BETONIRAKENTEISEN TIETUNNELIN ALUSTAVA MITOITUSTARKASTELU RÄJÄHDYSPAINEKUORMILLE

Transkriptio

1 KONETEKNIIKAN OSASTO BETONIRAKENTEISEN TIETUNNELIN ALUSTAVA MITOITUSTARKASTELU RÄJÄHDYSPAINEKUORMILLE Arto Hämäläinen Diplomityö, jonka aihe on hyväksytty Oulun yliopiston Konetekniikan osastolla Ohjaaja(t): Professori TkT Mikko Malaska ja DI Anssi Auvinen

2 TIIVISTELMÄ Betonirakenteisen tietunnelin alustava mitoitustarkastelu räjähdyspainekuormille. Arto Hämäläinen Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto Diplomityö 2013, 78 s s. liitteitä Työn ohjaaja(t): Professori TkT Mikko Malaska ja DI Anssi Auvinen Tämän työn tarkoituksena on tarkastella miten räjähdyspainekuormitus voidaan huomioida betonirakenteisen tietunnelin mitoituksessa. Työssä tarkastellaan räjähdyspainekuorman teoriaa ja Suomessa mitoituksessa käytössä olevia menetelmiä sekä tarkastellaan räjähdystä vaimentavia rakenneratkaisuja. Työssä tarkastellaan Suomessa käytössä olevia tietunneleiden mitoitus- sekä suunnitteluohjeita ja tietunnelien vähimmäisvaatimuksia. Työssä esitellään räjähdyksen teoriaa ja aiheeseen liittyviä tutkimuksia, erilaisia räjähdyspainekuormitusmalleja ja niiden arviointeja ja Euroopassa suoritettuja tietunnelien räjähdyspainemitoituksia. Työssä tarkastellaan myös räjähdysonnettomuuden vaurion laajuuden rajoittamista tietunneleissa ja esitetään periaatteellisia esimerkkiratkaisuja alustavan mitoitusohjeen pohjaksi. Laskennassa tarkastellaan yksinkertaisen massa-jousimallin ja FEM-ohjelman avulla mallinnettuja tietunnelin rakenteiden siirtymiä räjähdyspainekuorman vaikutuksesta lineaarisen ja epälineaarisen laskennan avulla. Työssä arvioidaan dynaamisen räjähdyspainekuormituksen muuntamista staattisiksi ekvivalenttikuormituksiksi. Rakennemalleina käytetään toisistaan erillään olevia kaksitukisia palkkeja sekä kehärakenteena toimivia tunnelirakenteita ja erilaisten laskentatapojen ja rakennemallien tuloksia verrataan toisiinsa. Laskennan tulosten ja vaurion laajuuden rajoittamisen avulla laaditaan alustava mitoitusohje räjähdyspainekuormitukselle tietunneleissa. Asiasanat: tietunneli, räjähdys, painekuorma, mitoitusohje

3 ABSTRACT Preliminary design assessment of explosion loads on concrete structured road tunnels. Arto Hämäläinen University of Oulu, Department of Mechanical Engineering Master s thesis 2013, 78 p p. appendixes Supervisor(s): Professor D.Sc. (Tech.) Mikko Malaska and Anssi Auvinen M.Sc. (Tech.) The aim of this thesis is to create a preliminary design guide for explosion loads on road tunnels and create explosion-absorbing structural solutions. This thesis includes a review of design and planning guidelines and the standards currently in use in Finland for designing road tunnels. The work also examines the theory of explosions and related terms, a variety of explosion pressure load models with their evaluations and explosion load assessments on road tunnels carried out in Europe. In addition, this thesis examines various ways of reducing the extent of damage done to road tunnels by an explosion incident and presents practical solutions, for example, of controlled deformation of structural elements or channeling the pressure from the explosion. Calculation techniques include simple mass-spring systems and FEM-modeled simple beam and tunnel frame systems. Linear and nonlinear calculations focus on the transitions of systems caused by a dynamic explosion load. From the basis of explosionabsorbing structural solutions and calculation results a preliminary design guide is created. Keywords: road tunnel, explosion, pressure load, design guide

4

5 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 2 ABSTRACT... 3 ALKUSANAT... 4 SISÄLLYSLUETTELO... 5 MERKINNÄT JA LYHENTEET JOHDANTO TIETUNNELIEN SUUNNITTELUKÄYTÄNTÖ SUOMESSA Lainsäädäntö Tien suunnittelu ja tieoikeus Vesilaki Ympäristönsuojelulaki ADR-sopimus ja -tunnelikategoriat Tunnelien turvallisuuden vähimmäisvaatimukset sekä suunnitteluohjeet ja - periaatteet Direktiiviin 2004/54/EY pohjautuvat kansalliset ohjeet Eurokoodit Tunnelin rakenteiden mitoitus Lähtötiedot ja sovellettavat ohjeet Kuormitukset Lujuustekninen mitoitus ja laskentamallit RÄJÄHDYSPAINEKUORMA Räjähdyspainekuorman käsitteiden määrittely Räjähdysreaktio Räjähdyspainekuorma RÄJÄHDYSPAINEEN KUORMITUSMALLIT Eurokoodi TNO:n BLEVE TNO:n suorittamat tutkimukset ja kuormitusmallit TNO:n kuormitusten perusteella suoritetut mallinnukset Ruotsissa käytetty räjähdyspainekuorma Yleinen käytäntö Euroopassa Räjähdyskuormitusmallien arviointi ja vertailu Eurokoodi... 34

6 4.5.2 TNO:n BLEVE Ruotsissa käytetyt kuormitukset Staattiset yli- ja alipainekuormitukset Kuormitusmallin valinta STAATTISET EKVIVALENTTIKUORMAT Massa-jousisysteemi Käytettävä kuormitus Laskennan rakennemallit Siirtymän johtaminen liikeyhtälöstä Dynaaminen kuormakerroin, DLF TUNNELIN RAKENNEMALLI Tunnelin geometria Materiaaliominaisuudet MASSA-JOUSISYSTEEMIN MALLINTAMINEN TUNNELIN FEM-MALLINNUS Lineaarinen mallinnus Epälineaarinen mallinnus Tulokset Siirtymät Raudoitusmäärät Johtopäätökset laskentamalleista Lineaarinen FEM-tunnelimalli Epälineaarinen FEM-tunnelimalli Muuta huomioitavaa laskentamalleista VAURION LAAJUUDEN RAJOITTAMINEN Vaarallisten aineiden kuljetusten kieltäminen tunnelissa Kalliorakenteinen tunneli Kaksiputkinen tunneli Erilliset tunnelit Vaimentava keskiseinä Sisäkkäiset tunnelit Tunnelin rakenteiden geometrian ja materiaalien vaihtoehdot Rakennepaksuus Jännepunokset Paineenpurkuaukot ja hallittu sortuma Rakennusmateriaalit... 68

7 9.5 Johtopäätökset MITOITUSOHJE RÄJÄHDYSPAINEKUORMILLE YHTEENVETO LÄHDELUETTELO LIITTEET: A: Massa-jousisysteemin siirtymien ja korvausvoimien laskelma Eurokoodin kuormituksella (14 s) B: FEM-palkkimallien laskentaraportti (15 s) C: Lineaarisen FEM-tunnelimallin laskentaraportti (15 s) D: Epälineaarisen FEM-tunnelimallin laskentaraportti (39 s)

8 MERKINNÄT JA LYHENTEET,, poikkipinta-ala elementin leveys vakio vaimennuskerroin iskuaallon etenemisnopeus äänen etenemisnopeus kuumissa kaasuissa kimmokerroin voima impulssi jäyhyysmomentti jousivakio jänneväli massa paineen huippuarvo! "#$#%&.() staattinen ekvivalenttikuorma! * kuormitus + aika + elementin paksuus + aikavakio +, räjähdyksen kestoaika u,u siirtymä - taipuma. etäisyys räjähdyksen keskukseen /(+) siirtymä ajan t suhteen /2(+) siirtymän 1. derivaatta ajan t suhteen /3(+) siirtymän 2. derivaatta ajan t suhteen!

9 4 materiaalin tiheys 56 ³ 4 89:;<= betonin tiheys 56 ³ > < n:ttä ominaismuotoa vastaava ominaistaajuus?@a ADR European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road; sopimus vaarallisten aineiden kansainvälisistä tiekuljetuksista AFRP Aramide Fiber Reinforced Polymer; aromaattisten polyamidien avulla vahvistettu polymeeri BLEVE Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion (ks. 3.1) CFD Computational Fluid Dynamics; nesteiden virtausmekaniikan numeerinen mallintaminen CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer; hiilikuidulla vahvistettu polymeeri DLF Dynamic Load Factor; dynaaminen kuormakerroin (ks. 6.2) FEM Finite Element Method; elementtimenetelmä GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer; lasikuidulla vahvistettu polymeeri LPG Liquefied Petroleum Gas; nestekaasu TERN Trans-European Road Network; Euroopan laajuinen tieverkko

10 TNO Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek; Netherlands Organisation for Applied Scientific Research; Alankomaiden tieteellinen tutkimuslaitos VAK Vaarallisten aineiden kuljetus

11 11 1 JOHDANTO Suomen kaupunkien tiheimmin asutettujen alueiden vaatimukset palveluille kasvavat vuosi vuodelta. Usein alueilla vallitsevan tiheän rakennuskannan vuoksi maanpäällinen lisärakentaminen ei ole aina mahdollista ja riittävän logistiikan ja muiden palveluiden tarjoamiseksi uusi infrastruktuuri täytyy rakentaa maan alle. Yksi osa maanalaista infrastruktuuria ovat tietunnelit, jotka parantavat alueen tieverkon palvelutasoa sekä vähentävät melua ja saasteita maanpinnan yläpuolella. Tietunnelit toimivat huolto- ja ohitusreitteinä ja niissä kuljetetaan erilaista tavaraa, mukaan lukien kemikaaleja ja palavia aineita. Toistaiseksi vaarallisten aineiden kuljetukset pyritään ohjaamaan vaihtoehtoisia reittejä pitkin tunnelien sijaan tunneleissa mahdollisesti tapahtuvien onnettomuuksien suurten seuraamusten vuoksi. Tulevaisuudessa myös vaarallisten aineiden kuljetukset mahdollisesti joudutaan sallimaan tietyin rajoituksin tietunneleissa. Vaarallisten aineiden kuljetukset tietunneleissa laajentavat tietunnelin rakenteiden mitoitustarkastelun koskemaan normaaleista onnettomuustilanteista poikkeaviin onnettomuuksiin, joista mahdollisesti vaarallisin on tulipaloa seuraava räjähdys. Tässä työssä tutkitaan betonirakenteisen tietunnelin mitoitusta onnettomuustilanteen räjähdyspainekuormalle. Vaikka suunnittelustandardeissa ja kansallisissa ohjeissa määrätään tietunnelit tarvittaessa mitoitettavaksi räjähdyspainekuormalle niin riittävän tarkasti ja yksiselitteisesti määriteltyä virallista, Suomessa käytettävää mitoitusohjetta kyseiselle kuormitukselle ei ole saatavilla. Työn tarkoituksena on selvittää betonirakenteisen tietunnelin mitoitusta räjähdyspainekuormille ja luoda alustava mitoitusohje betonirakenteisen tietunnelin räjähdyspainemitoitukselle. Työssä tarkastellaan Euroopassa vallitsevia tietunnelien mitoituskäytäntöjä erilaisten räjähdyspainekuormitusten osalta ja tutkitaan räjähdyspainekuorman mallintamista tunnelissa dynaamisena ja staattisena kuormituksena. Mallintaminen toteutetaan Sofistik-ohjelmalla ja osittain käsin laskentana Mathcad-ohjelmalla.

12 12 2 TIETUNNELIEN SUUNNITTELUKÄYTÄNTÖ SUOMESSA Suomen maantieteelliset ominaisuudet ovat pitkään mahdollistaneet liikenneväylien rakentamisen ilman tunneleita ja tietunneleiden rakentamista tiestön palvelutason parantamiseksi on myös pidetty liian kalliina ratkaisuna maanpäälliseen tiehen verrattuna. Suomen suurimmissa kaupungeissa sekä Suomen valtateillä tiestön palvelutason parantaminen maanpäällisillä infrastruktuuriratkaisuilla ei ole aina mahdollista tiheän rakennuskannan tai liian pitkäksi muodostuvan kiertotien vuoksi, joten tietunnelien rakentaminen on lisääntynyt huomattavasti viime vuosien aikana. Vuonna 2010 suunnitteilla olleiden tietunnelien yhteenlaskettu pituus olikin suurempi kuin vuotta 2010 edeltävän 30 vuoden aikana rakennettujen tietunnelien pituus yhteensä. Suomessa rakennettujen ja suunnitteilla vuonna 2010 olleiden tietunnelien pituudet ja valmistumisvuodet on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1 ei sisällä kaupunkien sisäisiä katu- tai huoltotunneleita tai yksityisiä tai vain viranomaiskäytössä olevia tunneleita. Tietunnelin hankepäätöksen ja suunnittelijan valinnan jälkeen suunnittelun, rakentamisen ja tunnelin koko käyttöiän turvallisuuden ja laadun varmistamiseksi on Suomessa käytössä kattava lainsäädäntö sekä viranomaisohjeisto. Suomessa tientunnelien suunnitteluohjeet ja säädökset perustuvat Euroopan Parlamentin ja Neuvoston direktiiviin 2004/54/EY sekä Euroopassa käytössä oleviin suunnittelustandardeihin eli Eurokoodeihin. Tässä kappaleessa esitellään Suomessa käytössä olevien ohjeiden ja säädöksien sekä suunnitteluperusteiden sisältöä.

