SILTOJEN MONITOROINTI. Juha Putkinen. OPINNÄYTETYÖ Huhtikuu Rakennustekniikka Talonrakennustekniikka

Transkriptio

1 SILTOJEN MONITOROINTI Juha Putkinen OPINNÄYTETYÖ Huhtikuu 2019 Rakennustekniikka Talonrakennustekniikka

2 TIIVISTELMÄ Tampereen ammattikorkeakoulu Rakennustekniikka Talonrakennustekniikka PUTKINEN, JUHA: Siltojen monitorointi Opinnäytetyö 116 sivua, joista liitteitä 61 sivua Huhtikuu 2019 Tämän opinnäytetyön toimeksiantajana toimii Ramboll Finland Oy. Työssä tutustuttiin Liikenneviraston monitorointiohjeisiin ja tehtiin toimeksiantajan vastuulla olleet, Emäkosken sillan monitorointia koskevat asiakirjat sekä analysoitiin sillalta saatuja mittaustuloksia. Silta sijaitsee Nokian kaupungissa ja on tyypiltään teräsbetoninen kaarisilta, joka puretaan sekä uudelleenrakennetaan samalle sijainnille vaiheittain. Monitorointi tuottaa numeerista dataa rakenteiden todellisesta käyttäytymisestä erilaisia antureita ja mittalaitteita hyödyntäen. Kyseisessä kohteessa tavoitteena oli sillan työnaikaisen käytön turvallisuuden varmistaminen laskennallisesti monitoroinnin avulla. Opinnäytetyön liitteenä on Emäkosken sillan monitorointisuunnitelma sekä -raportti. Kyseiset asiakirjat ovat luottamuksellisia, minkä takia niiden sisältöä ei esitetä työn julkisessa versiossa. Sillan monitorointi alkoi marraskuussa vuonna 2018, jolloin sillan rakenteisiin asennettiin kiihtyvyys-, siirtymä-, lämpötila- ja venymäantureita. Monitorointimenetelmänä oli jatkuva monitorointi, eli sillalta saatiin jatkuvasti reaaliaikaista dataa, jonka lukeminen etänä oli mahdollista internetselainpohjaisesta käyttöliittymästä. Kiihtyvyys- ja siirtymäantureilla saatiin selville äkilliset tapahtumat sillalla sekä rakenteiden mahdolliset pysyvät muodonmuutokset. Mitattujen venymien avulla saatiin laskettua ajoneuvojen aiheuttamat rasitukset rakenteille. Venymäantureilta saadut tulokset eivät kerro teräksissä olevaa absoluuttista venymää, joten sillan omista painoista aiheutuvat rasitukset laskettiin käsin. Yhdistettäessä mitatut sekä käsin lasketut rasitukset todettiin sillan kantavuuden olevan laskennallisesti varmalla puolella. Projektille luotiin myös tarvittavat asiakirjat Liikenneviraston ohjeistuksien mukaisesti. Monitoroinnin tulosten tarkastelussa käytettyyn käyttöliittymään lisättiin opinnäytetyön valmistuessa kaistanpäästösuodatin, joka poistaa lämpötilan vaikutuksen ja staattisen osuuden mittausdatasta. Tämä mahdollistaa ympärivuotisten hälytysrajojen määrittämisen. Sillalle päätettiin lisäksi toteuttaa koekuormitus, jolla saadaan vertailuarvoja mitatuille tuloksille. Kehitystyönä aiheella on mittaustulosten tulkinnan automatisoiminen siihen soveltuvilla ohjelmilla. Asiasanat: silta, monitorointi, venymä, anturi, asiakirjat

3 ABSTRACT Tampereen ammattikorkeakoulu Tampere University of Applied Sciences Degree Programme in Construction Engineering Building Construction PUTKINEN, JUHA: Monitoring of Bridges Bachelor's thesis 116 pages, appendices 61 pages April 2019 The commissioner of this thesis was Ramboll Finland Oy. The purpose of this study was to create the documentation about the monitoring of the bridge of Emäkoski, and to analyse the measurement results gained in the monitoring process. The bridge, located in city of Nokia, is a reinforced concrete arch bridge and at the time of writing this thesis, it was being dismantled and rebuilt in phases in the exact same location. The monitoring produces numerical data of real structural behavior using different kinds of sensors and measuring meters. The purpose of this project was to ensure safe use of the bridge at construction time computationally with help of monitoring methods. This thesis includes the monitoring plan and report documents as attachments. The documents are classified, which is the reason they are not included in the public version of this work. The monitoring of the bridge started in November 2018 when strain gauges, dislocation-, temperature- and acceleration sensors were attached to the bridge s structures. The method of monitoring was continuous which means there is real time data feed from the bridge and it was possible to read data from internetbased interface. Using dislocation- and acceleration sensors it was possible to see any sudden events happening on the bridge and any possible permanent transformation of the structures. With the data provided by strain gauges it was possible to calculate structural stresses caused by vehicles. Measured strain data doesn t tell us the absolute strain on rebars, so stresses caused by structure s own weight had to be calculated by hand. By combining measured and hand calculated stresses, the bridge s bearing capacity was found out to be on the safe side computationally. Documents to the project were made successfully following Finnish transport agency s guidelines. Interface that was used to read measured results, got band pass-filter added to its strain channels at the same time this thesis was completed. Band pass-filter removes statical influence from results and enables a chance to set all-year alarm limits. In addition, decisions were made about test loading the bridge, which will give comparison results for measured values. Automation of the reading of measurement results by suitable software is suggested as one potential method for developing the work further. Key words: bridge, monitoring, strain, sensor, documents

4 4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO SILLAT SUOMESSA Yleistä Ikäjakauma Kunto Kantavuustarkastelu SILTOJEN MONITOROINTI Yleistä Monitoroinnin tarve ja tavoitteet Monitorointiprojekti ja toteutusmuodot Monitorointimenetelmät Monitoroinnin laajuus MONITOROINTIJÄRJESTELMÄ Järjestelmän rakenne Anturit ja mitattavat suureet Taipuma ja siirtymä Venymä Värähtely Mittaustarkkuudet EMÄKOSKEN SILLAN MONITOROINTIHANKE Emäkosken silta Lähtökohdat monitoroinnille Monitorointi Monitorointijärjestelmä Anturit Antureiden asennuspaikat Monitoroinnin tulokset, analysointi ja raportointi POHDINTA LÄHTEET LIITTEET Liite 1. Monitorointiasiakirjojen sisällöt Liikenneviraston ohjeiden mukaisesti Liite 2. Emäkosken rakennepiirustuksia... 60

