Monitoroinnilla varmistetaan siltojen kunto ja

Transkriptio

1 4 /2013 Monitoroinnilla varmistetaan siltojen kunto ja turvallisuus LIIKENNEVIRASTON T&K -LEHTI T&K Monitoroinnilla varmistetaan siltojen kunto ja turvallisuus Liikennevirast o, VT T sekä useat suomalaiset silt ojen suunnit t elu- ja monit oroint iyrit ykset sekä yliopist ot ovat kehit t äneet perusperiaat t eet ja ohjeet silt ojen monit oroinnille niiden kunnon ja t urvallisuuden valvomiseksi. Suomessa siltojen kuntoa valvotaan säännöllisillä tarkastuksilla ja tiedot kerätään siltarekisteriin. Siltojen tarkastukset ovat Suomessa systemaattisia, ja sillan tarkastajien toimintaa ja pätevyttä valvotaan jatkuvasti. Viime aikoina muualla maailmassa ja myös Suomessa on aloitettu siltojen monitorointi asentamalla tutkittaviin siltoihin erityyppisiä antureita, jotka antavat jatkuvasti tietoa sillan kunnosta, kestävyydestä ja turvallisesta käytöstä. Monitorointi voi kestää muutamia kuukausia, jolloin kerätään tietoa sillan sen hetkisestä toiminnasta ja kunnosta, tai se voi jatkua useita vuosia tai koko sillan eliniän ajan, jolloin saadaan tietoa myös sillan kunnon kehittymisestä. Monitorointi ei korvaa siltojen säännönmukaisia tarkastuksia, mutta sen sijaan monitorointi antaa jatkuvasti tietoa sillan sisällä olevista rakenteista, joihin tarkastuksissa ei päästä näkemään. Siltojen kunto Suomessa Suomessa on yli siltaa, joiden omistajia ovat pääasiassa Liikennevirasto, kaupungit ja kunnat. Liikenneviraston julkaisemien tietojen mukaan Suomessa on hyvin huonokuntoisia siltoja 200 ja melko huonokuntoisia 800. Tänä syksynä siltojen kantavuuksia on jouduttu tarkastelemaan uudestaan, sillä lokakuussa 2013 astui voimaan Valtioneuvoston asetus uusista raskaiden ajoneuvojen akseli- ja kokonaispainoista. Asetuksen myötä osalle silloista on jouduttu asettamaan painorajoituksia. Siltojen ja tunnelien turvallisuutta sekä elinkaaren hallintaa on tutkittu Tekes-rahoitteisessa SITUEL- 1/6 1