13 13 Taulukko 1. Suomen tietunnelit, niiden pituudet ja valmistumisvuodet. (Grönroos 2011, Velhonoja 2010). Färjsundin tunneli Kuparivuoren tunneli Fiskarsin tunneli Karkunvuoren tunneli Hiidenkallion tunneli Isokylän tunneli Vuosaaren tunneli Revontulen tunneli Hepomäen tunneli Lakiamäen tunneli Tervakorven tunneli Pitkämäen tunneli Orosmäen tunneli Karnaisten tunneli Lehmihaan tunneli Kivihaan tunneli Mestarintunneli Suunnitteilla 2010 Hagalund Keilaniemi Kehä 2 tunnelit Hakamäentie Munkkivuori Hakamäentie Lahdenväylä Rantaväylä Husula Vt7 Haminan ohitus Kolsila Vt7 Haminan ohitus Markkinamäki Lainsäädäntö Tien suunnittelu ja tieoikeus Suomen lainsäädännössä ei ole erikseen vain maanalaista rakentamista koskevia säännöksiä. Maanalaiseen rakentamiseen sovelletaan maanpäälliseen rakentamiseen säädettyjä lakeja ja niitä täydentäviä asetuksia soveltuvin osin. (Tiehallinto 2005).

14 14 Sovellettavia lakeja ovat muun muassa Maantielaki /503 sekä Maankäyttö- ja rakennuslaki / Vesilaki Tietunnelin suunnittelussa tulee huomioida vesilain säännökset. Vesilaissa on muun muassa säädetty säännökset pohjaveden muuttamiskiellosta ja vesistön muuttamiskiellosta. Vesilaki / Ympäristönsuojelulaki Tietunnelien suunnittelussa tulee huomioida ympäristönsuojelulaki erityisesti maan ja pohjaveden pilaantumisen osalta. Ympäristönsuojelulaki / ADR-sopimus ja -tunnelikategoriat Vaarallisten aineiden kuljetuksista on laadittu Euroopan Parlamentin ja Neuvoston direktiivi 94/55/EY. Tämä direktiivi on ADR-puitedirektiivi, jonka liitteenä on kansainvälinen ADR-sopimus (European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Roads). Vaarallisten aineiden kuljetuksia tietunneleissa koskevat säännökset ja määräykset perustuvat ADR-puitedirektiiviin. ADR-puitedirektiivi on Suomessa saatettu voimaan mm. seuraavilla säädöksillä: - laki vaarallisten aineiden kuljetuksesta (719/1994) - asetus vaarallisten aineiden kuljetuksesta tiellä (194/2002) - LVM:n asetus vaarallisten aineiden kuljetuksesta tiellä (277/2002). ADR-säädöksissä tietunnelit ryhmitellään viiteen kategoriaan A...E kolmen vaaratekijän (räjähdys, myrkyllisen kaasun päästö tai haihtuvan nesteen päästö tai tulipalo) perusteella taulukon 2 mukaan (Tiehallinto 2008).

15 15 Taulukko 2. ADR-tunnelikategoriat (Tiehallinto 2008). Tässä työssä tarkastellaan ADR-tunnelikategoriaan A kuuluvaa tietunnelia, jossa ei ole rajoituksia vaarallisten aineiden kuljetuksille. ADR-tunnelikategoriassa B rajoitettuna ovat esimerkiksi räjähdekuljetukset, kategoriassa C nestekaasukuljetukset ja kategoriassa D polttoainekuljetukset. ADR-tunnelikategorian E tunneleissa kaikki muut vaarallisten aineiden kuljetukset ovat rajoitettuja paitsi esimerkiksi radioaktiivisten aineiden kuljetukset (UN 2919) ja biologisen vaaran aiheuttavien kuljetukset (UN 3291). 2.2 Tunnelien turvallisuuden vähimmäisvaatimukset sekä suunnitteluohjeet ja - periaatteet Direktiiviin 2004/54/EY pohjautuvat kansalliset ohjeet Direktiivissä 2004/54/EY tietunnelit jaotellaan ryhmiin A-D tunnelin pituuden, rakennetyypin ja liikennöitävän väylän mukaan. Taulukossa 3 on esitetty nämä TERNtunneliryhmät. (Velhonoja 2010).

16 16 Taulukko 3. TERN-tunneliryhmät (Velhonoja 2010). Direktiivi 2004/54/EY koskee menettelyitä ja toimenpiteitä, joita tulee sitovina noudattaa päätettäessä vaarallisten aineiden kuljetuksista TERN (Trans European Road Network) - tieverkon yli 500 m pitkissä tietunneleissa eli tunneliryhmän TA mukaisissa tunneleissa. Tiehallinnon (= nykyinen Liikennevirasto) sisäisellä määräyksellä on vaarallisten aineiden kuljetuksia koskevat tarkastelut ulotettu koskemaan kaikkia tietunneleita. (Tiehallinto 2008). Direktiivin 2004/54/EY pohjalta on laadittu sitä täydentävät kansalliset ohjeet. Suomessa yksi tätä direktiiviä täydentävä kansallinen ohje on Tiehallinnon julkaisema luonnos Tietunnelin suunnitteluohje, luonnos Tietunnelin suunnitteluohjeen luonnos sisältää perusteet, ohjeet ja kriteerit tietunnelien suunnittelulle, rakentamiselle ja käytölle. Kansallisia ohjeita on noudatettava suunnittelussa. Tietunnelin suunnitteluohjeesta ei ole saatavilla täydennettyä tai uudempaa versiota [ ] Eurokoodit Eurokoodit ovat kantavien rakenteiden suunnittelua koskevia eurooppalaisia standardeja. Eurokoodisarja koostuu tällä hetkellä 58 osasta. Eurokoodit kattavat rakenteiden kantavuuden ja toimivuuden varmuuden määrittämisperiaatteet sekä erilaiset kuormat, kuten hyöty-, lumi- ja tuuli-, lämpö-, onnettomuus- ja nosturikuormat. Rakennusmateriaaleille on omat standardeissa annettu yksityiskohtaiset ohjeet.

17 17 Standardien soveltaminen eri maissa vaatii kansallisten liitteiden (NA) laatimista. Suomessa näiden kansallisten liitteiden laatimisesta vastaa Ympäristöministeriö talonrakentamisen ja Liikennevirasto siltojen osalta. (Rakennusteollisuus ry). Suomen lainsäädännön mukaan rakenteet tulee mitoittaa Eurokoodeissa esitetyillä tavoilla tai Eurokoodeja täydentävien kansallisten liitteiden tai ohjeiden mukaan. Suomessa käytössä olevat rakenteiden mitoitusta koskevat Eurokoodin pääosat ovat: - SFS EN 1990 Eurokoodi 0: Suunnittelun perusteet - SFS EN 1991 Eurokoodi 1: Rakenteiden kuormitukset - SFS EN 1992 Eurokoodi 2: Betonirakenteiden suunnittelu - SFS EN 1993 Eurokoodi 3: Teräsrakenteiden suunnittelu - SFS EN 1994 Eurokoodi 4: Teräs-betoniliittorakenteiden suunnittelu - SFS EN 1995 Eurokoodi 5: Puurakenteiden suunnittelu - SFS EN 1996 Eurokoodi 6: Muurattujen rakenteiden suunnittelu - SFS EN 1997 Eurokoodi 7: Geotekninen suunnittelu - SFS EN 1998 Eurokoodi 8: Rakenteiden suunnittelu kestävyyden suhteen maanjäristyksessä - SFS EN 1999 Eurokoodi 9: Alumiinirakenteiden suunnittelu 2.3 Tunnelin rakenteiden mitoitus Rakenteiden mitoituslaskennassa suunnitteluohjeita noudattamalla voidaan osoittaa, että valitut rakenteet kestävät niille suunnitellut kuormat ja että rakenne on turvallinen käyttää koko käyttöikänsä ajan. Tässä kappaleessa on esitelty yleisiä asioita tietunnelin rakenteiden mitoituksesta Lähtötiedot ja sovellettavat ohjeet Tietunnelin suunnittelun lähtötietoina annetaan yleensä rakennettavan alueen sijainti ja rajat, rakennettavan tunnelin arvioidut liikennemäärät, teknisten laitteistojen vaatimukset sekä ym. oleellisia tietoja. Lähtötietojen perusteella valitaan tietunnelin tunneli- ja seuraamusluokat, tunnelin alustava poikkileikkaus kaistamäärineen sekä

18 18 arvioidaan tunnelin rakenteille tulevat kuormitukset. Ennen varsinaista rakenteiden mitoitusta tunnelin alustavan poikkileikkauksen sekä arvioitujen liikennemäärien perusteella tunnelista laaditaan riskianalyysi, jossa tarkastellaan tunnelissa mahdollisesti tapahtuvien onnettomuuksien todennäköisyyksiä ja niiden seuraamusten laajuutta. Riskianalyysin perusteella tunnelille voidaan asettaa esimerkiksi tunnelin vähimmäisturvallisuusvaatimuksia tiukemmat vaatimukset teknisille järjestelmille ja turvallisuusjärjestelyille. Arvioitujen kuormitusten perusteella mitoitetaan tietunnelin rakenteet viranomaisten määräämien ohjeiden mukaisesti. Tässä kappaleessa on esitetty otteita tietunnelin suunnittelua käsittelevistä ohjeista sekä ohjeiden sisältämät asiat räjähdyspainekuormituksesta. Tietunnelin suunnitteluohjeen kohta 3.2 käsittelee tunnelin rakenteiden suunnittelua. Ohjeen mukaan rakenteet suunnitellaan noudattaen kansallisia ja eurooppalaisia suunnittelustandardeja. Liikennekuorman kuormittamien rakenteiden suunnittelussa noudatetaan siltojen suunnitteluohjeita. Lisäksi noudatetaan tietunnelin suunnitteluohjeessa mainittuja täydentäviä määräyksiä ja ohjeita sekä soveltuvin osin kunkin rakennusmateriaalin normeja, suunnitteluohjeita ja standardeja. (Tiehallinto 2005). Tietunnelin suunnitteluohjeessa määrätään rakenteet mitoitettavaksi normaalien olosuhteiden lisäksi tarvittaessa myös riskianalyysin mukaisille räjähdyspainekuormille. Räjähdyspainekuormien suuruutta tai räjähdyspainekuorman mitoitusmenettelyä ei luonnoksessa esitetä. Standardin SFS-EN-1991 osa 1-7 sisältää toimintaperiaatteet ja säännöt, joiden avulla rakennuksia sekä muita maa- ja vesirakennuskohteita suojataan määriteltävissä olevilta ja määrittelemättömästä syystä aiheutuvilta onnettomuuskuormilta. Tietunneleiden vaatimus räjähdyspainekuorman mitoitukselle on ilmaistu standardin SFS-EN kohdassa 5.1: Räjähdykset tulee ottaa huomioon suunniteltaessa rakennuksen tai maaja vesirakennuskohteen kaikkia osia, joissa kaasua poltetaan tai joista sitä ohjataan tai joissa varastoidaan tai kuljetetaan räjähtävää materiaalia, kuten räjähtäviä kaasuja tai räjähtävää höyryä tai kaasua muodostavia nesteitä (esim. kemian tehtaat, säiliöt,

19 19 polttoainevarastot, jätevedenkäsittelylaitokset, kaasulaitteita sisältävät huoneistot, energiansiirtokanavat, tie- ja rautatietunnelit). Räjähdyspainekuormituksen suuruudelle esitetään arvo standardin SFS-EN liitteessä D (ks. 4.1) mutta standardissa annettu kuormitus ei ole velvoittava. Yksityiskohtaisia mitoitusohjeita tai standardissa esitetyn kuormituksen käyttöohjeita ei ole standardissa esitetty Kuormitukset Rakenteisiin kohdistuu erilaisia kuormituksia, kuten esimerkiksi rakenteiden massat, lämpötilan muutokset, liikennekuormat tai onnettomuustilanteen törmäyskuormat tai räjähdyspainekuormat. Ennalta määriteltävissä oleville kuormituksille on suunnittelustandardeissa arvioitu keskimääräinen kuorman suuruus, jonka mukaan rakenteet mitoitetaan kyseiselle kuormitukselle. Kuorman suuruuden arvioinnin tarkkuutta lisätään kuorman laadusta, kuorman kestoajasta ja kuormitusyhdistelmästä riippuvalla osavarmuuslukumenetelmällä. Useiden eri kuormitusten yhteisvaikutus huomioidaan standardeissa esitetyllä periaatteella, jossa erillisten kuormituksien suuruudet kerrotaan kuormituksille ominaisilla osavarmuuskertoimilla ennen kuin kuormitukset summataan yhteen. Varmuuskertoimia tulee käyttää myös rakenteen seuraamusluokan ja materiaalin laadun osalta. Vaativat ja suuren seuraamusluokan omaavat rakenteet, kuten tunnelit ja sillat, vaativat mitoitusstandardien mukaan suuremmat osavarmuuskertoimet. (RIL ) Lujuustekninen mitoitus ja laskentamallit Kun kuormitusten yhteisvaikutukset eri tapauksissa on määritetty, valitaan yleensä mitoittavaksi tapaukseksi rakenteelle vähiten edullinen yhdistelmä, ts. tapaus, jossa vaikuttaa yhteisvaikutukseltaan suurimmat voimat. Valitun kuormitusyhdistelmän, rakenteen geometrian ja materiaalin parametrien avulla voidaan määrittää rakenteen käyttöaste annetuilla kuormituksilla. Mitoittavana tekijänä on usein materiaalin myötötai murtoraja, rakenteen muodonmuutokset (lyhyt- ja pitkäaikaiset) ja kokonaisstabiilius. Mitoituslaskennassa tarkastellaan valitun kuormitusyhdistelmän aiheuttamien jännityksien, siirtymien tai halkeamien suhteita sallittuihin arvoihin.

