Tierakenteen kuormituskestävyysmitoitus: Suomen ja Ruotsin käytäntöjen vertailu

Abstract

Toimiva tieinfrastruktuuri on tärkeä alueellisen saavutettavuuden ja kansantalouden toimivuuden kannalta. Kansantalouden ja yhteiskunnan toimivuus edellyttää tieverkon rakenteellista kestävyyttä sekä elinkaarikustannusten ja ympäristövaikutusten minimointia. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi tierakenteiden mitoituksessa tulee käyttää mahdollisimman optimoituja mitoitusmenettelyjä.

Tämän diplomityö vertailee Suomen ja Ruotsin päällysrakennemitoituskäytäntöjä keskittyen tierakenteen kuormituskestävyysmitoitukseen. Diplomityö yhdistää kirjallisuusselvityksen ja laskennallisen tarkastelun vertaillen mitoitusmenetelmien eroavaisuuksia ja yhtäläisyyksiä. Kirjallisuusselvityksellä on pyritty taustoittamaan kuormituskestävyys- ja routamitoitusta käsittelemällä tierakenteeseen kohdistuvat kuormitustekijät ja materiaalien käyttäytyminen sekä esittelemällä Suomen ja Ruotsin mitoitusmenetelmät, Ruotsissa käytössä olevan mitoitusohjelman ja sen tulevan korvaajan. Laskennallisessa osuudessa on keskitytty Ruotsin kuormituskestävyysmitoitukseen ja Suomessa käytössä olevaan Odemarkin kantavuusmitoitukseen. Laskennalliseen osuuteen on sisällytetty myös routanousun ja kuormituskertaluvun laskennan tarkastelu.

Vertailulaskelmat toteutettiin kahdella menetelmällä: Odemarkin kantavuuslaskelmalla (Excel) ja PMS Objekt -ohjelmalla. Vertailulaskelmat tehtiin kolmella suomalaisen mitoituskäytännön mukaisella kuormitusluokalla (0,8; 5; 25) ja kolmella alusrakenteella (jäykkä savi, tasalaatuinen siltti, sekalaatuinen siltti). Vertailulaskelmassa tierakenteen mitoitus tehtiin ensin Odemarkin kantavuuskaavalla, ja tarvittaessa kerrospaksuutta lisättiin suomalaisen routamitoituksen mukaisesti. Tämän jälkeen PMS Objektilla tehtiin kuormituskestävyys- ja routamitoitus samoilla kerrospaksuuksilla. Lopuksi PMS Objektilla optimoitiin kerrospaksuudet samoilla lähtötiedoilla.

Vertailulaskelmissa huomattiin, että Odemarkin kaavalla mitoitetussa päällysrakenteessa kerrospaksuus oli kantavassa kerroksessa suurempi, mutta jakavassa ja suodatinkerroksessa pienempi kuin PMS Objektilla optimoidussa päällysrakenteessa. PMS Objektilla optimoidussa rakenteessa päällyste oli kuormitusluokan pienimmällä kuormituskertaluvulla 10–35 mm ohuempi ja suurimmalla 10–20 mm paksumpi kuin Odemarkin kaavalla mitoitetussa rakenteessa. PMS Objektin mukaan Odemarkin menetelmän kerrospaksuuksilla päällysteen mitoitusehdon täyttäminen oli haastavaa pienillä kuormitusluokilla kuormituskertaluvun ylärajalla, ja suurilla kuormitusluokilla alusrakenteen mitoitusehto ei aina täyttynyt edes alarajalla. Suomalaisella routamitoituksella routanousuarvot olivat suurempia kuin PMS Objektilla vyöhykkeellä 2, mutta vyöhykkeellä 4 PMS Objektin arvot olivat suurempia.

Mitoitusmenetelmävertailun perusteella PMS Objektin routamitoitusmalliin siirtyminen ei ole perusteltua, koska ohjelmaan ei voi tuoda omia ilmastotietoja ja mitoitus perustuu kylmimmän talven arvoihin. Kehityssuuntana voitaisiin vertailla suomalaisia roudansyvyysarvoja ERAPave PP -ohjelmalla laskettuihin arvoihin sitten, kun ERAPave PP:n kehitystyö on valmis. Vertailua voitaisiin hyödyntää arvioinnin tukena, onko tarvetta päivittää arvoja, muokata vyöhykkeitä tai siirtyä ohjelmapohjaiseen malliin.

Odemarkin menetelmän etuja ovat laskennallinen yksinkertaisuus ja nopeus, mutta sen rajoitukset, kuten materiaalien ominaisuuksien, jännitysten ja venymien huomioimatta jättäminen, puoltavat kehittämistä. Parannuksia voisivat olla vuodenaikajaksotus ja tarkempi muodonmuutosten huomiointi kriittisissä kuormitustilanteissa. Nykyistä mitoitusmenetelmää voitaisiin mahdollisesti kehittää kasvattamalla päällysteen paksuutta pienissä kuormitusluokissa, nostamalla kantavuusvaatimuksia suurissa luokissa, jakamalla suuret kuormitusluokat tarkempiin alaluokkiin ja määrittämällä paksuus- ja kantavuusvaatimukset ilmaston mukaan.