2 projektissa, joka päättyi kesällä Projektissa on kehitetty siltojen kuntoon, kestävyyteen ja turvallisuuteen liittyviä systemaattisia monitorointimenetelmiä sekä tiedon siirtoa, tiedon tallennusta ja automaattisia analysointitekniikoita. Tulevaisuuden tavoitteena on, että siltojen hallinta voitaisiin kohdistaa yksittäisten siltojen asemasta kokonaisiin siltaryhmiin, ja että huonokuntoisia siltoja ei juuri olisi, jolloin korjaus ja kunnostustoimenpiteet voitaisiin suunnitella etukäteen useiksi vuosiksi etukäteen. Siltojen monitorointi on osa koko Infran hallintajärjestelmää Sillat liittyvät kiinteästi tie-, katu- ja rataverkkoon, ja toisaalta niiden käyttäjiä ovat ihmiset ja tavaroiden kuljetukset, joten siltojen korjauksia ja kunnossapitotoimenpiteitä suunniteltaessa on otettava huomioon ympärillä oleva infra. Siltojen monitoroinnin on SITUEL-tutkimuksessa oletettu olevan osa myöhemmin kehittyvää Infran hallintajärjestelmää. Tämä johtuu siitä, että siltojen monitoroinnin kaltaisia yksittäisiä kokonaisuuksia ei kannata kehittää erikseen, vaan ne pitää pystyä myöhemmin liittämään muihin järjestelmiin (esim. Infran hallintajärjestelmään). Siltojen monitorointi ei siis ole pelkkää tietojen keräämistä silloista, vaan siihen pitää aina liittää sekä koekuormitus että analysointi, kuten lujuuslaskenta, kunnon arviointi ja elinkaarianalyysit. Lisäksi osa tarvittavasta tiedosta saadaan muista tietorekistereitä, kuten esimerkiksi liikennetiedot, säätiedot, maaperätiedot, karttatiedot ja siltarekisteritiedot. Projektissa on ehdotettu, että monitorointi olisi osaa infran avoimen lähdekoodin hallintajärjestelmää, johon eri toimijat voisivat tehdä omia soveluksiaan (ks. Kuva 1). Avoin lähdekoodi on suositeltava, sillä infrarakenteiden ja siltojen suunniteltu elinikä on vuotta ja sen vuoksi on tärkeää, että tietorekisterit ja analysointisovellukset toimivat kymmenienkin vuosien päästä. Avoin lähdekoodi voisi olla esimerkiksi sovellusalusta, johon yritykset ja eri toimijat laativat omia keskenään kilpailevia kaupallisia sovelluksiaan. Sovellusalustaa pitää myös kehittää ja ylläpitää. Kehittäminen ja ylläpito voisi toteutua yhteisön kautta, johon tärkeimmät toimijat liittyvät. Tavoitteena on tietysti, että yhteisö olisi kansainvälinen, jolloin sen kehittämiseen löytyisi enemmän resursseja ja rahoitusta. Kuva 1. Avoimen lähdekoodin ohjelmointialusta ja siihen liittyvät sovellukset Siltojen monitorointia on monenlaista Siltojen monitorointi on osa siltojen hallintajärjestelmää, johon kuuluvat lisäksi tarkastukset, koekuormitus, lujuustekninen analysointi, kunnon analysointi, elinkaarilaskenta sekä myös korjaustoiminnan suunnittelu. 2/6 2

3 Monitorointia ei ole tarkoitus toteuttaa kaikille silloille, vaan alkuvaiheessa valitaan tavallisimpia siltatyyppiryhmiä ja jokaisesta siltaryhmästä valitaan lopuksi muutamia siltoja monitoroitavaksi. Liikenteellisesti ja ilmastollisesti eri olosuhteissa olevien siltojen monitorointi- sekä tarkastustulosten perusteella voidaan analysoida koko siltaryhmä tarkemmin. Myös yksittäisiä siltoja voidaan monitoroida, mikäli niissä on havaittu korroosio- tms. vaurioita, tai jos sillan kuormituskestävyys on muuten alentunut. Monitorointi voidaan jakaa seuraaviin ryhmiin: Lyhyt ja kertaluontoinen monitorointi Jaksollisesti toteutettu monitorointi Pysyvä monitorointi Kert aluont oinen monit oroint i tehdään silloin, kun sillan alentunutta kuntoa halutaan tarkemmin tutkia korjaamista ja analysointia varten. Jaksollinen monit oroint i tehdään, kun halutaan seurata säännöllisesti sillan kunnon kehittymistä. Tällöin siltaan asennetaan pysyvästi mittausanturit, mutta mittalaitteet kytketään vain mittausjakson ajaksi. Jaksollinen monitorointi on taloudellisesti edullista, sillä sillalle ei tarvita sähköverkkoa eikä mittalaitteiden ylläpitoa mittausten välillä. Pysyvä monit oroint i jatkuu useita vuosia jopa sillan koko käyttöiän ajan. Se toteutetaan tavallisesti suurille tai uudentyyppisille silloille, joiden kuntoa on jatkuvasti seurattava. Jatkuvassa monitoroinnissa voidaan myös lähettää tarvittaessa hälytyksiä esimerkiksi liikenneonnettomuuksista, tulipaloista tai sillan kunnon äkillisestä muuttumisesta. Monitoroinnista päättäminen tehdään sillan suunnittelijoiden ja sillan korjauksesta huolehtivien asiantuntijoiden kanssa (ks. Kuva 2). Kuva 2. Kaaviokuva sillan monitoroinnista päättämisestä. Tietomallinnus on kätevä työkalu Liikennevirasto on julkaissut siltojen tietomalliohjeen, jolla siltojen piirustukset ja esimerkiksi materiaalitiedot voidaan tallentaa digitaalisessa muodossa tietorekisteriin. Nykyisin suurin osa vanhojen siltojen piirustuksista on siltarekisterissä kuitenkin kuvaformaattimuodossa, mistä johtuen niiden mitta- tai materiaalitietoja ei saada haettua automaattisesti, vaan ne on katsottava edelleen kuvasta. Vanhojen siltojen digitaalinen malli olisi hyvin tärkeä siltojen hallintajärjestelmässä, jotta korjaus- ja 3/6 3