5 5 Liite 3. Emäkosken monitorointisuunnitelma Liite 4. Emäkosken monitorointiraportti... 82

6 6 LYHENTEET JA TERMIT KVL FEM SHM Bkr Keskivuorokausiliikenne Finite Element Method, laskentamalli rakenteen rasituksien selvittämiseen Structural Health Monitoring, rakenteen kunnon monitorointi Teräsbetoninen kaarisilta E Materiaalin kimmomoduuli ε Venymä μ mikro, 10-6 ΔL Pituuden muutos σ Normaalijännitys Hz Taajuus (hertsi) I Kappaleen neliömomentti s Kuljettu matka t Aika v Nopeus

7 7 1 JOHDANTO Siltojen monitoroinnin tarkoitus on tuottaa numeerista dataa rakenteiden todellisesta käyttäytymisestä erilaisia antureita ja mittalaitteita hyväksi käyttäen. Monitorointi voi olla pitkäaikaista tai vain koekuormituksen ajan kestävää. Pääsääntöisesti monitorointi tapahtuu automaattisesti ja siitä saatua mittausdataa voidaan hyödyntää alan kehittämisessä sekä sillan kantavuutta, jäljellä olevaa käyttöikää, käyttömukavuutta tai vaurioita arvioitaessa. Monitorointi on yleistynyt maailmalla luvulta lähtien ja Suomessa asiaa on tutkittu luvulta alkaen. Isojen rekkojen ja kasvavien akselipainojen salliminen Suomen teille on noussut puheenaiheeksi viime vuosina. Suomen siltojen kunto on tällä hetkellä tyydyttävällä tasolla ja taloudellisesti ei ole mahdollista vahvistaa kaikkia siltoja. Monitorointi voisi toimia yhtenä ratkaisuvaihtoehtona tähän asiaan. Siltojen jatkuva monitorointi ja sen avulla määritetyt painorajoitukset voivat mahdollistaa yhdessä rakenteellisten korjauksien kanssa suurempien akselikuormien sallimisen. Lisäksi monitoroinnilla voidaan varmistaa sillan turvallinen loppuunkäyttö ja parhaassa tapauksessa se voi pidentää sillan elinikää, mistä on suuria taloudellisia hyötyjä. Kanadassa satoja siltoja tutkineen tekniikan tohtori Baidar Bakdarin mukaan yhdeksän kymmenestä puretusta ja uudelleenrakennetusta sillasta olisi voitu pelastaa jatkuvalla monitoroinnilla, koekuormituksilla ja hälytysrajojen määrittämisellä. Emäkosken sillan monitorointi aloitettiin marraskuussa 2018, jotta varmistutaan sillan uudelleenrakentamisaikaisen käytön turvallisuudesta. Monitorointisuunnitelma laadittiin syyskuussa 2018 sähköpostimuistiona tilaajan rakennuttajakonsultin ja toteuttajana toimineen Savcor Oy:n kanssa käytyjen kokouksien pohjalta. Tässä työssä tutustutaan monitoroinnin teoriaan ja Liikenneviraston monitorointiohjeisiin sekä käydään läpi Emäkosken sillan monitorointiprojektia, johon työssä laaditaan Ramboll Finland Oy:n vastuulla olleet viralliset asiakirjat projektista sekä analysoidaan sillalta saatuja mittaustuloksia. Lisäksi työn tavoitteena oli luoda Ramboll:lle valmiita dokumenttipohjia tuleviin monitorointikohteisiin.

8 8 2 SILLAT SUOMESSA 2.1 Yleistä Silta on taitorakenne, jonka vapaa-aukko on vähintään kaksi metriä pitkä. Sekä mahdollistaa ajoneuvo-, henkilö- tai muun liikenteen pääsyn esteen yli (Liikennevirasto 2013, 10). Sillat luokitellaan seuraaviin ryhmiin: tie-, rautatie- ja kevyen liikenteen sillat sekä väyliä ylittävät siltamaiset rakenteet. Tie- ja rautatiesillat jaotellaan varsinaisiin sekä putkisiltoihin. Liikennevirastolla oli hallinnassaan vuoden 2018 alussa tiesiltaa sekä 2420 rautatiesiltaa (Liikennevirasto 2018, 13, 55). Liikennevirasto hallinnoi vuonna 2017 julkaistua Taitorakennerekisteriä, josta löytyy suurin osa Suomen siltakannasta. Rekisteri sisältää hallinnollisten ja rakenteellisten sillan tietojen lisäksi mm. vaurio- ja kuntotietoja sekä tehtyjä korjauksia (Liikennevirasto 2017c) Liikennevirasto muuttui Väylävirastoksi. 2.2 Ikäjakauma Liikenneviraston hallinnoimista tie- sekä rautatiesilloista suurin osa on materiaaliltaan teräsbetonisia siltoja (kuviot 1 ja 2). Autoilun yleistyminen Suomessa luvulla (kuvio 3) johti siltojen tarpeeseen, minkä takia yli 65 prosenttia tiesilloista on rakennettu 1960-luvun ja 1990-luvun loppupuolen välillä (kuvio 1). Uudisrakentamisen määrä on pienentynyt 2000-luvulta lähtien määrärahoituksen suuntautuessa enemmän korjaus- ja kunnossapitohankkeisiin. Rautatiesiltojen rakentaminen on jatkunut tasaisena 1950-luvulta lähtien (kuvio 2) (Liikennevirasto 2018, 3).