20 20 Laskentamallin valinta vaikuttaa oleellisesti laskennan tuloksiin sekä myös itse laskennan suorittamiseen. Lineaarinen laskentamalli otaksuu esimerkiksi materiaalin käyttäytyvän suoraviivaisesti jännityksen ja venymän suhteen, joten laskenta on yleensä suhteellisen yksinkertaista. Materiaaliltaan lineaaristen rakenteiden mitoitus voidaan tehdä joiltain osin esimerkiksi siirtymän avulla, koska siirtymästä voidaan suoraan laskea myös rakenteen jännitykset. Epälineaarinen laskentamalli sen sijaan ei esimerkiksi otaksu materiaalia lineaariseksi ja usein laskennassa onkin suoritettava useita iteraatioita (laskentakierroksia), joissa edellisen laskennan tulokset vaikuttavat seuraavan laskennan tuloksiin. Laskennan tarkkuus yleensä paranee iteraatioiden lukumäärän kasvaessa ja joskus riittävän tarkkaan tulokseen päästään vasta tuhansien iteraatioiden jälkeen. Epälineaarista laskentaa voidaan hyödyntää esimerkiksi betonirakenteiden halkeamien laskennassa, jossa halkeaman leveys vaikuttaa laskentamallin geometriaan ja laskentamallin geometria halkeamien leveyteen tai kuten esimerkiksi tässä työssä 3D-tunnelimallin siirtymien laskennassa (ks. 8.2).

21 21 3 RÄJÄHDYSPAINEKUORMA Tässä kappaleessa käsitellään räjähdyspainekuormaa, sen käsitteitä ja räjähdyksen teoriaa. 3.1 Räjähdyspainekuorman käsitteiden määrittely BLEVE: Lyhenne sanoista Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion. BLEVE tarkoittaa nesteytetyn kaasun paineastian äkillisen repeämisen seurausta, jossa kiehuva nesteytetty kaasu muuttaa äkillisesti olomuodon nesteestä kaasuksi, jolloin tapahtuu suuri räjähdyksen kaltainen tilavuuden muutos. Esimerkiksi yksi kuutiometri nestemäistä propaania muuttuu noin 300 kuutiometriksi kaasua ilmakehän paineessa. Tämä tilavuuden muutos voi aiheuttaa räjähdyksenkaltaisen iskuaallon, joka voi aiheuttaa suuria vaurioita läheisyydessä oleville rakenteille. Onnettomuustilanteessa tapahtumaa yleensä edeltää myös tulipalo, joka voi sytyttää purkautuneen kaasun paineastian repeytymisen jälkeen. Tunneliolosuhteissa ei kuitenkaan yleensä ole riittävästi happea purkautuvan kaasun täydelliseen palamiseen, joten BLEVE:stä mahdollisesti seuraavaa kaasun humahdusta ei käsitellä tässä työssä. BLEVE:stä on myös useita eri määritelmiä ja myös osa niistä jättää purkautuneen kaasun palamisen kokonaan tapahtuman ulkopuolelle. (Van den Berg & al 2008). Deflagraatio: Ts. humahdus. Palamisreaktio, jossa lämmönsiirtyminen saa reaktiopinnan etenemään kaasussa tai räjähteen pinnassa alle äänen nopeudella (<343 E ). (Van der Meer 2008). " Detonaatio: Räjähdyksenomainen palamisreaktio, joka voi aiheuttaa iskuaallon. Räjähdys etenee väliaineessa yli äänen nopeudella (>343 E ). Seurauksena voi olla iskuaalto. (Van der " Meer 2008).

22 22 Huippupaine: Suurin hetkellinen painekuorma. Impulssi: Voiman ja voiman vaikutusajan tulo. Iskuaalto: Iskuaaltoa voidaan kuvata väliaineessa eteneväksi häiriöksi, joka kuljettaa energiaa. Iskuaallolle on ominaista aiheuttaa erittäin äkillisiä muutoksia väliaineen ominaisuuksiin. Iskuaalto voi aiheuttaa edetessään erittäin suuria paine-eroja, lämpötilan nousuja ja väliaineen tiheyden muutoksia. Iskuaaltoa seuraa yleensä alipainevaihe. (Webster`s New World College Dictionary 2004). Paineaalto: Paineaalto on useimmiten nesteessä, kaasussa tai kaasuseoksessa esiintyvä voimakas paine-ero, joka etenee pitkittäisen aallon tavoin. (Encyclopaedia Britannica 2013) Rakenteen vaste: Värähtelyanalyysissa sanotaan värähtelyn aiheuttajaa herätteeksi (esim. tässä työssä iskuaalto on heräte) ja seurauksena olevaa systeemin (rakenteen) liiketilaa (asema, nopeus, kiihtyvyys) vasteeksi. Vaikutusaika (kestoaika): Ajanjakso jolloin rakenteeseen vaikuttaa voima tai voimia. Tässä työssä huomioidaan ainoastaan räjähdyspainekuorman vaikutusaika. 3.2 Räjähdysreaktio Yleisin räjähdyksen syntymekanismi on kemiallinen räjähdys, joka voidaan määritellä erittäin nopean palamisreaktion aikaansaamana aineen tilavuuden muutoksena ja energian vapautumisena. On olemassa myös mekaanisia räjähdyksiä, jotka eivät vaadi kemiallista reaktiota toteutuakseen, kuten esimerkiksi paineistetun nestekaasuastian

23 23 kuoren äkillisen pettämisen aiheuttama nopea tilavuuden muutos eli BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion). Äkillinen tilavuuden muutos voi räjähtävän aineen reagoimisnopeudesta tai aineen tilavuuden muutosnopeudesta riippuen aiheuttaa detonaation ja voimakkaan iskuaallon tai humahduksen (deflagraatio) ja paineaallon. Detonaatio syntyy, kun räjähdys tapahtuu moninkertaisella äänennopeudella ja deflagraatio, kun räjähdys tapahtuu alle äänennopeudella. Detonaatiossa syntyvä iskuaalto siirtää räjähdyksessä vapautuvaa energiaa pääasiassa liike-energiana aaltoliikkeen muodossa räjähdyksestä iskuaallon kohtaamiin esineisiin tai rakenteisiin. Detonaatiossa muodostuvan lämpöenergian osuus on suhteellisen pieni. Deflagraatiossa sen sijaan merkittävin osa räjähdyksen energiasta siirtyy lämpöenergiana ja pieni osa liike-energiana paineaallon muodossa. Räjähdysaineiden hyötykäyttö esimerkiksi kallion louhinnassa perustuu detonaation aiheuttamien iskuaaltojen siirtämään suureen energiamäärään räjähdysreaktiosta kalliorakenteeseen erittäin lyhyessä ajassa, jolloin kallion yhtenäinen rakenne hajoaa kallion rakenteeseen muodostuvien jännitysten vuoksi. Louhinnassa räjähdysreaktion aiheuttamalla lämpöenergialla ei ole suurta merkitystä. Deflagraation tapaisen räjähdyksen hyötykäyttöä voisi kuvailla esimerkiksi polttomoottorin toiminnalla, jossa kemiallinen palamisreaktio saa aikaan riittävän mäntien liikkeen paineaaltojen avulla ja reaktiosta vapautuu samalla myös huomattavasti lämpöenergiaa. Räjähdyksestä voi aiheutua iskuaallon ja lämpöenergian vaikutusten lisäksi myös esimerkiksi maanpinnan välittämää värähtelyä sekä sirpaleita. (Van den Berg & al 2008, Van der Meer 2008) 3.3 Räjähdyspainekuorma Räjähdyspainekuorma on edellä mainitun räjähdysreaktion aiheuttaman liike-energian suuruuden kuvaus voiman [N] ja pinta-alan [m²], toisin sanoen siis paineen [G=!I avulla. Räjähdyspainekuorma on dynaaminen kuorma, jonka suuruus vaihtelee suuresti ajan funktiona. Räjähdyspainekuormaan liittyy siis oleellisesti myös suure aika [s]. Tyypilliset detonaation ja deflagraation aika-paine-kuvaajat ovat esitetty kuvassa 1. Detonaation aika-paine-kuvaajassa räjähdyksen huippupaine syntyy välittömästi räjähdyksen jälkeen ja paine laskee tämän jälkeen alipaineen puolelle ennen

24 24 palautumistaan normaalille tasolleen. Detonaation aika-paine-kuvaajasta voidaan siis erottaa yli- ja alipainevaiheet. Deflagraation aika-paine-kuvaajassa räjähdyksen huippupaine syntyy hetki räjähdyksen tai humahduksen alkamisen jälkeen ja paine laskee loivasti tämän jälkeen alkuperäiselle tasolleen. Kuva 1. Detonaation ja deflagraation tyypilliset aika-paine-kuvaajat. (Van der Meer 2008) Detonaation ja deflagraation kestoajoissa (aika räjähdyksen alkamisesta paineen tasaantumiseen alkuperäiselle tasolleen asti) on myös suuri ero. Detonaation aiheuttaman räjähdyspaineen kestoaika on noin 0,001-0,05 sekuntia ja humahduksen kestoaika on noin 0,1 sekuntia. Detonaation ja deflagraation voimakkuuden vertailu on helpointa suorittaa vertailemalla räjähdyksien impulssien suuruuksia. Impulssi huomioi voiman sekä sen vaikutusajan ja se määritellään voiman ja sen vaikutusajan tuloksi. Kuvassa 1 impulssit on esitetty harmaalla korostetuilla pinnoilla. Impulssin yksikkö on newtonsekunti [Ns] ja impulssi määritetään räjähdyksen kestoajan ja voiman avulla kaavalla (1), kun voiman suuruus on ajasta riippuvainen. L M J K(L)ML L (1) missä + on räjähdyksen alkamisaika [s], + A on räjähdyksen päättymisaika [s], F(t) on räjähdyksen paine ajan hetkellä t [N].

25 25 4 RÄJÄHDYSPAINEEN KUORMITUSMALLIT Tässä kappaleessa esitellään ja arvioidaan standardeissa ja tutkimuksissa esitettyjä räjähdyspaineen kuormitusmalleja. 4.1 Eurokoodi Eurokoodin mukaisen räjähdyspainekuorman suuruus tietunnelissa määritetään standardin SFS-EN liitteessä D mutta kuormitus ei ole velvoittava. Em. liitteen D kohta D.3 Räjähdykset tie- ja rautatietunneleissa (kaavanumeroinnit on muutettu tämän työn numeroinnin mukaisiksi): (1) Tie- ja rautatietunnelissa tapahtuvan detonaation tapauksessa paineen [Pa] aikariippuvuus voidaan määrittää yhtälöitä (2)...(4) käyttämällä: N(O,L)=N P QRST U LVWOW X Y Z[\]^ WOW L WOW WOW (2) L P X Y X` X Y X`V`WOW X N(O,L)=N P QRST U Y Z[\]^ WOW WOW L WOW L P X` X Y X` (3) N(O,L)=P\ab\bccad]bccaLaNa]\cbcca (4) missä on paineen huippuarvo (= ! tyypilliselle nesteytetylle maakaasupolttoaineelle)!, W > <W on iskuaallon etenemisnopeus (~1800 ), W > <W on äänen etenemisnopeus kuumissa kaasuissa (~800 ),

26 26 + on aikavakio (= 0,01 s) [s], W.W on etäisyys räjähdyksen keskukseen [m], + on aika [s]. (2) Tietunnelissa tai rautatietunnelissa tapahtuvan humahduksen (deflagraatio) tapauksessa voidaan käyttää seuraavaa paineen [Pa] aikariippuvuutta: N(L)=eN P L L P GY L L P I\]^P L L P (5) missä on paineen huippuarvo (= 100 5! tyypilliselle nesteytetylle maakaasupolttoaineelle)!, + on aikavakio (= 0,1 s) [s], + on aika [s]. (3) Kaavan (5) avulla laskettua painetta voidaan käyttää tunnelin koko sisäpinnan osalta. Kaavojen (2) (5) mukaiset aika-paine-kuvaajat on esitetty kuvissa 2 ja 3.