4 kunnossapitotoimenpiteet voitaisiin kohdistaa kokonaisiin siltaryhmiin. SITUEL-projektissa on kehitetty menetelmä, jolla pienellä määrällä päämittoja sillan geometriasta, poikkileikkauksita ja materiaaleista voidaan muodostaa sillan geometria- ja lujuuslaskentamalli. Malli on sitä tarkempi, mitä enemmän siihen lisätään parametreja ja mittoja. Mikäli siltarekisteriin lisättäisiin myös tietoja sillan pääpalkkien sijainnista ja poikkileikkauksista, voitaisiin myös vanholle silloille muodostaa digitaalinen malli, jolla voitaisiin automaattisesti analysoida sillan kantavuutta ja kestoikää. Vaikka malli ei ole ehkä riittävän hyvä tarkkaan kantavuuslaskentaa, sillä voidaan löytää tavallisimmista siltatyypeistä ongelmallisimmat sillat lisätarkasteluja varten. Edellä esitetty mallinnustekniikka ei ole riippuvainen tallennusformaatista, vaan tiedot voidaan tallentaa yleisessä taulukkomuodossa ja mallin generointi voidaan tehdä myös avoimen lähdekoodin avulla tavallisimmille siltatyypeille. Tehdystä sillan geometrisesta mallista tehdään lopuksi kullekin kaupalliselle lujuusanalysointiohjelmalle (Finite Element) lähtötiedosto. Samaa mallia voidaan käyttää myös betonisiltojen kunnon laskentaan, jos sillan eri osat voidaan tarkemmin huomioida. Kuvassa 3 on esitetty edellä mainitulla menetelmällä muodostettu palkkisillan FE malli Abaqus-ohjelmalle. Mallin muodostamiseen on käytetty noin 50 parametria palkkien sijainnista ja poikkileikkauksista. Kuva 3. Makarlan silta ja annetuilla geometriatiedoilla muodostettu lujuusmalli Abaqus-ohjelmalle. Ohje opastaa monitoroinnissa Monitoroitujen siltojen lukumäärä lisääntyy tulevaisuudessa ja siksi on tärkeää, että monitorointi on tehty systemaattisesti ja annettujen ohjeiden mukaan. Tällöin on mahdollista seurata tai tehdä hakuja monitorointititulosten tietokannasta. SITUEL-projektissa on laadittu VTT:n tutkimusraportti siltojen monitorointiohjeesta. Siinä esitetään pääperiaatteet monitoroinnin suorittamisesta sekä tulosten esittämisestä, jotta siltojen omistaja saisi tulokset helposti tulkittavassa muodossa. Ohjeessa on oletettu, että monitoroinnin suorittaa mittauksiin erikoistunut yritys, joka sitten antaa tulokset sillan omistajalle analysoinnin jälkeen. Ohjeessa ei siten anneta yksityiskohtaisia ohjeta antureiden ja mittalaitteiden teknisistä ominaisuuksista, mutta sen sijaan annetaan tietoja, miten antureita ja niiden paikkoja tulisi valita. Mitta-antureiden valintaan paras taho on sillan suunnittelija, jolla on tieto sillan rasitetuista kohdista ja voimista sillan eri rakenneosissa. Edullisinta olisi, jos sillan suunnittelun yhteydessä voitaisiin antaa mitta-antureiden paikat sillassa, sillä myöhemmässä vaiheessa paikat voidaan valita vain sillan uudelleenanalysoinnin tai laskelmien 4/6 4