9 9 Kuvio 1 Varsinaisten tiesiltojen ikäjakauma materiaaleittain (Liikenneviraston sillat 2017a, 37) Kuvio 2 Varsinaisten rautatiesiltojen ikäjakauma materiaaleittain (Liikenneviraston sillat 2017a, 76)

10 10 Kuvio 3 Rekisteröityjen autojen lukumäärä Suomessa (Tilastokeskus 2007) Kuvioista 1 ja 2 nähdään Suomen siltojen olevan suurilta osin yli 30 vuotiaita. 2.3 Kunto Käytännöstä saatujen kokemusten perusteella silta saavuttaa peruskorjausikänsä vuodessa. Huomioiden siltojen ikäjakauman, korjaustarpeen määrä on kasvanut voimakkaasti 1990-luvulta lähtien eikä määrän pienentymistä ole luvassa tulevina vuosina (Liikennevirasto 2018, 3). Liikenneviraston selvityksen mukaan vuonna 2017 väyläomaisuuden korjausvelka oli 2473 M, josta taitorakenteiden osuus oli 316 M (Liikennevirasto 2017b, 3). Liikennevirastolla on käytössä siltojen kunnon arvioimisessa yhtenäinen kuntoluokitus (taulukko 1), joka perustuu julkaisuun Tieomaisuuden kunnon yhtenäinen palvelutasoluokitus (Tiehallinnon selvityksiä 32/2004) sekä Tiehallinnon johtajiston päätökseen. Kuntoluokitus on yksinkertaisesti kuvattuna viisiportainen: - 5 erittäin hyvä ei ylläpitotarpeita - 4 hyvä vähäistä kunnostusta - 3 tyydyttävä peruskorjaus tulossa - 2 huono peruskorjaus nyt - 1 erittäin huono peruskorjaus myöhässä (Liikennevirasto 2018, 45)

11 11 Taulukko 1 Siltojen kuntoluokitus taulukko (Liikenneviraston sillat 2018, Liite1) Sillan kuuluessa kuntoluokkiin 2 (huono) tai 1 (erittäin huono), luokitellaan se huonokuntoiseksi, ja on näin peruskorjauksen tai jopa uusimisen tarpeessa. Suomessa huonokuntoisia tiesiltoja on 4,1 prosenttia (kuvio 4) ja huonokuntoisia rautatiesiltoja on 4,8 prosenttia (kuvio 5). Kuntoluokituksen mukaan Suomen siltojen yleiskunto on tasoltaan tyydyttävä (Liikennevirasto 2018, 47).

12 12 Kuvio 4 Tiesiltojen kuntoluokitusjakauma (Liikenneviraston sillat 2018) Kuvio 5 Rautatiesiltojen kuntoluokitusjakauma (Liikenneviraston sillat 2018, 71) Kuvioista huomataan yli puolen Liikenneviraston hallinnoimista silloista olevan luokituksen mukaan hyvässä kunnossa. Korjauksen tai uusimisen tarpeessa on kuitenkin yli 700 siltaa. Monitorointi voisi toimia yhtenä vaihtoehtoisena ratkaisuna näille sadoille huonokuntoisille silloille.

13 Kantavuustarkastelu Siltojen kantavuutta tarkastellaan Liikenneviraston vuonna 2015 päivittämän siltojen kantavuuslaskentaohjeen mukaisesti. Ohje huomioi eurokoodit, niiden siltoja koskevat kansalliset liitteet ja soveltamisohjeet sekä tehdyn ajoneuvoasetuksen muutokset. Siinä on lisäksi otettu huomioon materiaalin laatu, ikä ja vaurioituneisuus. Sillalle voidaan tehdä kantavuustarkastelu erikoiskuljetusta, vaurioituneisuuden vaikutuksen selvittämistä tai muuttuneita ajoneuvoasetuksia varten (Liikennevirasto 2015a, 10). Kuviossa 6 on esitetty raskaiden ajoneuvojen sallittujen massojen kehitys Suomen teillä. Kyseisestä kuviosta sekä Suomen siltakannan ikä (kuviot 1 ja 2) huomioiden, voidaan todeta kantavuuslaskennan yleisyyden johtuvan liikennekuormien kasvusta sillan suunnitteluhetkestä nykypäivään. Kuvio 6 Raskaiden ajoneuvojen suurimpia sallittuja massoja (Liikennevirasto 2015b, 9) Kantavuustarkastelussa sillalle luodaan FEM- rakennelaskentamalli ja tarkastelu tehdään sillalle aina ennen monitoroinnin aloittamista. Kantavuuslaskennan perusteella saadaan selvitettyä sillan kantavuuden kannalta kriittiset tekijät, joiden avulla voidaan määrittää monitoroinnissa käytettävien antureiden lukumäärä sekä niiden sijainnit. Mallin avulla voidaan lisäksi määrittää kriittiset hälytysrajaarvot jokaiselle anturille. Monitoroinnista saatujen mittaustietojen perusteella myös rakennemallia voidaan kalibroida ja näin saadaan rakenteiden todelliset rasitukset kuormituksen alaisena selville (Liikennevirasto 2016b).

14 14 Kantavuuslaskennassa siltaa tarkastellaan käyttö- sekä murtorajatilassa. Kantavuuslaskentaohjeessa on annettu raja-arvoja käyttörajatilassa esiintyville taipumille sekä betonirakenteen jännityksille ja halkeamille. Murtorajatilassa rakenteen mitoitus tehdään muutamia, ohjeessa esitettyjä, poikkeuksia lukuunottamatta Liikenneviraston muiden ohjeistuksien perusteella (Liikennevirasto 2015a, 50, 55). Monitoroinnin kannalta tärkeämpi tarkastelu on käyttörajatila, sillä sillasta saadaan erilaisia antureita käyttäen mitattua venymiä, halkeamia ja taipumia.