27 27 Kuva 2. Kaavojen (2) (4) mukaisen detonaation aika-paine-kuvaajat kuvaajat eri etäisyyden arvoilla. Kuva 3. Kaavan (5) mukaisen deflagraation aika-paine-kuvaaja kuvaaja (etäisyydestä riippumaton). Eurokoodin mukaisen kuormituksen huippupaineen hahmottamiseksi kuorma vastaa suuruudeltaan noin 200 m korkeaa vesipatsasta tai 80 m korkeaa betonirakennetta yhden neliömetrin pinta-alalle. Tässä työssä kappaleessa 6 esitetyn tunnelirakenteen kattolaatan paksuus on 1 m ja laatan päällä oleva maanpaine on noin 60 fg E!. fg E! suuruuden

28 TNO:n BLEVE TNO:n suorittamat tutkimukset ja kuormitusmallit Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek; Netherlands Organisation for Applied Scientific Research; Alankomaiden tieteellinen tutkimuslaitos lyh. TNO on tutkinut räjähdyksen ja BLEVE:n aiheuttamia räjähdyspaineita ja niiden vaikutuksia rakenteisiin useassa tutkimuksessa. Tässä kappaleessa on esitelty tutkimusten sisältöä ja tuloksia. Van Den Berg & al. (2008) ovat mallintaneet TNO:lla tehdyssä tutkimuksessa räjähdyspaineaallon etenemistä ja tutkineet räjähdyspaineen suuruutta kokeellisen datan ja tunnelin pienoismallin avulla. Tutkimuksen kokeellinen data on otettu TNO:n aikaisemmasta tutkimuksesta De Maaijer et al. (2002). Pienoismallin tulokset ovat tutkimuksessa skaalattu vastaamaan todellisen tunnelin mittoja kokeellisen datan avulla. Todellisen tunnelin mitat olivat tutkimuksessa 1000 m pituutta ja 5 m korkeutta. Tutkimuksessa on mallinnettu eripituisia konsentraatioltaan stoikiometrisia propaaniilma-pilviä sijoitettuna keskelle todellista tunnelia ja kaasuseospilville on mallinnettu kaksi eri sytytystapaa; sytytys kaasupilven keskeltä ja sytytys kaasupilven reunalta. Tutkimuksessa otetaan osittain kantaa myös itse kaasupilven muodostumiseen paineistetun astian pettäessä. Tutkimuksen mukaiset räjähdyspaineen huippuarvot eri etäisyyksillä (0-500 m) räjähdyspisteestä on esitetty kuvassa 4. Suurin räjähdyspaineen huippuarvo 650 kpa vaikuttaa tutkimuksen mukaan räjähdyspisteen kohdalla ja 100 m etäisyydellä räjähdyspisteestä huippupaine on enää noin 200 kpa.

29 29 Kuva m³:n propaanin välittömän vapautumisen aiheuttaman räjähdyksen tuottama paine poikkileikkaukseltaan 60 m²:n tunnelissa eri etäisyyksillä räjähdyspisteestä. (Van Den Berg A.C. & Weerheijm J. 2008). TNO:n tutkimuksessa Olijslager et al. (2008) on tutkittu paineistetun astian hajoamisnopeuden vaikutusta BLEVE:n räjähdyspaineen suuruuteen tunnelin sisällä. Tutkimuksessa on jatkettu TNO:n aikaisemmin laatiman BLEVE-mallin kehitystä. Taulukossa 4 on esitetty tutkimuksessa määritetyt LPG:n (Liquified Petroleum Gas; nestekaasu) aiheuttamat räjähdyspaineet ja impulssit eri etäisyyksillä räjähdyspisteestä (0-80 m) ja kahden erilämpöisen nesteen tapauksessa. Taulukon 4 mukaan LPG:n lämpötilan ollessa 340 K, räjähdyksen huippupaineen arvo räjähdyksen kohdalla on 1617 kpa ja sen impulssi on 63,5 kpa s. Tarkastelupisteen sijaitessa 20 m päässä räjähdyspisteestä tai kauempana, räjähdyksen huippupaineet ovat välillä kpa ja impulssit välillä 9,4-20,5 kpa s.

30 30 Taulukko m³:n LPG BLEVE:n aiheuttama räjähdyspainekuorma tunnelirakenteelle, jonka poikkileikkaus on 72 m². (Olijslager & Mediavilla Varas 2008) TNO:n kuormitusten perusteella suoritetut mallinnukset Hollannissa ainakin Thomassenin, Drechtin, Leidsch Rijnin ja Oosterweelin tunnelit on mallinnettu rakentamisen jälkeen ja mallien avulla on tutkittu räjähdyspainekuormituksen vaikutuksia tunneleiden toimintaan. Mallinnuksien tarkoituksena on ollut selvittää tunnelien mahdollinen hajoamisaste erisuuruisilla räjähdyspainekuormituksilla. Mitoittavina räjähdyspainekuormituksina on käytetty TNO:n tutkimusten mukaista täyttä ja osittaista BLEVE-kuormitusta. Kuvissa 5 ja 6 on esitetty tutkimuksessa käytettyjen kuormitusmallien aika-paine-kuvaajat. Tutkimusten mukaisen täyden BLEVE-kuormituksen huippupaine on räjähdyspisteen kohdalla noin 1600 kpa ja sen impulssi on 64 kpa s, osittaisen BLEVE-kuormituksen huippupaine on 510 kpa ja sen impulssi on 12 kpa s. Tutkimuksen mallinnusten mukaan osittainen BLEVE-kuormitus aiheuttaisi paikallisen vaurion ja täysi BLEVE-kuormitus kokonaisvaltaisen vaurion tunneleihin. Tutkimuksen mukaan paikallisessa vauriossa tunnelin sisäseinä sortuu ja katto-, lattia- ja seinärakenteisiin muodostuu halkeamia ja kokonaisvaltaisessa vauriossa rakenteiden raudoitukset myötäävät ja mahdollisesti jopa murtuvat ja näin rakenteisiin muodostuu suuria muodonmuutoksia. Paikallisessa vauriossa tunnelirakenne voi säilyä osittain sortumatta ja rakenteet voivat olla ainakin osittain korjattavissa, kokonaisvaltaisessa vauriossa tunneli tai sen rakenteet joudutaan

31 31 uusimaan kokonaan. (Veervurt A.H.J.M. et al 2007, Burggraaf H.G. et al 2009). Tutkimusraporteista ei löydy yksityiskohtaista tietoa mallinnuksien toteutustavasta tai kuormitusten matemaattisista malleista eikä tulosten toistaminen raporttien perusteella ole mahdollista. Kuva 5. Osittaisen BLEVE-kuormituksen aika-paine-kuvaaja. (Burggraaf H.G. et al 2009). Kuva 6. Täyden BLEVE-kuormituksen aika-paine-kuvaaja. (Burggraaf H.G. et al 2009).

32 Ruotsissa käytetty räjähdyspainekuorma Ruotsin liikenneviraston Trafikverketin (entinen Vägverket) vuonna 2011 julkaisemassa tunnelin suunnitteluohjeen Trafikverkets tekniska krav Tunnel kohdassa D.4.5 on annettu ohjeet Ruotsissa tarvittaessa käytettävälle räjähdyspaineen suuruudelle, kuorman vaikutusalalle ja kestoajalle. Räjähdyspaineelle tulee ohjeen mukaan mitoittaa rakenteet, jotka ovat joko kantavia tai rakenteet, jotka voivat hajotessaan pudota tai estää pelastautumista tai pelastustöitä. Ohjeessa mainitaan, että kuormitusmallin aikariippuvuuden kuvaaja on kolmiomainen ja kuormitus on lineaarinen. Kuormitusmallin paine saavuttaa huippuarvonsa 0-10 % kuluttua räjähdyksen kokonaisajasta ja tämän jälkeen paine laskee lineaarisesti nollaan, ks. kuva 7. Ohjeen mukaan räjähdyspainetta ei tarvitse huomioida tunnelin leveyden etäisyydeltä tunnelin suuaukolta eikä räjähdyspaineen vaikutusaikana ana huomioida paikallisia paineita. Räjähdyspainekuorman pituus tunnelissa on suurempi seuraavista: joko kaksi kertaa tunnelin leveys tai 30 m. (Trafikverket 2011). Taulukossa 5 on esitetty Trafikverket:n ohjeessa annetut räjähdyspaineet. Kuva 7. Ruotsalaisen suunnitteluohjeen unnitteluohjeen mukainen räjähdyskuormitusmalli.

33 33 Taulukko 5. Trafikverket:n tunneliohjeen räjähdyspaineet. Evenly distributed pressure in traffic space Local pressure on a surface with the size of 4 x 4 m in traffic space Evenly distributed pressure in evacuation and fire attack ways Pressure (MPa) Duration (ms) 0, ,05 50 Suomessa on käytetty Ruotsin Vägverketin (=Ruotsin Tiehallinto ) vuonna 2004 julkaisemassa tunneliohjeessa esitettyä polttoainesäiliöauton räjähdyksestä arvioitua kuormitusta +100 fg E!, jonka kestoaika on 0,05 sekuntia, muun muassa Hämeenlinnankeskuksen ja Rovaniemellä sijaitsevan kauppakeskus Revontulen alittavien tunnelien mitoituksessa (Velhonoja 2013). Kuormitus on suuruudeltaan ja kestoajaltaan identtinen Trafikverket:n ohjeessa ilmoitettuun kuormitukseen. 4.4 Yleinen käytäntö Euroopassa Riskianalyysin perusteella räjähdyspainekuormituksia ei yleensä huomioida rakenteiden mitoituksessa niiden pienten esiintymistodennäköisyyksien tai VA-kuljetusten kieltojen vuoksi räjähdyspaineiden mitoitukselle tai mitoituksessa käytettävälle räjähdyspaineelle ei Suomesta löydy virallista ja yksiselitteistä ohjetta. Standardin EN liitteen D mukaisen räjähdyspainekuorman huomioiminen tietunnelien rakenteiden mitoituksessa aiheuttaisi kohtuuttomia lisäkustannuksia tunnelien rakentamiselle. Osa Euroopan tieverkon tietunneleista onkin mitoitettu räjähdyspainekuormitukselle kansallisen viranomaisen hyväksymällä tavalla. Yleisenä käytäntönä Euroopassa räjähdyspainekuormituksen huomioimiselle rakenteiden mitoituksessa on ollut arvioida räjähdyspainekuorma tunnelikohtaisina staattisina yli- ja alipainekuormina, joiden suuruus vaihtelee välillä -300 fg fg E! E!.

34 Räjähdyskuormitusmallien arviointi ja vertailu Räjähdyksen täydellinen mallintaminen tunnelissa vaatisi erittäin monimutkaisia numeerisia malleja ja niiden yhteensovituksia. Esimerkiksi pelkästään räjähdyksessä muodostuvan kaasupilven mallintaminen tulisi toteuttaa CFD-mallinnuksella (Computational Fluid Dynamics; numeerinen nestedynamiikka), jossa huomioitaisiin kaasupilven mahdolliset pyörteet ja vuorovaikutus rakenteiden pintojen kanssa. BLEVE:n tapauksessa haasteita aiheuttaisi paineastian hajoamismalli, jolla olisi suuri merkitys räjähdyksen etenemissuunnan ja voimakkuuden kannalta. Räjähdyksen aiheuttaman iskuaallon todennäköisesti aiheuttamien vaurioiden huomioiminen rakenteissa tulisi toteuttaa epälineaaris-plastisella rakennemallilla ja sen sekä CFDmallin yhteensovitus vaatisi useita, jopa tuhansia iteraatiokierroksia. Lisäksi suuri räjähdyspainekuorma voi aiheuttaa rakenteiden tai rakenteiden osien välittömän irtileikkaantumisen sekä sirpaloitumisen, joten myös materiaalimalli tulisi valita huolella. Tässä työssä esitetyt kuormitusmallit ovat siis parhaimmillaankin vain karkeita yksinkertaistuksia todellisesta räjähdyspainekuormasta Eurokoodi Eurokoodin mukaista räjähdyspainekuormitusta kuvaavissa yhtälöissä (2) ja (3) räjähdyspaineen huippuarvo pysyy vakiona etäisyyden kasvaessa räjähdyspisteestä ja vastaavasti räjähdyksen kestoaika kasvaa etäisyyden mukana, ks. kuva 2. Näiden tekijöiden yhteisvaikutus aiheuttaa kuormituksen impulssin kasvamisen etäisyyden kasvaessa, aina 100 metriin asti. Mitoituspiste tulisi siis valita mallin epäedullisimman kohdan mukaan 100 m päähän räjähdyksestä. Eurokoodin räjähdyspainekuormituksen aiheuttaman impulssin suuruus etäisyyden funktiona on esitetty kuvassa 8. Useat kokeelliset tutkimukset osoittavat kuitenkin, että räjähdyksen huippupaine laskee eksponentiaalisesti etäisyyden suhteen ja että suurin impulssi on melkein aina räjähdyspisteen kohdalla tai sen välittömässä läheisyydessä. Eurokoodissa ei myöskään mainita ohjeita tai rajoituksia tämän kuormituksen huomioimiselle tai käytölle mitoituksessa.

