakenteeseen mobilisoituviin deviatorisiin muodonmuutoksiin Karstulan mittauskohteen olosuhteissa. Kantavan kerroksen deformaatiosta aiheutuvaa urautumisriskiä voidaan tehokkaasti pienentää paksummalla asfalttipäällysteellä tai käyttämällä paripyöräakseleita.
Kirjallisuuskatsauksen perusteella todettiin, että vasteiden perusteella määritettävät kuormitusekvivalenttikertoimet ovat vaihtoehtoinen menetelmä neljännen potenssin säännölle. Kirjallisuuskatsauksen avulla ei löydetty deviatorisiin muodonmuutoksiin perustuvaa ekvivalenttikertoimen määrittämismenetelmää. Diplomityötä varten laadittiin alustava laskentamalli ekvivalenttikertoimen määrittämiselle deviatoristen muodonmuutosvasteiden kautta. Näin lasketut tulokset erosivat AASHTO-teorialla lasketuista ekvivalenttikertoimista. Mallinnustulosten perustella huomattiin, ettei AASHTO-teoria todennäköisesti pidä paikkaansa ohuella asfalttipäällysteellä. Mallinnustulosten perusteella havaittiin myös, että yksikköpyöräakselin ekvivalentti akselimassa suhteessa standardiakseliin on epälineaarisesti riippuvainen asfalttipäällysteen paksuudesta. Työn tulosten perusteella erityisesti asfalttipäällysteen paksuuteen tulisi kiinnittää tarkempaa huomiota, mikäli raskaat ajoneuvoyhdistelmät yleistyvät alempiluokkaisella tieverkolla.
Tämä diplomityö käsittelee raskaiden ajoneuvoyhdistelmien aiheuttamien kuormitusvasteiden mallintamista elementtimenetelmällä. Diplomityö on jatkoa vuonna 2022 Karstulassa tehdylle raskaiden ajoneuvoyhdistelmien tiekuormitustutkimukselle, jossa esitettiin jatkotutkimustarve erilaisten akseli- ja telikuormien tierakenteelle aiheuttamien rasitusten vertailusta. Diplomityö on osittain kirjallisuusselvitys sekä osittain laskennallinen tarkastelu. Kirjallisuusselvityksellä on pyritty taustoittamaan tierakenteen kuormitusten arviointia kuormitusekvivalenttikertoimilla sekä esittämään vaihtoehtoisia vasteisiin perustuvia ekvivalenttikertoimien laskentamalleja. Kirjallisuusselvityksellä on myös kuvattu AASHTO-teoriaan pohjautuvan, niin kutsutun neljännen potenssin säännön ekvivalenttikerroinmenetelmän ongelmia. Työn laskennallisessa osuudessa painotus on ollut ohutpäällysteisten väylien kantavan kerroksen muodonmuutoksissa sekä niistä aiheutuvan urautumisriskin arvioinnissa.
Sitomattomien rakennekerrosten urautumisriskiä arvioitiin Plaxis 3D FEM-ohjelmistolla mallinnettujen deviatoristen muodonmuutosvasteiden perusteella. Tehdyissä laskelmissa huomattiin, että Karstulan tiekuormituskokeen tapauksessa akseli- ja telimassoilla, akselin rengastuksella sekä asfalttipäällysteen paksuudella oli suuri merkitys kantavaan kerrokseen mobilisoituvien deviatoristen muodonmuutosten kannalta. Yksikköpyörillä varustetut akselit aiheuttivat kantavaan kerrokseen huomattavasti suurempia deviatorisia muodonmuutoksia kuin paripyöräakselit, ja 3-akseliset telit kuormittivat kantavaa kerrosta hieman enemmän kuin 2-akseliset telit. Myös yksikköpyörillä varustettujen 3-akselisten telien todettiin aiheuttavan kantavaan kerrokseen vähän yksittäisiä yksikköpyöräakseleita suurempia deviatorisia muodonmuutoksia. Pohjamaan mekaanisilla ominaisuuksilla ei todettu olevan merkittävää vaikutusta kantavan kerroksen deviatoristen muodonmuutosten kannalta. Sen sijaan pohjamaan mekaanisilla ominaisuuksilla oli merkittävä vaikutus alusrakenteeseen mobilisoituviin deviatorisiin muodonmuutoksiin Karstulan mittauskohteen olosuhteissa. Kantavan kerroksen deformaatiosta aiheutuvaa urautumisriskiä voidaan tehokkaasti pienentää paksummalla asfalttipäällysteellä tai käyttämällä paripyöräakseleita.
Kirjallisuuskatsauksen perusteella todettiin, että vasteiden perusteella määritettävät kuormitusekvivalenttikertoimet ovat vaihtoehtoinen menetelmä neljännen potenssin säännölle. Kirjallisuuskatsauksen avulla ei löydetty deviatorisiin muodonmuutoksiin perustuvaa ekvivalenttikertoimen määrittämismenetelmää. Diplomityötä varten laadittiin alustava laskentamalli ekvivalenttikertoimen määrittämiselle deviatoristen muodonmuutosvasteiden kautta. Näin lasketut tulokset erosivat AASHTO-teorialla lasketuista ekvivalenttikertoimista. Mallinnustulosten perustella huomattiin, ettei AASHTO-teoria todennäköisesti pidä paikkaansa ohuella asfalttipäällysteellä. Mallinnustulosten perusteella havaittiin myös, että yksikköpyöräakselin ekvivalentti akselimassa suhteessa standardiakseliin on epälineaarisesti riippuvainen asfalttipäällysteen paksuudesta. Työn tulosten perusteella erityisesti asfalttipäällysteen paksuuteen tulisi kiinnittää tarkempaa huomiota, mikäli raskaat ajoneuvoyhdistelmät yleistyvät alempiluokkaisella tieverkolla.