15 15 3 SILTOJEN MONITOROINTI 3.1 Yleistä Siltojen sekä muiden rakenteiden monitorointia (structural health monitoring, SHM) on harjoitettu maailmalla usean vuosikymmenen ajan. Yhtenä ensimmäisistä siltojen systemaattisista monitoroinneista on pidetty San Franciscossa sijaitsevien Golden Gate- sekä Bay- siltojen dynaamisen käytöksen tarkkailua niiden rakentamisen aikana luvulla. Surullisen kuuluisaa Tacoma Narrowssiltaa monitoroitiin ja tutkittiin sen koko lyhyen eliniän ajan vuonna Tacomasillan käytös ja rikkoutuminen tuulen aiheuttamasta värähtelystä opetti suunnittelijoita riippuköysisiltojen rakenteellisesta toiminnasta. Digitalisaation ja teknologian kehittymisen myötä myös monitorointi on kehittynyt huomattavasti viimeisen vuosikymmenen aikana. (Brownjohn 2006) Infrastruktuurin vanhentuessa ja rakenteiden kunnon heikentyessä useat maat, mm. Yhdysvallat, Kiina ja Japani, ovat alkaneet varustelemaan siltojaan monitorointilaitteistoilla. Monitorointi yhdessä sillan rakenteellisen vahventamisen tai korjauksen kanssa tulee paljon halvemmaksi vaihtoehdoksi kuin uuden sillan rakentaminen (Abdel-Basset Abdo 2014). Monitorointi-investoinnille, jolla parhaimmassa tapauksessa estetään uuden sillan rakentaminen vanhan tilalle ja siitä saatavalle taloudelliselle hyödylle, voidaan laskea nykyarvolaskennalla kannattavuusarvio kaavalla 1. d n = x (1+i) n (1) jossa d n on diskonttaustekijä eli saatavan hyödyn prosentuaalinen osuus sijoituksesta, x on uuden sillan rakentamisen kustannus, i on investointilaskelmissa käytetty korko, joka on tavallisesti 3 6 prosenttia ja n on vuosimäärä, joka hyödyllä saavutetaan. Esimerkkilaskelma: Uuden sillan kustannus on ja korjauksen sekä monitoroinnin yhteiskustannukset ovat Korjauksella saadaan sillalle 30 vuotta elinikää lisää. Korkotasona käytetään 3 prosenttia. Korjausvaihtoehdon

16 16 nykyarvo on /(1+0,03) 30 = (Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry 2018, 491). Uuden sillan kustannuksen ollessa , korjaus ja monitorointivaihtoehto tulee kannattavammaksi. Suomessa monitorointiin ja sen mahdollisuuksiin on havahduttu 2000-luvun puolella. Tästä osoituksena ovat TEKES-rahoitteiset SIMO- ( ) sekä SI- TUEL-tutkimukset ( ). SIMO-hankkeessa keskityttiin monitorointiantureihin ja -laitteistoihin, kun taas SITUEL-hankkeen pääpaino oli saadun mittausdatan kerääminen sekä jatkojalostaminen eri ohjelmilla (VTT 2008). Lisäksi hankkeet toimivat alkusysäyksenä Liikenneviraston 2016 julkaisemiin monitorointiohjeistuksien tekoon, joita sovelletaan monitorointiprojektin eri vaiheissa (Savcor 2017). Monitoroinnin tarkoituksena on tuottaa numeerista dataa rakenteen todellisesta käyttäytymisestä lyhyellä tai pitkällä aikavälillä, käyttäen erityyppisiä antureita ja mittalaitteita. Pääsääntöisesti monitorointi tapahtuu automaattisesti. Saatua dataa voidaan hyödyntää alan kehityksessä sekä sillan kantavuutta, jäljellä olevaa käyttöikää, käyttömukavuutta tai vaurioita arvioitaessa. Monitorointi ei kuitenkaan poista silloille tehtäviä tarkastuksia, mutta se voi toimia osana tarkastusjärjestelmää (kuva 1) (Liikennevirasto 2016a, 9). Kuva 1 Monitoroinnin toiminta sillantarkastusjärjestelmässä (Liikennevirasto 2016, 9)

17 Monitoroinnin tarve ja tavoitteet Monitorointitarve ilmenee tilanteessa, jossa haluttua tavoitetilaa ei saavuteta nykyisillä käytettävissä olevilla tiedoilla. Useimmiten tarve syntyy sillan käytön aikana, mutta alan kehittämiseen (T&K) liittyvissä tapauksissa päätös monitoroinnista voidaan tehdä ennen sillan rakentamista (Liikennevirasto 2016a, 11). Kuva 2 esittää monitorointipolun tarpeesta tavoitetilaan asti. Kuva 2 Monitoroinnin tarpeet ja tavoitteet (Liikennevirasto 2016b, 13)

18 18 Vaurioihin liittyvässä monitoroinnissa tarve syntyy tiedon tai tiedon luotettavuuden puutteesta, jotta rakenteen turvallisuus voitaisiin todeta. Tilanne syntyy, kun rakenne vaurioituu eikä laajuudesta tai vaikutuksista rakenteen toimintaan ole varmaa tietoa. Toteutusvaiheen tavoitteena on joko ennalta määritetyn raja-arvon seuraaminen tai todellisen käyttäytymisen dokumentointi. Jälkimmäisen tapauksen tullessa kyseeseen analysointivaiheen tavoitteena on kantavuuden määrittäminen. Tarpeen syntyessä rakenteellisesta kantavuudesta, tavoitetilana toimii yleensä sallittujen kuormien määrittäminen. Päätös monitorointiin ja tarkempaan rakenteen käyttäytymisen selvittämiseen voidaan tehdä, jos kantavuuslaskenta on tavoitetilaa alhaisempi. Koekuormitusta hyödynnetään yleensä tuottamaan haluttua dataa. Kun tavoitetilana on sillan elinkaaren optimointi ja lähtötiedot tämän varmistamiseksi eivät riitä, päädytään yleensä käyttöikään liittyvään monitorointiin. Elinkaaren optimoinnilla tarkoitetaan tarvittavan tiedon tuottamista korjausinvestointiin liittyen tai sillan turvallista loppuun käyttöä silmällä pitäen. Tämän jälkeen sillalla voidaan tehdä muutostoimenpiteitä tai korjauksia, jotta haluttu tavoitetila saavutetaan. Mukavuuteen liittyvä monitorointi toteutetaan tavoitetilan ollessa sillan käyttömukavuus. Toteutusvaiheessa rakenteen todellinen käyttäytyminen dokumentoidaan ja analysointivaiheessa arvioidaan käyttömukavuus. Sillalla havaitusta epämukavasta värähtelystä muodostuu usein tarve monitoroinnille. T&K kattaa tutkimus- ja kehittämistoimintaan liittyvät monitoroinnit. Tälle monitorointityypille ei ole määritetty toteutus- ja analysointivaiheen tavoitteita, vaan ne määritetään projektikohtaisesti. Tavoitetilana on alan ja suunnitteluohjeistuksen kehittäminen (Liikennevirasto 2016a, 14).