35 35 kns/m² Impulssi m Kuva 8. Eurokoodin mukaisen räjähdyspainekuormituksen aiheuttama impulssi etäisyyden funktiona TNO:n BLEVE TNO:n tutkimuksissa ilmoitettuja BLEVE-räjähdyspaineen aika-etäisyys-riippuvuuden arvoja tukee myös Yhdysvaltojen puolustusministeriön vuonna 2008 julkaisema tutkimus räjähdyksen kestävistä rakenteista (Department of Defence, USA 2008). Em. tutkimuksessa räjähdyspaineiden arvot on mitattu todellisista räjähdyksistä eri etäisyyksillä ja eri räjähdeaineilla, joten vertailtaessa TNO:n tutkimuksessa esitettyjä räjähdyspainekuormia em. tutkimuksessa esitettyihin todellisiin painekuormiin, voidaan todeta, että TNO:n arvot vastaavat hyvin todellisuutta. Kuormitusmalleissa huippupaine muodostuu melkein välittömästi räjähdyksen jälkeen ja paine laskee huippupaineesta eksponentiaalisesti ajan ja etäisyyden suhteen. Edellä mainituissa TNO:n tutkimuksissa ei ole julkaistu yksityiskohtaisia tietoja käytetyistä numeerisista tai matemaattisista malleista, joten tutkimusten tulosten toistaminen tai tutkimuksen hyödyntäminen mitoituksessa ei ole annetuilla tiedoilla mahdollista. TNO:n tutkimusten mukaiset räjähdyspaineet ylittävät rakennettujen rakenteiden kapasiteetit moninkertaisesti räjähdyspisteen läheisyydessä ja täysimittainen BLEVE-kuorma aiheuttaa tutkimusten mukaan tunneliin globaalin (kokonaisvaltaisen) vaurion Ruotsissa käytetyt kuormitukset Ruotsissa käytössä olevassa tunnelin suunnitteluohjeessa on annettu räjähdyspainekuorman suuruuden ja aikariippuvuuden lisäksi kuorman vaikutuspinnat

36 36 ja käyttöohjeet. Annettujen kuormitusten suuruuksien vertailun vuoksi on kuormituksille laskettu niiden impulssit ja ne ovat esitetty taulukossa 6. Vaikka ohjeessa esitetyn paikallisen pintapaineen suuruus on 5 MPa (=5000 5! ), niin kuormituksen impulssi on vain noin 5 5 erittäin lyhyen kestoajan (2 ms) ja kuormituksen! lineaarisuuden vuoksi. Eurokoodin mukaisen kuormituksen vastaava suurin impulssi on noin 43 5!. Ruotsin Trafikverket:n laatiman tunnelin suunnitteluohjeen räjähdyspainekuormitus käyttöohjeineen vaikuttaa alustavasti parhaimmalta käytössä olevalta kuormitusmallilta juuri annettujen ohjeiden vuoksi. Muista esitetyistä, hyödynnettävissä olevista kuormitusmalleista poiketen ohje huomioi räjähdyksestä aiheutuvan huippupaineen vaikutusalan paikallisena 4x4 m alueena koko tunnelin pintaalan suuruisen alueen sijasta. Useiden tutkimusten mukaan (mm. Department of Defence USA 2008) räjähdyksen kriittisin vaikutusalue on miltei aina räjähdyspisteen välittömässä läheisyydessä eikä täten voida olettaa räjähdyspaineen vaikuttavan koko tunnelin pituudelta yhtä suurella voimalla. Räjähdyksen huippupaineen aiheuttaman paikallisen vaurion vuoksi olisi hyödyllistä mitoittaa tunnelin rakenteet kestämään koko tunnelin matkalta vain humahduspaine, sillä suurella todennäköisyydellä räjähdyspisteen läheisyydessä räjähdyksen huippupaine tuhoaa rakenteet paikallisesti mitoituksesta huolimatta. Taulukko 6. Ruotsissa käytettyjen räjähdyskuormitusten suuruudet, kestoajat ja impulssit. Tasaanjakaantunut paine liikennetilassa Paikallinen pintapaine 4 x 4 m alueelle Tasaanjakaantunut paine poistumis- ja hyökkäysteissä Paine (MPa) Kestoaika (ms) Impulssi (kns/m²) 0, , , Staattiset yli- ja alipainekuormitukset Räjähdyspainekuormituksen mallintaminen staattisina yli- ja alipainekuormituksina yksinkertaistaa ja nopeuttaa rakenteiden mitoitusta, mutta oikean suuruisen

37 37 kuormituksen valitseminen eri räjähdystapauksille voi olla haasteellista ja se voi johtaa rakenteiden huomattavaan alimitoitukseen todellisessa onnettomuustilanteessa. Useille erilaisille räjähtäville aineille on laadittu kokeellisten tutkimusten avulla aineiden tiettyä massaa vastaavat räjähdyspaineet eri etäisyyksillä räjähdyspisteestä, joten riskianalyysin ja kuljetusrajoitusten avulla voidaan arvioida suhteellisen tarkasti mahdollisen onnettomuustilanteen räjähdyspaineet. Räjähdyspaineiden suuruuksia eri aineille on esitetty esimerkiksi Yhdysvaltain puolustusministeriön julkaisussa (Department of Defence 2008). Alustavassa mitoituksessa on erittäin hyödyllistä muuntaa dynaamiset räjähdyspainekuormitukset staattisiksi ekvivalenttikuormituksiksi esimerkiksi tässä työssä kappaleessa 5 esitetyllä tavalla dynaamisen kuormakertoimen avulla. 4.6 Kuormitusmallin valinta Tässä työssä mallinnetaan tunnelin rakenteet Suomessa käytössä olevien virallisten ohjeiden mukaisille kuormituksille. Tällä hetkellä ohjeista löytyy ainoastaan Eurokoodin mukainen räjähdyspainekuorma fg!, jonka kestoajasta ei ole käyttöohjeita, ja yksittäisissä tunneleissa viranomaisen (Liikennevirasto) vaatimuksesta käytettyä polttoainesäiliöauton humahduksesta aiheutuvaa kuormitusta +100 fg!, jonka kestoaika on 0,05 sekuntia (Velhonoja 2013). Eurokoodin mukaisen räjähdyspainekuormituksen kestoaikaa ei ole standardissa määritelty ja se on tässä työssä valittu epäedullisimman kohdan (~100 m räjähdyspisteestä) mukaan kuormituskuvaajasta ylöspäin pyöristäen. Suomessa käytetty polttoainesäiliöauton humahduksen räjähdyspaine vastaa suuruudeltaan Eurokoodin humahduspainetta ja suuruudeltaan sekä kestoajaltaan Ruotsin Trafikverketin ohjeessa esitettyä painetta. Eurokoodin mukaisen kuormituksen mallinnus suoritetaan staattisena lineaarisella laskentamallilla sekä dynaamisena epälineaarisella laskentamallilla. Rakenteiden mitoituksessa hyödynnetään tässä työssä kehitettyä kuormien laskentamallia ja kuormituksena käytetään Suomessa käytettyä räjähdyspainekuormaa ja siitä muunnettuja staattisia ekvivalenttikuormia. E E

38 38 5 STAATTISET EKVIVALENTTIKUORMAT Räjähdyspainekuormitus on dynaaminen, ajan mukana muuttuva kuormitus, joka aiheuttaa hitausvoimia rakenteisiin. Dynaamisen kuormituksen täydellinen huomioiminen rakenteiden mitoituksessa on usein työlästä ja on edullista tutkia menetelmää, jolla dynaaminen kuormitus voitaisiin muuntaa ekvivalenttiseksi staattiseksi kuormaksi. Näin räjähdyspainekuormitus voitaisiin helpommin huomioida yhteisvaikutuksessa muiden staattisten kuormien kanssa ja mallinnuksen erittäin lyhyen aikavälin aikariippuvuus jäisi pois. Tässä kappaleessa seurataan De Jongin (2009) pro gradu tutkielmassa esitettyä menettelytapaa dynaamisen kuorman muuntamiseksi staattiseksi ekvivalenttikuormaksi. 5.1 Massa-jousisysteemi Laskennan yksinkertaistamiseksi rakenteet jaetaan toisistaan riippumattomiin, yhden vapausasteen massa-jousisysteemeihin, joihin kohdistetaan dynaaminen räjähdyspainekuormitus. Staattisen ja dynaamisen massa-jousisysteemin periaatteet on esitetty kuvassa 9. Massa-jousisysteemin yleinen liikeyhtälö voidaan kirjoittaa kaavan (6) avulla. Kuva 9. Staattisen ja dynaamisen massa-jousisysteemin periaatteet. (Van der Meer 2008).

39 39 ij3(l)+lj2(l)+mj(l)=k(l) (6) missä on massa [kg], on jousivakio, on vaimennuskerroin, / on siirtymä [m], /(+) on siirtymä ajan t suhteen [m], /2(+) on siirtymän 1. derivaatta ajan t suhteen, /3(+) on siirtymän 2. derivaatta ajan t suhteen!, on systeemiin vaikuttava voima [N], (+) on systeemiin vaikuttava voima ajan t suhteen [N]. Räjähdyspainekuormituksen erittäin lyhyen kestoajan vuoksi työssä ei huomioida rakenteiden vaimennusta ja oletetaan, että suurin siirtymä tapahtuu rakenteen ensimmäisen heilahduksen aikana. Ensimmäisen heilahduksen aikana vaimennuksella ei ole suurta merkitystä, joten massa-jousimallin yleinen liikeyhtälö (6) yksinkertaistuu staattiseen muotoon yhtälön (7) mukaisesti. (De Jong 2009). ij3(l)+mj(l)=k(l) (7) Käytettävä kuormitus Laskennassa myös kohdan 4.1 räjähdyspainekuormitusta yksinkertaistetaan De Jongin työtä seuraten. On huomioitava, että tällä menetelmällä laskennan tarkkuus ei ole kovin suuri, mutta menetelmä on varsin käyttökelpoinen alustavien tulosten laskennassa.

40 40 Kohdan 4.1 mukaisen räjähdyspainekuormituksen aika-paine-kuvaajien (kuva 2) yksinkertaistamiseksi kuvaajista voidaan erottaa kaksi ääritapausta. Ensimmäisessä tapauksessa voimakas, suuruudeltaan vakio painekuormitus. vaikuttaa rakenteeseen vain hyvin lyhyen ajanjakson + A aikana, jonka jälkeen kuormitus laskee nollaan. Toisessa tapauksessa vastaavasti heikompi, suuruudeltaan vakio painekuormitus. vaikuttaa suhteellisesti pidemmän ajanjakson + A aikana, jonka jälkeen kuormitus laskee nollaan. Tapauksien aika-paine-kuvaajat on esitetty kuvassa 10. Käytetään laskennassa mitoituskuormituksena näistä ääritapauksista yhdistettyä kuormitusmallia, jonka aikapaine-kuvaaja on esitetty kuvassa 11. Yhdistetyssä kuormitusmallissa räjähdyksen paine laskee ajan suhteen lineaarisesti huippupaineesta nollaan. Kuva 10. Kuormitustapauksien 1 ja 2 aika-paine-kuvaajat.

41 41 Kuva 11. Tapauksista 1 ja 2 yhdistetyn kuormitusmallin aika-paine-kuvaaja. Matemaattisesti yhdistetyn kuormitusmallin aiheuttama voima ajan hetkellä t voidaan kuvata kaavalla (8). K(L)=N P GY L L M I (8) missä on paineen huippuarvo!, + on aika [s], + A on räjähdyksen kestoaika [s]. Laskennassa tarkastellaan tapausta, jossa räjähdyspainekuormituksen huippupaineen arvona käytetään Eurokoodin mukaista huippupainetta 2000 fg E!, jonka kestoaika + A on 0,04 sekuntia. Oletetaan myös, että painekuormitus jakaantuu tasaisesti jokaiselle rakenteelle ja kuormituksen alkamisajankohta on jokaisella rakenteen osalla sama.

42 Laskennan rakennemallit Tunnelin rakenteet mallinnetaan toisistaan riippumattomina 2-tukisina palkkeina. Betonirakenteisen tietunnelin katto ja seinät muutetaan yhden metrin levyisiksi, toisistaan irrallaan oleviksi palkeiksi. Tunnelin ulkopuolisia tai tunnelin täydentäviä rakenteita ei huomioida vielä tässä mallinnuksessa, sillä tarkoituksena on arvioida vain dynaamisen kuorman staattiseksi muuntamisen tarkkuutta. Tuentatapa vaikuttaa palkin jousivakion ja siirtymän lausekkeisiin, joten myös erilaiset tuentatavat otetaan huomioon. Tuentatavat ja palkin kuormituksen aiheuttama taipumaviiva (siirtymä) on esitetty kuvissa Palkin siirtymän - sekä jousivakion lausekkeet eri tuentatavoille voidaan kuvata kaavoilla (9) (14). n= o pqe rse tu \= pqe o tu s e (10) (9) Kuva 12. Molemmista päistään vapaasti tuettu palkki. n= Y Yv` rse tu (11) \= Yv` tu s e (12) Kuva 13. Toisesta päästä vapaasti tuettu, toisesta jäykästi tuettu palkki.

43 43 n= Y pqe rse tu (13) \= pqe tu s e (14) Kuva 14. Molemmista päistään jäykästi tuettu palkki. Kaavoissa (9) (14): - on siirtymä [m], * on kuormitus, on jousivakio 5!, on materiaalin kimmokerroin [Pa], on jäyhyysmomentti [ ], on jänneväli [m]. Rakenteiden massana käytetään rakenteiden ominaiskuormia. Rakenteiden ulkopuoliset kuormat (maanpaineet) jätetään huomioimatta tässä mallinnuksessa, koska tarkoituksena on arvioida kuormien muuntamisen tarkkuutta. Rakenteiden massat lasketaan kaavalla (15).