5 tutkimisen jälkeen. Annettujen antureiden lukumäärä riippuu halutusta monitoroinnin tarkkuudesta, mutta myös lujuuslaskennan tarkkuudesta. Jos sillasta on laadittu kattava ja automaattisesti toimiva lujuusmalli, tarvitaan antureita vain vähän mallin verifioimiseksi ja korjaamiseksi. Toisaalta jos halutaan antaa hälytyksiä sillan vaurioista ilman analysointia, on niitä asennettava ehkä satoja sillan jokaiseen jänteeseen ja jokaiseen tutkittavaan palkkiin. Lisäksi mahdollisten hälytysrajat, kuten palkkien rasitusten kriittiset arvot, suurin sallittu taipuma ja jännitys, on osattava asettaa oikeiksi. Yksi tärkeä näkökohta on väärien hälytysten karsiminen, sillä yhden anturin väärä lukema ei saisi johtaa turhaan sillalla käyntiin tai sillan sulkemiseen. Vääriä hälytyksiä voidaan vähentää analysoinnilla, jossa tutkitaan myös muiden lähellä olevien antureiden lukemia. Ohjeessa on annettu ehdotus menetelmästä, jossa antureiden paikat ilmoitetaan systemaattisesti koodattuna ja merkittynä, jolloin samantyyppiset monitorointitulokset voidaan hakea tietokannasta ja kohdistaa niihin analysointi. Monitoroinnista saadut tulokset analysoidaan ja esitetään kuukausiraportteina. Raportit sisältävät tiedot ja luokittelun suurimmista rasituksista sekä ajoneuvotyypeistä, joilla rasitukset ovat syntyneet. Sillan turvallisen käytön kannalta suurimpia rasituksia verrataan sillan analysoinnista saatuihin rasituksiin, joissa on huomioitu myös sillan omapaino. Monitorointitulosten siirron ja laitteiden parametrien muuttamisen on tapahduttava systemaattisesti ja turvallisesti. Ohjeessa on ehdotettu käytettäväksi OPC (Open Platform Communication) UA -protokollaa, joka on standardisoitu ja on käytössä yleisesti teollisuudessa. Jos mittalaitteiden protokolla on määrätty, voidaan mittaustietoa kerätä ja mittalaitteita käskyttää yhtenäisesti laitteiston toimittajasta riippumatta. Teksti: Ilkka Hakola ja Matti Halonen, VTT, Timo Tirkkonen, Liikennevirasto, Kuva: Olli Penttinen Lue lisää Siltojen ja tunnelien monitorointia ja turvallisuutta on tutkittu TEKES-rahoitteisessa projektissa SITUEL vuosina ja siinä ovat olleet mukana seuraavat yritykset, tutkimuslaitokset, virastot, kaupungit ja yliopistot: Liikennevirasto, Insinööritoimisto Pontek Oy, Inspecta, Optimon Oy, Sito Oy, WSP Finland, Ramboll Finland Oy, Destia Oy, FinMeas Oy, Dimense Oy, VTT, Helsingin Kaupunki, Oulun Yliopisto, Aaltoyliopisto. Lisäksi projektia on tehty yhteistyössä Ymagushin Yliopiston (Japani) kanssa. Läht eet Liikenneviraston sillat, Valtioneuvoston asetus, SITUL, Siltojen ja tunnelien turvallisuus ja elinkaaren hallinta, Liikennevirasto, Siltojen tietomalliohje, Siltojen monitorointiohje, VTT tutkimusraportti nro VTT-R /6 5

6 6/6 6