19 Monitorointiprojekti ja toteutusmuodot Monitorointiprojektissa on mukana eri osapuolia, jotka vastaavat omista osa-alueistaan. Pakollisia rooleja projektissa ovat tilaaja, monitoroinnin pääsuunnittelija, -toteuttaja, -analysoija sekä turvallisuuskoordinaattori. Yksi osapuoli voi kuitenkin vastata useammastakin tehtävästä, esimerkiksi monitoroinnin suunnittelusta vastaava pääsuunnittelija voi toimia myös tulosten analysoijana. Monitorointiprojektin tyypillisiä asiakirjoja ovat: monitorointisuunnitelma toteutussuunnitelma turvallisuussuunnitelma mittausraportti monitorointiraportti. Liikenneviraston monitorointiohjeessa on esitetty jokaisen asiakirjan vaatimat sisällöt. Ne on esitelty tämän työn liitteessä 1. Monitoroinnin toteutusmuodosta riippuen, asiakirjojen tekovastuu vaihtelee osapuolten kesken. Monitorointiprojektin toteutusmuodot on jaoteltu Liikenneviraston monitorointiohjeissa kolmeen luokkaan: vaiheittaiseen, keskitettyyn sekä hajautettuun monitorointiin. (Liikennevirasto 2016a, 20, 21, 22) Tavanomaisin monitoroinnin toteutusmuoto on vaiheittainen monitorointi, jossa osapuolina ovat tilaaja, monitoroinnin pääsuunnittelija sekä -toteuttaja (kuva 3). Tässä toteutusmuodossa tulosten analysointi kuuluu pääsuunnittelijalle. Vaiheittainen toteutusmuoto soveltuu tavanomaisiin monitorointiprojekteihin ja se voi olla kestoltaan lyhyt tai pitkä. Projektin ollessa pitkä, voi toteuttajia olla useampiakin. Tilaajan kannalta toteutusmuodossa ei tarvita laajoja sopimusasiakirjoja, sillä pääsuunnittelijan tekemää monitorointisuunnitelmaa voidaan käyttää toteutuksen tilauksen pohjana. Suurimpana riskinä tilaajalle on, että toteutuuko monitoroinnin toteutus suunnitellulla tavalla (Liikennevirasto 2016a, 23).

20 20 Kuva 3 Vaiheittaisen monitoroinnin prosessikaavio (Liikennevirasto 2016a, liite1) Keskitetty monitorointi on tilaajalle kevyin toteutusmuoto. Tällöin monitoroinnissa on tilaajan lisäksi vain yksi osapuoli, joka hoitaa monitoroinnin suunnittelun, toteuttamisen sekä tulosten analysoinnin (kuva 4). Tiedonkulun aiheuttamat riskit ovat pienet, sillä tieto kulkee suoraviivaisesti osapuolien välillä. Keskitetty monitorointi soveltuu projekteihin, joissa tilaaja haluaa kevyen roolin monitoroinnissa. Toteutusmuoto kuitenkin vaatii tilaajalta laajoja sopimusasiakirjoja projektin alussa sekä asiantuntemusta monitoroinnista arvioidakseen toisen osapuolen ehdottamia mittaustekniikoita ja niiden soveltavuutta (Liikennevirasto 2016a, 23).

21 21 Kuva 4 Keskitetyn monitoroinnin prosessikaavio (Liikennevirasto 2016a, liite1) Tilaajalle haastavin toteutusmuoto on hajautettu monitorointi, jossa jokaisen monitoroinnin vaiheen suorittaa eri osapuoli (kuva 5). Monitorointikonsultin käyttäminen tilaajan apuna on suositeltavaa. Hajautettua monitorointia suositellaan käytettävän vain tapauksessa, jossa muut toteutusvaihtoehdot, esimerkiksi projektin pituudesta johtuen, eivät ole mahdollisia. Tiedonkulun sekä projektinjohdon määrän ja vaativuuden aiheuttamat riskit ovat suuret. Lisäksi riskiä toteutusmuodossa lisää pääsuunnittelijan ja tulosten analysoijan eriyttäminen eri osapuolille, sillä tulosten analysointi ei välttämättä vastaa monitorointisuunnitelmaa. Hajautetussa monitoroinnissa onnistuneen projektin tärkein tekijä on suunnitteluasiakirjojen sisällön määrä sekä laatu (Liikennevirasto 2016a, 24).

22 Kuva 5 Hajautetun monitoroinnin prosessikaavio (Liikennevirasto 2016a, liite1) 22

23 Monitorointimenetelmät Liikenneviraston tekemissä siltojen monitorointikäsikirja- ja siltojen monitorointiohjeohjeistuksissa monitorointimenetelmät jaotellaan kolmeen luokkaan: jatkuvaan, jaksoittaiseen ja kertamonitorointiin. Menetelmä ei kuvaa suoraan monitoroinnin laajuutta, kun taas kestoon se vaikuttaa eniten. Lisäksi se vaikuttaa mittalaitteiden ja -antureiden valintaan sekä asentamiseen, monitoroinnin toteutusmuotoon ja kustannuksiin. Jatkuvassa sekä jaksottaisessa monitoroinnissa tulee kiinnittää huomiota mittalaitteiden pitkäaikaistoimivuuteen, huoltoon sekä kalibrointimahdollisuuksiin. Edellä mainituilla tavoilla voidaan seurata ajasta riippuvia suureita. Lähtökohtaisesti jatkuva monitorointi tuottaa suurimmat kustannukset, kun taas kertamonitoroinnin kustannukset ovat pienimmät (Liikennevirasto 2016a, 14). Kuva 6 esittää monitorointimenetelmiä sillan elinkaaren aikana. Kuva 6 Monitorointimenetelmät sillan elinkaaressa (Liikennevirasto 2016b, 16) Jatkuvassa monitoroinnissa siltaa mitataan jatkuvasti ilman keskeytyksiä. Kesto voi olla useita vuosia tai jopa sillan koko elinkaaren ajan ja anturit asennetaan siltaan pysyvästi. Jatkuva monitorointi on menetelmistä eniten tietoa tuottava ja se tarvitsee suunnitella hyvin automatisoiduksi, joka tarkoittaa mittaustiedon siirtymistä reaaliaikaisesti ja langattomasti toteuttajan tietokonepalvelimille analysoitavaksi (Liikennevirasto 2016a, 15). Reaaliaikaiset yhteydet mahdollistavat myös hälytysrajojen asetuksen sillalle. Rajat ja niiden ylityksien aiheuttamat toimenpiteet määrittää suunnittelija. Rajoja voi olla useita ja ne voivat johtaa erilaisiin toi-