44 44 d=w xylz^b L s x (15) missä on massa [kg], 4 89:;<= on betonin tiheys (= 2500 f{ E ) 56, + on elementin paksuus [m], on elementin pituus [m], on elementin leveys (= 1 m) [m]. Työssä yksinkertaistettu yleinen liikeyhtälö yhden vapausasteen värähtelijälle on kuvattu yhtälöllä (7). Sijoitetaan kohdan mukainen kuormitus yhtälöön (7) niin saadaan liikeyhtälö (16). dü+\]=n P GY L missä on massa [kg], L M I (16) on jousivakio 5!, ~ on siirtymä [m], ü on siirtymän toinen derivaatta!, on räjähdyksen huippupaine 5!, + on aika [s], + A on räjähdyksen kestoaika [s].

45 Siirtymän johtaminen liikeyhtälöstä Systeemin vasteen löytämiseksi voidaan käyttää convolution-integraalia. Kaavojen johtaminen ja perustelut on esitetty De Jongin (2009) pro gradussa. De Jongin työssä esitetystä liikeyhtälöstä (16) voidaan johtaa siirtymän kaavat (17) ja (18): ](L)= N P \ GY L L M Xzc^L+ Y ^L M cb^^li kun L L M (17) ](L)= N P \ Gcb^^L ^L M cb^^(lvl M ) ^L M Xzc^LI kun L L M (18) Näissä yhtälöissä > vastaa elementin ominaistaajuutta. Koska räjähdyskuorma on lyhytkestoinen, voidaan olettaa, että rakenteen vaste on ensimmäisessä ominaismuodossa. Yhtenäisen lujuuden, poikkileikkauksen ja tiheyden omaaville palkeille voidaan ominaistaajuus esittää kaavalla (19): ^ =l tu/wƒs e (19) missä > < on ominaistaajuus?@a, on vakio [-], on materiaalin kimmokerroin [Pa], on jäyhyysmomentti [ ], 4 on materiaalin tiheys 56, on poikkipinta-ala [ ], on elementin pituus [m].

46 46 Ensimmäiselle ominaismuodolle, jolle n=1, ovat vakion C arvot eri tuentatapauksille esitetty kuvassa 15. Kuva 15. Kaavan (19) vakion C ensimmäisen ominaismuodon mukaiset arvot eri tuentatapauksille. (De Jong 2009). 5.2 Dynaaminen kuormakerroin, DLF Dynaamisen räjähdyspainekuorman aiheuttama siirtymä ajan funktiona voidaan kuvata edellä esitetyillä kaavoilla (17) ja (18). Dynaamista räjähdyspainekuormaa vastaava staattinen ekvivalenttikuorma aiheuttaa yhtä suuret siirtymät rakenteisiin, joten staattinen ekvivalenttikuorma :@:=.9 voidaan kuvata kaavalla (20). Dynaamisen räjähdyspainekuorman ja sitä vastaavan staattisen kuorman suhdetta voidaan kuvata dynaamisella kuormakertoimella (lyh. DLF; Dynamic Load Factor). Dynaaminen kuormakerroin on riippuvainen rakenteen geometriasta, mutta määrittämällä DLF rakenteelle kerran, voidaan erisuuruiset dynaamiset kuormat (joilla on oltava kuitenkin yhtä suuri vaikutusaika) muuttaa staattisiksi ekvivalenttikuormiksi saman kertoimen avulla. DLF voidaan kuvata kaavalla (21). (De Jong 2009, Van der Meer 2008). N clalbx.yr =\ ] (20) missä :@:=.9 on staattinen ekvivalenttikuorma [Pa], on rakenteen jousivakio!, ~ on räjähdyspaineen aiheuttama siirtymä [m].

47 47 K= N clalbx.yr N P (21) missä ˆ on dynaaminen kuormakerroin [-], on räjähdyskuormituksen huippupaine [Pa]. Sijoittamalla DLF:n lausekkeeseen siirtymän ~ sekä staattisen ekvivalenttikuorman :@:=.9 lauseke niin DLF:n lauseke sievenee kaavojen (22) ja (23) muotoon: K(L)=GY L L M Xzc^L+ Y ^L M cb^^li kun L L M (22) K(L)=G cb^^l ^L M cb^^(lvl M ) ^L M Xzc^LI kun L L M (23) Kaavoista (22) ja (23) voidaan havaita, että dynaamisen kuormakertoimen arvot riippuvat vain rakenteen ominaistaajuudesta > <, kuluneesta ajasta + ja räjähdyksen kestoajasta + A. Dynaamisen kuormakertoimen lausekkeen arvot vaihtelevat välillä [0,2] ja arvot riippuvat pääasiassa räjähdyksen kestoajan + A ja rakenteen ominaisheilahdusajanš < suhteesta. Rakenteen ominaisheilahdusaika voidaan esittää kaavalla (24). Dynaaminen kuormakerroin räjähdyksen kestoajan ja ominaisheilahdusajan suhteen funktiona on esitetty kuvassa 16. (De Jong 2009). ^ = `Œ ^ (24)

48 48 Kuva 16. DLF : Ž :n funktiona. (De Jong 2009). Van der Meerin (2008) pro gradussa on esitetty dynaamisen kuormakertoimen ääriarvojen johtaminen energian säilymisen periaatteella. DLF:n suurin arvo on tutkimuksen mukaan 2 ulospäin suuntautuneelle kuormalle. De Jongin (2009) pro gradussa esitetty sisäänpäin suuntautuneen kuorman dynaamisen kuormakertoimen suhde ulospäin suuntautuneen kuorman dynaamiseen kuormakertoimeen on lähellä arvoa 0,5. Sisäänpäin suuntautuneen vaiheen suurin arvo dynaamisesta kuormasta voidaan huomioida mallinnuksen koordinaatisto huomioon ottaen siis kertoimella -1.

49 49 6 TUNNELIN RAKENNEMALLI Suomessa yleisimmät rakennetut tietunnelityypit ovat rakenteeltaan kallioon louhittuja tunneleita tai betonirakenteisia tunneleita tai näiden yhdistelmätunneleita. Kallioon louhitut tietunnelit ovat työn kirjoittamisen hetkellä yleisempiä kuin betonirakenteiset tietunnelit mutta betonirakenteisten tietunnelien osuus tunnelien kokonaismäärässä on kasvamassa. Betonirakenteisia tietunneleita voidaan myös rakentaa huomattavasti lähemmäksi muita rakennuksia kuin kallioon louhittuja tietunneleita ja joskus betonirakenteinen tietunneli sijaitsee jopa välittömästi rakennusten alapuolella, kuten esimerkiksi Rovaniemellä kauppakeskus Revontulen alla sijaitseva valtatie 4:n tunneli. Onnettomuustilanteessa mahdollisesti tapahtuvan räjähdyksen seuraamukset voivat siis ulottua betonirakenteisessa tietunnelissa myös tunnelin viereisiin rakenteisiin tai rakennuksiin suuremmalla todennäköisyydellä kuin kalliorakenteisissa tietunneleissa. Toinen potentiaalisesti suuren onnettomuusluokan tunnelityyppi on upotettu tunneli, jossa paikallinen vaurio voi täyttää koko tunnelin vedellä ja jossa tunnelin korjauskustannukset ovat erittäin suuret. Suomessa on rakennettu vesistöjen alittavia tunneleita vain kallioon louhimalla, kuten esimerkiksi Länsimetro Lauttasaarensalmen kohdalla. Euroopassa on rakennettu myös upotettavia betonielementtitunneleita. Vesistön alittavia tietunneleita ei sen sijaan ole Suomessa rakennettu, joten upotettuja tunneleita ei käsitellä tässä työssä. Tässä työssä tarkastellaan vain betonirakenteisia tietunneleita niiden räjähdysonnettomuudesta aiheutuvien todennäköisesti suurimpien seuraamusten vuoksi. 6.1 Tunnelin geometria Työssä tarkasteltavan tietunnelin poikkileikkaus on esitetty kuvassa 17. Esitetyn poikkileikkauksen mitat ovat valittu rakennettujen 3-kaistaisten tietunneleiden mittoja vastaaviksi. Tunnelin pituutena käytettiin 2D-laskentamalleissa 1 m ja 3Dlaskentamallissa 100 m. Seinärakenteiden paksuutena käytettiin 0,8 m ja kattorakenteen paksuutena 1,0 m. Tunnelin jänneväli oli 18,6 m ja seinien korkeudet 7,1 m ja 7,5 m tien tasausviivasta kattorakenteen alapintaan. Tunnelin ulkopuolella oli maatäyttö,

50 50 jonka paksuus tunnelin yläpuolella oli 3 m. Työssä tarkastellaan vain tunnelin kantavia rakenteita, joten tunnelin täydentävät rakenteet, kuten törmäyskaiteet ja tekniset järjestelmät, sekä tien pinta ja kallion rakenne jätetään huomioimatta. Maatäyttöjen aiheuttama kuormitus, esimerkiksi kattolaattaan kohdistuva maan paineen kuormitus 60 fg E!, on erittäin pieni verrattuna Eurokoodin mukaiseen räjähdyspaineeseen (=2000 fg ), joten maatäyttöjen vaikutusta ei huomioida alustavissa Eurokoodin E! kuormituksen laskentamalleissa (massa-jousi-systeemi). Kuva 17. Työssä käytettävän tietunnelin poikkileikkaus. 6.2 Materiaaliominaisuudet Betonin lujuusluokkana käytettiin C30/37 ja tiheytenä 2500 f{. Maatäyttöjen tiheytenä käytettiin 2000 f{ E ja kitkakulmana 45º. E Raudoituksien materiaalina käytettiin B500 B, teräksen tiheytenä 7800 Suojabetonikerroksen paksuudeksi valittiin 50 mm. f{ E.

51 51 7 MASSA-JOUSISYSTEEMIN MALLINTAMINEN Dynaamisen räjähdyspainekuormituksen vaikutusten arvioimiseksi kappaleessa 6 esitetty tunnelirakenne jaettiin kappaleen 5 mukaisiin toisistaan riippumattomiin yksinkertaisiin massa-jousisysteemeihin. Massa-jousisysteemeihin kohdistettiin dynaaminen räjähdyspainekuormitus ja laskennassa tarkasteltiin kuormituksen aiheuttamia siirtymän arvoja. Kuormituksena käytettiin Eurokoodissa esitetyn räjähdyspainekuorman yksinkertaistettua mallia, jonka huippupaine oli fg E! ja jonka kestoajan arvioitiin olevan kuormitusmallin epäedullisimmassa kohdassa 0,04 s. Laskennassa hyödynnettiin dynaamisen kuorman muuntamista staattisiksi ekvivalenttikuormituksiksi kappaleessa 5 esitetyn menetelmän mukaan ja niiden avulla laskettiin vertailuarvot rakenteiden siirtymille FEM-ohjelmalla. Laskettujen siirtymien ja niiden vertailun avulla arvioitiin dynaamisen kuormakertoimen tarkkuutta. Massajousisysteemien mallintamisen laskenta suoritettiin käsinlaskentana Mathcad-ohjelmalla ja FEM-mallinnus Sofistik-ohjelmalla. Massa-jousisysteemien laskennan tulokset on esitetty taulukossa 7 ja massa-jousisysteemien laskentaraportti on liitteenä A. FEMlaskennan raportti on liitteenä B. Tulosten vertailu ja poikkeamat toisistaan on esitetty taulukossa 8. Taulukoiden siirtymän positiivinen (+) arvo tarkoittaa tunnelin (palkin) poikkileikkaukseen nähden ulospäin olevaa siirtymää ja negatiivinen ( ) arvo sisäänpäin olevaa siirtymää.

52 52 Taulukko 7. Massa-jousisysteemin laskentatulokset Eurokoodin kuormituksella. p0=2000 kn/m² td=0,04 s Tuentatapa Suurin siirtymä + [mm] Kattolaatta vapaa-vapaa 674,04-674,04 1,12-1,12 0,56-0,56 vapaa-jäykkä 398,44-398,44 1,65-1,65 0,83-0,83 jäykkä-jäykkä 261,21-261,06 2,17-2,16 1,08-1,08 Vasen seinä vapaa-vapaa 77,83-49,36 3,11-1,97 1,56-0,99 vapaa-jäykkä 34,10-21,34 3,41-2,13 1,70-1,07 jäykkä-jäykkä 17,93-9,39 3,58-1,88 1,79-0,94 Oikea seinä vapaa-vapaa 94,09-68,26 3,02-2,19 1,51-1,10 vapaa-jäykkä 41,67-24,10 3,35-1,94 1,67-0,97 jäykkä-jäykkä 22,05-12,10 3,54-1,94 1,77-0,97 Taulukko 8. Laskettujen siirtymien arvojen vertailu. Tuentatapa U + Suurin siirtymä - [mm] Korvausvoima + [MPa] Korvausvoima - [MPa] DLF+ [-] DLF- [-] Massa-jousimalli FEM-Palkkimalli Poikkeamat [%] U - [mm] U + [mm] U - [mm] ΔU+ [%] ΔU- [%] [mm] Kattolaatta vapaa-vapaa 674,04-674,04 642,40-642,40 4,69 4,69 vapaa-jäykkä 398,44-398,44 397,80-397,80 0,16 0,16 jäykkä-jäykkä 261,21-261,06 254,90-254,90 2,41 2,36 Vasen seinä vapaa-vapaa 77,83-49,36 75,80-48,00 2,61 2,75 vapaa-jäykkä 34,10-21,34 36,20-22,60-6,15-5,92 jäykkä-jäykkä 17,93-9,39 19,40-10,20-8,17-8,59 Oikea seinä vapaa-vapaa 94,09-68,26 91,30-66,20 2,97 3,02 vapaa-jäykkä 41,67-24,10 43,90-25,40-5,34-5,38 jäykkä-jäykkä 22,05-12,10 23,50-12,90-6,60-6,65 Taulukosta 8 voidaan päätellä, että muuntamalla Eurokoodin mukaiset dynaamiset räjähdyspainekuormitukset staattisiksi ekvivalenttikuormituksiksi dynaamisten kuormakertoimien avulla ja käyttämällä niitä siirtymien laskentaan staattisessa

53 53 mallinnuksessa antaa kohtalaisen tarkan tuloksen alustavaan räjähdyspainekuormituksen vaikutusten laskentaan. Suurin poikkeama dynaamisesti kuormitetun massa-jousimallin ja korvausvoimilla staattisesti kuormitetun FEM-mallin välillä on vain noin 8,6 %. Tuloksissa on kuitenkin huomioitava, että malleissa ei huomioitu rakenteiden hajoamista tai liitosten toimintaa mutta tarkoituksena olikin vertailla dynaamisen kuorman ja siitä muunnettujen staattisten ekvivalenttikuormien aiheuttamia siirtymiä. FEM-mallinnuksessa havaittiin, että annetuilla kuormituksilla palkkien jännitykset ylittävät huomattavasti palkkien suunnittelukapasiteetit eivätkä palkit siis kestä annettua kuormitusta. Yleisesti käytetty suurin sallittu siirtymän raja-arvo L/200 on kattolaatan tapauksessa 93 mm ja laskennassa pienin arvo kattolaatan siirtymälle oli noin 255 mm. Eurokoodissa esitetyn räjähdyspainekuorman fg suurella todennäköisyydellä! aiheuttamien vaurioiden ja vauriomallinnuksen välttämiseksi jatkossa tässä työssä räjähdyspaineista rajoitutaan tarkastelemaan Suomessa käytettyä räjähdyspainetta +100 fg E!, jonka rakenteet voivat kestää, ks. kappale 8. E

54 54 8 TUNNELIN FEM-MALLINNUS Edellisen kappaleen laskentamalleissa ei huomioitu rakenteiden hajoamista tai rakenteiden välisten liitosten toimintaa, joten suoritetun laskennan tulokset eivät antaneet todellista kuvaa räjähdyspainekuormituksen vaikutuksista tunnelirakenteelle. Luotettavampien tuloksien saavuttamiseksi tunnelirakenne mallinnettiin kehärakenteena Sofistik FEM-ohjelmalla. Laskennoissa vertailtiin rakenteiden siirtymiä ja tarkasteltiin kuormitusten aiheuttamia jännityksiä ja raudoitusmääriä. Tunnelin rakenteet mallinnettiin staattisella kuormituksella lineaarisena mallinnuksena sekä dynaamisella kuormituksella epälineaarisena mallinnuksena. Kuormituksina käytettiin Suomessa käytettyä dynaamista räjähdyspainekuormitusta ja siitä muunnettuja staattisia ekvivalenttikuormituksia. Dynaaminen kuormitus mallinnettiin epälineaarisella laskentamallilla kuorman aika- ja paikkariippuvuuden vuoksi. Epälineaarinen laskentamalli huomioi kuorman muuttuvan vaikutuspaikan sekä kuormituksen alkamis- ja päättymisajankohdan eri kohdissa tunnelia ja lineaarisessa staattisessa mallinnuksessa kuormien hetkellisen aikariippuvuuden huomioiminen on miltei mahdotonta. Epälineaarisen mallinnuksen tarkoituksena oli luoda luotettava vertailutulos lineaarisessa staattisessa mallinnuksessa dynaamisen kuormakertoimen avulla muunnettujen kuormitusten vaikutuksille. 8.1 Lineaarinen mallinnus Räjähdyspainekuormituksen lineaarisen mallinnuksen 100 m pitkän tunnelin laskentamalli on esitetty kuvassa 18. Kuormituksen vaikutusalan pituutena tunnelissa käytettiin Trafikverketin tunnelisuunnitteluohjeen mukaista pituutta: kaksi kertaa tunnelin jänneväli eli 37,2 m. Staattiset ekvivalenttikuormitukset sijoitettiin keskelle tunnelia ja niiden oletettiin olevan tasaisesti jakaantuneita jokaiselle rakenteelle. Myös maanpaineet huomioitiin laskennassa. Laskennan siirtymien tulokset on esitetty taulukossa 9 ja raudoitusmäärät kuvissa 19 ja 20. Raudoituskuvissa yläpinta vastaa

55 55 tunnelin rakenteen ulkopintaa ja alapinta rakenteen sisäpintaa. Laskentaraportti on esitetty liitteessä C. Kuva 18. Tunnelin laskentamalli MAX= MAX= m Z Y X Sector of system Group 0 10 Quadrilateral Elements, upper Reinforcements in Node in cm2/m, Design Case 1 (Max=111.7) M 1 : 100 Kuva 19. Yläpintojen (ulkopintojen) raudoitusmäärät!.

56 MAX= MAX= m Z Sector of system Group 0 10 M 1 : 100 Y X Quadrilateral Elements, lower Reinforcements in Node in cm2/m, Design Case 1 (Max=151.2) Kuva 20. Alapintojen (sisäpintojen) raudoitusmäärät!. 8.2 Epälineaarinen mallinnus Epälineaarinen dynaaminen mallinnus suoritettiin samalla tunnelimallilla kuin tunnelin lineaarinen staattinen mallinnus. Kuormituksena käytettiin dynaamista räjähdyspainekuormaa +100 fg, jonka kestoaika oli 5 ms. Kuormitusmalli oli E! Trafikverketin ohjeen mukainen kolmiokuorma, jossa huippupaine muodostuu lineaarisesti ajanjaksolla 0-0,5 ms (10 % kestoajasta), jonka jälkeen paine laskee lineaarisesti nollaan kestoajan funktiona. Räjähdyksen (humahduksen) etenemisnopeutena käytettiin standardin SFS-EN liitteessä D esitettyä arvoa 800. Laskentamallissa 100 m pitkä tunneli jaettiin 2 m pituisiin osioihin ja jokaiselle osiolle laskettiin räjähdyspaineen suuruus ajan funktiona, kuormituksen alkamisajankohta sekä kestoaika. Kuormituksen arvot muunnettiin aika-kerroinlukupareiksi Sofistik-ohjelmaa varten. Laskennan siirtymien arvot on esitetty taulukossa 9 ja rakenteiden raudoitusmäärät kuvissa 22 ja 23. Kuvassa 21 on kuvattu tunnelin keskellä, keskellä kattolaattaa olevan solmupisteen siirtymä ajan funktiona. Laskentaraportti on esitetty liitteessä D.

57 Node sec [sec] [mm] Kuva 21. Tunnelin keskivaiheilla keskellä kattolaattaa sijaitsevan solmupisteen siirtymä ajan funktiona MAX= MAX= m Z Quadrilateral Elements, upper Reinforcements in Node in cm2/m, Design Case 2 (Max=153.1) M 1 : 100 Y X Kuva 22. Yläpintojen (ulkopintojen) raudoitusmäärät!.

58 58 MAX= MAX= m Z Quadrilateral Elements, lower Reinforcements in Node in cm2/m, Design Case 2 (Max=241.6) M 1 : 100 Y X Kuva 23. Alapintojen (sisäpintojen) raudoitusmäärät!. 8.3 Tulokset Siirtymät Vertailukelpoisten tulosten saavuttamiseksi rakenteiden siirtymistä tarkasteltiin vain ensimmäisen heilahduksen aikana tapahtuneita siirtymiä. Suurin ero aikaisemmin esitettyjen yksinkertaisen massa-jousimallin ja FEM-palkkimallin tuloksia verrattaessa tunnelin FEM-kehärakennemallien tuloksiin muodostuu kehärakennemalleissa huomioiduista rakenteiden vuorovaikutuksista. Kehärakenteen liitosten välittämien kiertymien ja voimien vuoksi kattolaatan suuret positiiviset kuormitukset aiheuttavat seiniin negatiivista (poikkileikkaukseen nähden sisäänpäin) siirtymää ja vastaavasti kattolaatan suuret negatiiviset kuormitukset aiheuttavat seiniin positiivista (poikkileikkaukseen nähden ulospäin) siirtymää, ks. kuvat 24 ja 25. Kuvissa 24 ja 25 todelliset siirtymän arvot on suurennettu 10-kertaiseksi ja kuormituksena on käytetty

59 59 Eurokoodin kuormaa fg E! kehärakenteen muodonmuutosten vuorovaikutusten havainnollisuuden vuoksi. Kuva 24. Ylipainekuormituksen aiheuttamat siirtymät tunnelin kehärakenteessa. Positiiviset siirtymät ovat esitetty sinisellä värillä ja negatiiviset siirtymät punaisella värillä.

60 60 Kuva 25. Alipainekuormituksen aiheuttamat siirtymät tunnelin kehärakenteessa. Positiiviset siirtymät ovat esitetty sinisellä värillä ja negatiiviset siirtymät punaisella värillä. Tunnelin alkutilanteen siirtymät ominaiskuormasta sekä maanpaineesta on esitetty kuvassa 26. Lineaarisen ja epälineaarisen mallinnuksen siirtymien arvot räjähdyspainekuormituksella on esitetty taulukossa 9. Epälineaarisen mallinnuksen siirtymien tulokset ovat esitetty kolmesta kohdasta (x=0 m (räjähdyspisteen kohdalla), x=25 m ja x=50 m).

61 MAX= MIN= m Z Y X Sector of system Group 0 10 Deformed Structure from LC 1472 MINP-UX NODE Displacements Enlarged by 50.0 Quadrilateral Elements, Displacement in local z in Node, Loadcase 1472 MINP-UX NODE Displacements, 1 cm 3D = 10.0 mm M 1 : 100 Kuva 26. Alkutilanteen siirtymät rakenteiden ominaiskuormien ja maanpaineen vaikutuksesta. Taulukko 9. Tunnelin lineaarisen ja epälineaarisen FEM-mallinnuksen siirtymät. Tuentatapa Alkutilanne U [mm] Lineaarinen FEMtunnelimalli Epälin. FEMtunnelimalli x=0 Epälin. FEMtunnelimalli x=25 Epälin. FEMtunnelimalli x=50 U+ [mm] U- [mm] U+ [mm] U- [mm] U+ [mm] U- [mm] U+ [mm] U- [mm] Kattolaatta Vapaa-vapaa Vapaa-jäykkä Jäykkä-jäykkä -19,4-11,8-27,7-18,6-33,1-11,9-34, ,3 Vasen seinä Vapaa-vapaa Vapaa-jäykkä Jäykkä-jäykkä 2,01 1,43 2,89 2,57 3,57 1,39 3,81 0,74 4,40 Oikea seinä Vapaa-vapaa Vapaa-jäykkä Jäykkä-jäykkä 1,33 1,33 2,68 3,23 4,32 1,68 4,44 0,91 4,21

62 Raudoitusmäärät Lineaarisen ja epälineaarisen FEM-mallinnuksen suurimmat raudoitusmäärät kohdistuivat elementtien välisiin liitoksiin. Elementtien kenttäraudoitukset olivat määrältään mallinnuksien mukaan huomattavasti liitosraudoituksia pienemmät. Vaikka mallinnuksissa käytetyn kuormituksen impulssi 5 on huomattavasti Eurokoodissa esitetyn räjähdyspainekuormituksen impulssia 43 pienempi niin silti rakenteiden vaatimat raudoitusmäärät ovat erittäin suuret. Esimerkiksi lineaarisessa mallinnuksessa kattolaatan yläpinnan vaatima raudoitusmäärä 111,8 &E! E vastaa noin 14T32/m. Eurokoodin mukainen kuormitus vaatisi vielä suuremmat raudoitusmäärät ja rakennepaksuudet ja käytännössä tietunnelin rakenteiden mitoittaminen kyseiselle kuormitukselle on miltei mahdotonta taloudellisista syistä. 8.4 Johtopäätökset laskentamalleista Lineaarinen FEM-tunnelimalli Dynaamisesta räjähdyspainekuormituksesta muunnettujen staattisten ekvivalenttikuormituksien aiheuttamat siirtymät lineaarisessa FEM-tunnelimallissa vastaavat kohtalaisesti epälineaarisen mallin siirtymiä kohdassa x=25 m. Kuormituksen muuntaminen dynaamisesta staattiseksi dynaamisen kuormakertoimen avulla vaikuttaa alustavasti käyttökelpoiselta menetelmältä, mutta tämän työn ulkopuolisten vertailuarvojen puuttuessa tulee menetelmän käyttöön suhtautua varovaisesti. Malli on käyttökelpoinen pienillä räjähdyspainekuormilla, jolloin voidaan osoittaa rakenteiden kapasiteetin riittävyys tavanomaisella mitoituksella ilman vauriomallinnusta Epälineaarinen FEM-tunnelimalli Epälineaarisen mallinnuksen tuloksissa on huomioitava, että käytetyn kuormituksen huippupaine pidettiin vakiona etäisyydestä riippumatta. Tieteelliset tutkimukset (mm. Van Den Berg & Weerheijm, 2008) osoittavat, että räjähdyksen huippupaine laskee eksponentiaalisesti etäisyyden funktiona, joten muita tutkimuksia tukevat tulokset ovat räjähdyspisteen (x=0 m) kohdalla mallinnetut siirtymät.