24 24 menpiteisiin. Esimerkiksi ensimmäisen rajan ylityksestä, jonkun on käytävä paikan päällä tekemässä silmämääräinen tarkistus tilanteesta. Seuraavan rajan ylitys voi tarkoittaa sillan käytön sulkemista tarkempia tarkasteluita varten. Jatkuvassa monitoroinnissa pitää lisäksi määrittää toimivuusluokka (kuva 7) (Liikennevirasto 2016b, 20). Kuva 7 Jatkuvan monitoroinnin toimivuusluokat ja enimmäiskatkoajat vuodessa (Liikennevirasto 2016b, 20) Jaksottaisessa monitoroinnissa siltaa mitataan jaksoissa, joiden kesto ja väli voi olla lyhyt tai jopa vuosia kestävä. Lisäksi jaksojen väli voi olla säännöllinen tai epäsäännöllinen ja mittausten välillä sillalle voidaan tehdä korjauksia tai muutostöitä (Liikennevirasto 2016a, 15). Kertamonitoroinnissa siltaa monitoroidaan vain yhden jakson verran. Jos monitorointi uusitaan myöhemmin esimerkiksi korjaustoimenpiteen jälkeen, muuttuu kertamonitorointi jaksottaiseksi monitoroinniksi. Kertamonitoroinnin kesto vaihtelee tunneista muutamiin viikkoihin ja sitä käytetään sillan koekuormituksessa, liikenteen aiheuttamissa lyhytaikaisissa rasituksissa tai yksittäisen vaurion mittaamisessa (Liikennevirasto 2016b, 19). 3.5 Monitoroinnin laajuus Monitoroinnin laajuus kuvaa monitorointiin käytettyjä resursseja, joita ovat monitoroinnin suunnittelu, toteutus ja tulosten analysointi. Laajuus sisältää käytetyn monitorointitekniikan, -mittalaitteiden lukumäärän ja -tulosten analysoinnin. Monitorointihankkeella on kolme eri laajuutta: erikoislaaja, laaja, suppea (Liikennevirasto 2016a, 18). Kuva 8 esittää monitoroinnin laajuuksien sisältöjä.

25 25 Kuva 8 Monitoroinnin laajuuden sisällöt (Liikennevirasto 2016a, 19) Pitkillä ja vaativilla silloilla käytetään yleensä yli 100 kpl antureita, jolloin kyse on erikoislaajasta monitoroinnista. Sillan jokaisesta jänteestä ja rakenneosasta mitataan rasituksia, jotta saadaan tarkkaa tietoa analysointia varten sekä mallinnettua sillan todellista käyttäytymistä. Osa mitattavista suureista voidaan mitata kahdennetuilla tai erityyppisillä antureilla mittauksen luotettavuuden ja paremman tarkkuuden saavuttamiseksi. Yleensä erikoislaaja monitorointi on pitkäkestoista, joten anturit asennetaan rakenteeseen pysyvästi ja saadut mittaustulokset siirretään automaattisesti tietokonepalvelimille. Laajassa monitoroinnissa kohteena on kohtalaisen vaativa tai pitkä silta ja antureiden määrä on n kpl. Yleensä koko siltaa ei tutkita, vaan kohteeksi on rajattu joku tietty sillan alue tai rakenneosa. Laajan monitoroinnin kesto on pitkä, joten anturit asennetaan pysyvästi (Liikennevirasto 2016b, 21) Suppeassa monitoroinnissa tarkastellaan tavallisesti vain yhtä osaa sillasta, esim. kriittistä osaa tai vaurioitunutta kohtaa. Antureiden määrä on enintään 20 kpl. Kasvavat liikennekuormat sekä väsymisilmiön tutkiminen ovat tavallisia syitä suppealle monitoroinnille (Liikennevirasto 2016b, 22).

26 26 4 MONITOROINTIJÄRJESTELMÄ 4.1 Järjestelmän rakenne Erilaisia monitorointijärjestelmiä ja niiden rakenteita on melkein yhtä monta kuin on järjestelmän toimittajiakin. Kuvassa 9 on esitetty yhden järjestelmän rakennekaavio. Kokoonpanoon kuuluu mittausantureiden lisäksi virtakytkin, mittalaite, tallennin, tietokone, reititin ja mediamuunnin. Kuva 9 Esimerkki mittausjärjestelmän rakenteesta (Dimense 2014) Anturi mittaa rakenteessa tapahtuvaa fyysistä muutosta, esimerkiksi venymää tai taipumaa, jonka mittalaite muuntaa haluttuun numeeriseen muotoon. Tämä tieto tallentuu tallentimelle. Mediamuuntimella saadaan sillalla kuvaavat kamerat yhdistettyä keskusyksikköön. Tietokoneen avulla voidaan hallita tiedon tallennusta. Mittaustuloksia voi tulla yhdeltä anturilta jopa tuhansia sekunnissa, riippuen mittaustaajuudesta. On myös mahdollista asettaa raja-arvoja antureille, joiden ylittyessä mittaustiedot sekä kameran kuvaama video tallentuvat tallentimelle. Reitittimen avulla luodaan etäyhteys mittausyksikköön sekä mahdollistetaan mittaustiedon lähetys tietokonepalvelimelle. Näin ollen mittaustuloksia voidaan tarkastella reaaliajassa, vaikka suunnittelutoimistosta käsin (Dimense 2014). Mittaustiedon arkistointi voidaan tehdä esimerkiksi ASCII- muodossa, jolloin sen avaaminen onnistuu kaikilla mahdollisilla tekstinkäsittely- ja analysointiohjelmilla (Liikennevirasto 2016b, 54).

27 Anturit ja mitattavat suureet Sillan rakenteellisen toimivuuden kannalta tärkeitä mittaustietoja ovat rakenneosien venymät sekä taipumat. Antureiden paikat valitaan siten, että saatuja tuloksia voidaan verrata helposti ja luotettavasti FEM- laskentamallin tuloksiin (Liikennevirasto 2016b, 23). Taulukossa 2 on esitetty tavallisimpia Suomessa käytettyjä anturityyppejä siltojen monitoroinnissa ja suureiden mittauksessa. Tässä osiossa käydään läpi taulukossa esitettävistä suureista taipuma, venymä sekä värähtely. Taulukko 2 Tavallisimpia anturityyppejä siltojen monitoroinnissa (Liikennevirasto 2016b, 24)

28 Taipuma ja siirtymä Rakenteeseen syntyy taipumaa, kun sitä kuormitetaan pituussuuntaan nähden kohtisuoralla voimalla. Taipuman suuruus riippuu materiaalista, kuormituksen suuruudesta ja tyyppistä sekä palkin tuennasta, pituudesta ja taivutusjäykkyydestä. Taipuman sekä siirtymän mittaukset kertovat hyvin rakenteen ja materiaalin kunnosta sekä sillan lämpöliikkeistä ja toimivuudesta. Sillan taipuman suuruus on siltatyyppikohtainen, sillä riippusilloilla taipuma voi olla useita kymmeniä senttimetrejä, kun taas lyhyillä betonisilloilla taipuma voi olla alle millimetrin (Liikennevirasto 2016b, 25). Siirtymän mittauksilla voidaan saada rakenteiden pysyvät muodonmuutokset sekä siltaan vaikuttavat äkilliset tapahtumat selville (Hyyrynen 2019). Taipumaa ja siirtymää voidaan mitata fotogrammetrialla sekä optisilla mittalaitteilla, joita ovat mm. takymetri (kuva 10). Fotogrammetriassa mittaus tehdään vertaamalla kahta digitaalista kuvaa keskenään. Kuvan erottelukyky on rajallinen, mikä on rajoittava tekijä pieniä taipumia mitattaessa. Takymetrin toiminta perustuu trigonometriaan, jossa kulman ja etäisyyden avulla saadaan taipuma määritettyä. Laite soveltuu vain hitaisiin mittauksiin, sillä mittauslukema luetaan näytöltä. Kuva 10 Takymetri GeoMax Zipp10 (Geolaser 2017)

29 29 Nykyisin taipumaa ja siirtymää mitataan lasermittalaitteilla, joita ovat mm. laseretäisyysmittari (kuva 11) ja pyörivä laser. Laitteiden toiminta perustuu lähettimen lähettämään lasersäteeseen, ja sen havaitsemiseen suoraan mittauskohteesta tai mittauskohteessa kiinni olevasta prismasta (kuva 12). Mittauksen tarkkuus on riippuvainen mittausetäisyydestä ja se on lyhyillä etäisyyksillä alle 0,2 1 mm. Mittaustaajuus on tavallisesti hertsiä, joten hyvin nopeisiin mittauksiin laite ei sovellu. Huono näkyvyys, sade tai sumu voivat haitata tai jopa estää mittauksen. (Liikennevirasto 2016b, 25) Kuva 11 Laser siirtymä mittalaite (Noptel Oy 2019) Kuva 12 Siirtymäanturin toimintaperiaate (Noptel Oy 2019) Venymä Siirtymämittauksiin verrattuna venymäliuskoilla mitatut venymät ovat tehokkaampi ja tarkempi tapa vaurion etsinnässä sekä kantavuuden määrittämisessä (Abdel-Basset Abdo 2014). Mittaamalla venymiä rakenneosan määrätyltä matkalta, saadaan selvitettyä siinä oleva normaalijännitys. Jännitys voi olla joko puristusta tai vetoa. Mitattavasta materiaalista riippuen, mittaus suoritetaan joko rakenteen pinnasta, esim. teräs ja puu, tai rakenteen sisältä, esim. teräsbetoni. Jännitys σ voidaan laskea Hooken lain avulla, kaavalla 2, kun materiaali käyttäytyy elastisesti.

30 30 σ = ε E = L L E (2) jossa venymä ε on mitatun pituuden muutoksen ΔL suhde alkuperäiseen mittaan L ja E on materiaalin kimmokerroin (Liikennevirasto 2016b, 28). Kaavalla 2 saadaan jännitys venymäliuskan kohdalta, ei siis rakenteessa olevaa suurinta jännitystä. Venymää voidaan mitata vastusvenymäliuskoilla (kuva 13). Liuskojen toiminta perustuu ohueen metallilankaan, joka sijaitsee silmukoiden muodossa tukipohjalla, ja jonka vastus muuttuu silmukoiden venymän ja puristuman mukaan. Kuormitettaessa vastus muuttuu langan poikkileikkauksen ja pituuden muuttuessa. Liuskojen pituus vaihtelee mm välillä ja niitä valmistetaan eri materiaaleista erityyppisiä mittauksia varten. Liuskojen kiinnitys on tehtävä liuskasta riippuen liimauksella, pulteilla tai pistehitsauksella. Kiinnitys on tehtävä huolella, jotta saadaan luotettavia mittaustuloksia. Vaativissa olosuhteissa ja pitkäaikaisissa mittauksissa käytetään usein hitsattavia liuskoja. Liuskat eivät rajoita mittaustaajuutta, vaan se riippuu mittalaitteesta, jolloin hyvinkin nopeat mittaukset ovat mahdollisia (Liikennevirasto 2016b, 29). Kuva 13 Vastusvenymäliuska KFH C1-11L3M3R (Omega 2019a) Mittaus voidaan suorittaa myös käyttäen optisia valokuituun perustuvia venymäantureita (kuva 14). Anturin toiminta perustuu valon kulkemiseen valokuidussa, eivätkä ne ole herkkiä sähkömagneettisille häiriöille. Lisäksi useita antureita voidaan kytkeä sarjaan. Mittaustaajuus vaihtelee hertsin välillä, joten kaikkein nopeimpiin mittauksiin anturit eivät sovellu. Sillan päärakenteiden mittaamiseen taajuus riittää hyvin. Anturit soveltuvat haastaviin oloihin, pitkäaikaiseen mittauskäyttöön ja ovat hyvin luotettavia. Kiinnitys rakenteeseen tapahtuu samoin kuin vastusvenymäliuskoilla (Liikennevirasto 2016b, 30).