63 63 Dynaamisesti kuormitutetussa epälineaarisessa mallissa räjähdyspisteen kohdalla mallinnettujen siirtymien arvot eroavat staattisesti kuormitetun lineaarisen mallin siirtymien arvoista myös epälineaarisen mallin aikariippuvuuden vuoksi. Staattisen mallin siirtymien arvot ovat esitetty taulukossa ajanhetkellä, jolloin rakenteet ovat siirtyneet ääriasentoonsa määrittelemättömän ajanjakson jälkeen. Epälineaarisessa mallissa rakenteet värähtelevät ajan funktiona ja palaavat lopulta alkuperäiseen asemaansa pitkän ajan kuluttua, olettaen että pysyviä muodonmuutoksia ei tapahdu. Taulukkoon valitut arvot ovat ajanhetkiltä, joissa kattolaatan siirtymät ovat suurimmillaan ensimmäisen heilahduksen aikana. Lisäämällä epälineaariseen malliin rakenteiden vaurioiden vaikutukset voitaisiin mallin tarkkuutta parantaa huomattavasti. Mallinnuksen tuloksilla ei ole toistaiseksi vertailukohdetta, joten sen tulosten oikeellisuutta on vaikea osoittaa Muuta huomioitavaa laskentamalleista Rakenteiden väliset liitokset otaksutaan yleensä jäykiksi, momenttia siirtäviksi liitoksiksi tai nivelellisiksi, momenttia siirtämättömiksi liitoksiksi. Todellisuudessa rakenteiden välisten liitosten toiminta on näiden ääritapausten väliltä. Edellä esitetyssä kehärakenteen laskentamallissa liitokset mallinnettiin jäykkinä liitoksina, mutta rakenteiden todellisen toiminnan mallintamiseksi liitokset tulisi mallintaa osittain jäykkinä liitoksina esimerkiksi lineaarisen kiertojousen avulla.

64 64 9 VAURION LAAJUUDEN RAJOITTAMINEN Jos rakenteet suunnitellaan kestämään määräyksissä ja ohjeissa esitetyt räjähdyspainekuormat, kasvavat niiden rakennepaksuudet ja raudoitusmäärät huomattavasti normaalikuormille mitoitettuihin rakenteisiin verrattuna. Tällaisten tietunneleiden rakennuskustannukset kasvavat helposti kohtuuttomiksi, joten onkin kannattavampaa tutkia muita keinoja räjähdyksen seuraamusten minimoimiseksi. Räjähdyspainekuormituksen alaisten rakenteiden mitoitusehtona vaurion rajoittamiselle voi olla esimerkiksi se, että vaurio ei yllä tunnelin viereisiin tai yläpuolisiin rakenteisiin tai että tunneli ei kokonaisuudessaan tuhoudu. Tässä kappaleessa on pohdittu erilaisia vaihtoehtoja mitoitusehdon järkevälle teknillistaloudelliselle toteuttamiselle mahdollisia jatkotutkimuksia varten. 9.1 Vaarallisten aineiden kuljetusten kieltäminen tunnelissa Yksi tapa välttää tunnelin vaurioituminen suuresta räjähdyksestä on kieltää VAkuljetukset tunnelin kautta ja sen sijaan ohjata nämä kuljetukset kiertoteille. Vaikka normaalin liikenteen onnettomuuksista voi myös seurata räjähdyksiä, niin oletettavasti ne ovat huomattavasti heikompia kuin VA-kuljetusten mahdollisesta onnettomuustilanteesta aiheutuvat räjähdykset. Räjähdyspainekuormitusta siis ei kuljetusrajoitusten vuoksi tarvitsisi huomioida lainkaan tietunnelin mitoituksessa ja VAkuljetusten ohjaaminen kiertoteille tunnelien sijaan onkin ollut yleinen käytäntö useiden tunneleiden kohdalla Suomessa. Vaarallisten aineiden kuljetusten onnettomuusriskiä voidaan pienentää huomattavasti myös saattamalla kuljetukset tunnelien läpi erikoiskuljetuksina ja VA-kuljetusaikoja rajoittamalla etenkin ruuhka-aikoina. 9.2 Kalliorakenteinen tunneli Onnettomuuden vaurion laajuutta voitaisiin rajoittaa rakentamalla tunneli betonirakenteisen tunnelin sijaan kallioon louhimalla. Paksu kerros kalliota tunnelin

65 65 ympärillä riittäisi vaimentamaan myös suuret räjähdyspaineet vaikka paikallisia vaurioita todennäköisesti syntyisikin. 9.3 Kaksiputkinen tunneli Erilliset tunnelit Turvallinen vaihtoehto räjähdyspaineen huomioimiselle olisi rakentaa tietunnelin ajosuuntien kaistat tai VA-kuljetustunneli ja normaali liikennetunneli toisistaan erillisinä tunneleina. Tällöin toisen tunnelin onnettomuustilanteella ei olisi vaikutusta toisen tunnelin rakenteisiin ja mahdollisessa onnettomuudessa vauriot olisivat tarkoin rajoitetut. Erillisten tunnelien rakentaminen on kuitenkin kustannuksiltaan huomattavasti kalliimpaa yhden leveän tunneliin rakentamiseen verrattuna. Erillisten tunnelien periaatepiirustus on esitetty kuvassa 27. Kuva 27. Erillisten tunnelien periaatepiirustus Vaimentava keskiseinä Eristämällä tietunnelin ajosuuntien kaistat toisistaan seinämillä voitaisiin räjähdyksen aiheuttamaa vauriota sekä räjähdyksen esiintymistodennäköisyyttä mahdollisesti rajoittaa. Periaate on esitetty kuvassa 28. Tunneliputket erottava seinä voidaan rakentaa ainakin osittain vaimentamaan räjähdyspainetta ja ohjaamaan paineaalto kulkemaan vain toista tunneliputkea pitkin. Lisäksi keskiseinien väliin sijoittuvaa tilaa voitaisiin käyttää tekniikkatunnelina tai pelastautumisreittinä. Onnettomuuden aiheuttamien vaurioiden laajuus jäisi mahdollisesti siis vain toisen tunneliputken osuudella

66 66 globaaliksi ja toisen tunneliputken vauriot pysyisivät paikallisina. Vaihtoehdon toteuttaminen ei todennäköisesti toisi huomattavia lisäkustannuksia tunnelin rakentamiselle ja lisäksi toinen tunneliputki voitaisiin mahdollisesti palauttaa liikenteen käyttöön lyhyessä ajassa onnettomuuden jälkeen. Kuva 28. Tunnelissa olevan vaimentavan keskiseinän periaatepiirustus Sisäkkäiset tunnelit Rakentamalla toinen tunneliputki suojarakenteeksi tunnelin kantavien rakenteiden sisäpuolelle säilyttäisi mahdollisesti tunnelin kantavat rakenteet ilman vaurioita onnettomuustilanteessa. Sisäkkäisten tunnelien periaatepiirustus on esitetty kuvassa 29. Räjähdyspaine vaimennettaisiin suojarakenteen hallitulla hajoamisella ja onnettomuustilanteen jälkeen tunneliin voitaisiin rakentaa uusi suojarakenne. Vaihtoehdon toteuttamiskustannukset voivat olla huomattavan korkeat mutta vaurion jälkeisen tunnelin korjaaminen on todennäköisesti kustannuksiltaan kuitenkin halvempaa kuin kokonaan uuden tunnelin rakentaminen.

67 67 Kuva 29. Sisäkkäisten tunnelien periaatepiirustus. 9.4 Tunnelin rakenteiden geometrian ja materiaalien vaihtoehdot Rakennepaksuus Tunnelin rakenteiden rakennepaksuutta voitaisiin kasvattaa niin suureksi, että ne riittäisivät vaimentamaan räjähdyspaineita ja säilyttäisivät ainakin osittaisen kantokykynsä onnettomuuden jälkeen. Rakennepaksuuksista tulisi kuitenkin normaaleihin rakennepaksuuksiin verrattuna moninkertaiset ja näistä arviolta 2-3 m rakennepaksuuksista muodostuisi kohtuuttomat rakentamiskustannukset jo pelkän betonin valun, raudoituksien ja kuljetusten osalta. Kattolaatta 2 m rakennepaksuudella työssä esitetyllä jännevälillä vaatisi siis 37,2 m³ betonia metrin matkalle tunnelin suunnassa. Yhden suurikokoisen betoniauton säiliöön mahtuu noin 9,5 m³. Rakennepaksuuden lisäys tuo myös lisäkustannuksia raudoitukseen. Lisäksi joissain tapauksissa tietunnelin tiukat linjaus- ja tilarajoitukset estävät rakennepaksuuksien lisäämisen.

68 Jännepunokset Tunnelin seinärakenteiden siirtymiä voitaisiin mahdollisesti rajoittaa asentamalla rakenteiden sisään jännittämättömiä ja punoksen keskiosaltaan tartunnattomia jännepunoksia. Onnettomuustilanteessa jännepunokset sallisivat pieniä siirtymiä ja rakenteen lohkeamisia ennen punosten jännittymistä. Jännittyessään punokset sitoisivat irronneita rakennelohkoja yhteen ja näin rakenteet säilyttäisivät mahdollisesti ainakin osittaisen kantokykynsä myös onnettomuuden jälkeen. Vaihtoehdosta tulisi tarkastella erityisesti rakenteiden ja punosten irtileikkautumista räjähdyksen iskuaallon vaikutuksesta. Rakentamiskustannuksissa jännittämättömien jännepunosten asentaminen ei toisi huomattavan suuria lisäkustannuksia normaaliin paikallavalurakenteeseen verrattuna Paineenpurkuaukot ja hallittu sortuma Tunnelin kokonaisvaltaisen sortumisen ehkäisemiseksi voitaisiin tunneliin suunnitella räjähdyspainetta alentavia paineenpurkuaukkoja tai heikompia, suunnitellusti hajoavia rakenteita. Molemmissa tapauksissa räjähdyspainetta pyrittäisiin alentamaan mahdollisimman lyhyellä matkalla tunnelissa ja näin pienentämään huomattavasti vaurioiden laajuutta. Paineenpurkuaukkojen ja heikompien rakenteiden rakentaminen ja suunnittelu toisi lisäkustannuksia rakenteeltaan miltei yhtenäisen tunnelin rakentamiseen ja suunnitteluun verrattuna mutta vaihtoehdon toteuttaminen voi olla taloudellisesti varsin kannattavaa Rakennusmateriaalit Räjähdyspainekuorman impulssin vaimentamiseksi rakenteiden tulisi olla sitkeitä, ts. niiden tulisi omata suuri muodonmuutoskapasiteetti. Tietunnelin normaalien teräsbetonirakenteiden sitkeyttä voitaisiin parantaa sekoittamalla betonimassaan sitkeyttä lisääviä kuituja ja käyttämällä normaalin raudoituksen lisäksi polymeeriraudoitusta onnettomuustilanteen raudoituksena tai korvaamalla koko raudoitus polymeeriraudoituksella. Polymeeriraudoitusten ominaisuuksia on esitelty taulukossa 10. Taulukosta nähdään, että esimerkiksi AFRP:n (Aramide Fiber

69 69 Reinforced Polymer; aromaattisilla polyamideilla vahvistettu polymeeri) murtovenymä on 2,2 % kun normaalin raudoiteteräs B 500:n murtovenymä on vain 0,325 %. AFRP:n vetolujuus on myös suurempi sekä tiheys pienempi kuin raudoiteteräksellä B 500. Vastaanvanlaisia ominaisuuksia on myös CFRP:llä (Carbon Fiber Reinforced Polymer; hiilikuidun avulla vahvistettu polymeeri) ja GFRP:llä (Glass Fiber Reinforced Polymer; lasikuidun avulla vahvistettu polymeeri). Eli erikoismateriaalien ominaisuudet soveltuvat siis näiltä osin huomattavasti paremmin muodonmuutosten vaimentamiseen kuin normaalin teräksen ominaisuudet. AFRP:n tai CFRP:n ja betonin lämpölaajenemisen erot voivat sen sijaan tuottaa ongelmia ja täten taulukon materiaaleista GFRP soveltuisi ominaisuuksiensa osalta parhaiten käytettäväksi työssä esitetyn vaurion rajoittamiseen. Erikoismateriaalien käytöstä ei kuitenkaan ole pitkäaikaisia kokemuksia ja niiden käyttöön tulee suhtautua varovaisesti. Erikoismateriaalien käytöstä rakentamisessa voisi olla kannattavaa suorittaa lisätutkimuksia. Taulukko 10. Polymeerikuituraudoitteiden ominaisuuksia. (De Jong 2009). 9.5 Johtopäätökset Räjähdyspainekuormituksen kestävien rakenteiden rakentaminen on yleensä huomattavasti kalliimpaa normaalien rakenteiden rakentamiseen verrattuna. Edellä esiteltyjä vaihtoehtoja ja varsinkin niiden yhdistelmiä hyväksikäyttämällä voidaan tietunnelin rakenteet kuitenkin suunnitella ainakin osittain kestämään myös suuria räjähdyspaineita. Kuvassa 30 on esitetty periaatepiirustus räjähdyspaineen vaurion laajuutta rajoittavasta esitettyjen vaihtoehtojen yhdistelmärakenteesta, kun suojattava rakennus sijaitsee työssä esitetyn esimerkkitunnelin vieressä. Kuvassa 30