31 31 Kuva 14 Valokuituinen venymäanturi OS3155 (Micron Optics 2015) Värähtely Värähtely näkyy tavallisesti muodonmuutoksena, joten sitä voidaan mitata erityyppisillä antureilla. Kiihtyvyysanturi (kuva 15) on kuitenkin tarkin ja yksinkertaisin tapa mitata värähtelyä. Poikkileikkaukseltaan muuttumattoman ja päistään tuetun palkin ominaistaajuus voidaan siltarakenteissa laskea kaavalla 3. f(n) = K(n) 2 L 2 E I m (3) jossa f(n) on palkin ominaistaajuus, m on palkin kokonaismassa jaettuna palkin pituudella, L on palkin pituus, E on materiaalin kimmomoduuli, I on poikkileikkauksen neliöhitausmomentti ja K(n) on palkin tuennasta ja laskettavasta ominaistaajuudesta riippuva kerroin, joka esitetään taulukossa 3 (Liikennevirasto 2016b, 34). Kuva 15 Kiihtyvyysanturi ACC301A (Omega 2019b)

32 Taulukko 3 Palkin tuennasta ja laskettavasta ominaistaajuudesta riippuva kerroin (Liikennevirasto 2016b, 34) 32 Kiihtyvyyden mittaus antureissa perustuu jousi-massasysteemin voiman mittaamiseen. Mitattavan kiihtyvyyden amplitudi sekä taajuus on otettava anturin valinnassa huomioon, jotta anturilla voidaan mitata haluttua kiihtyvyysaluetta. Tavallisesti kiinnitys tapahtuu kiinteästi rakenteen pintaan (Liikennevirasto 2016b, 35). Kuten siirtymämittauksella, kiihtyvyysantureilla saadaan siltaan vaikuttavat äkilliset tapahtumat selville (Hyyrynen 2019). 4.3 Mittaustarkkuudet Siltojen monitoroinnissa käytetään usein erityyppisiä, eri pituisia sekä eri poikkileikkauksen omaavia antureita ja mittalaitteita. Tämän takia ei ole kohtuullisella työllä mahdollista selvittää teoreettista tarkkuutta siltamittauksille vaan tarkkuus arvioidaan yksinkertaisemmin, anturi sekä mittalaitevalmistajien tietojen toimiessa lähtökohtana. Perusepävarmuuksia monitoroinnissa on kolme (kuva 16): anturin kiinnittäminen, anturin mittatarkkuus ja mittalaitteen sekä -johdon tarkkuus (Liikennevirasto 2016b, 48). Kuva 16 Perusepävarmuudet monitoroinnissa (Liikennevirasto 2016b, 48) Anturin kiinnitys tulee tehdä huolellisesti sekä oikealla tekniikalla, anturivalmistajan ohjeiden mukaisesti. Näin varmistetaan sen luotettava toiminta koko monitoroinnin ajan. Tavallisesti kiinnitys tapahtuu liimaamalla, ruuvilla tai hitsaamalla.

33 33 Anturi voidaan kiinnittää rakenteeseen myös käyttäen erillistä kiinnitysosaa. Anturin heikko kiinnitys on merkittävin tekijä mittausepätarkkuuksien synnyssä (Liikennevirasto 2016b, 48). Anturien sekä mittalaitteiden mittaustarkkuuden kannalta tärkeimpiä ominaisuuksia ovat tuotteiden valmistajien ilmoittamat: tarkkuus, herkkyys, taajuus, mittausalue, erottelukyky. Näiden lisäksi ympäristöolosuhteilla ja mittausjohtojen pituudella on vaikutusta mittaustarkkuuteen. Anturin tarkkuus ilmoitetaan yleensä muodossa ±0,1 ja se kertoo mittauksen keskihajonnan. Herkkyys kuvaa anturin kykyä seurata mitattavan suureen muutosta. Mittaustaajuus ilmaisee mittaustapahtumien määrän ajan funktiona. Mitattava alue täytyy olla riittävän laaja, jotta halutut tiedot saadaan mitattua, muttei kuitenkaan liian suuri, jolloin erottelukyky ei ole riittävä. Erottelukyky eli resoluutio kuvastaa laitteen kykyä reagoida mitattavan suureen pieniin muutoksiin (Liikennevirasto 2016b, 50, 51).

34 34 5 EMÄKOSKEN SILLAN MONITOROINTIHANKE 5.1 Emäkosken silta Emäkosken silta (H-1307) (kuva 17), entiseltä nimeltään Pitäjän silta, sijaitsee Nokian kaupungissa Emäkoskentiellä ja ylittää Nokianvirran. Sillan keskimääräinen vuorokausiliikenne (KVL) on ajoneuvoa vuorokaudessa. Valtatien 12 häiriötilanteessa Emäkoskentie on varareitti ja yleisnopeusrajoitus sillalla on 50 km/h. Silta on vuonna 1957 valmistunut teräsbetoninen kaarisilta (Bkr), jonka on suunnitellut Bruno Kivisalo vuosina 1954 ja Sillan hyötyleveys on 22,2 m ja jännemitat ovat 8,0 m + 9,0 m + 43,5 m + 9,0 m + 8,0 m kokonaispituuden ollessa 88,80 m. Se muodostuu kahdesta rinnakkaisesta ja identtisestä siltaosasta, joiden välissä on noin 1,1 m leveä laattaosa (Ramboll Finland Oy 2017, 4). Liitteenä 2 on sillan piirustuksia. Kuva 17 Emäkosken silta (Hyyrynen 2017)

35 Lähtökohdat monitoroinnille Sillalle on laadittu WSP:n toimesta vuonna 2015 kantavuustarkastelu, jossa huomattiin kantavuusvajetta kantavuuslaskentaohjeen mukaisilla kuormilla (WSP Finland Oy 2015, 4). Erikoistarkastus sillalle tehtiin Ramboll Finland Oy:n toimesta vuonna 2017, missä havaittiin laakereissa olevia vakavia sekä pilareissa olevia ruostevaurioita. Kansilaatassa sekä pää- ja poikkikannattajissa havaittiin vesivuotoa, verkkohalkeilua sekä kalkkeutuneita halkeamia (Ramboll Finland Oy 2017, 1). Tarkastusten pohjalta yleissuunnitelmaa tarkennettiin ja tilaajan kanssa käytiin läpi erilaisia vaihtoehtoja sillan tulevaisuutta koskien. Emäkosken sillan kohdalla päädyttiin vaiheittaiseen sillan uusimiseen, missä toinen puoli sillasta pidetään avoinna liikenteelle ja toinen puoli puretaan sekä uudelleen rakennetaan. Tämän jälkeen uusi puoli sillasta avataan liikenteelle ja vanha puoli puretaan sekä rakennetaan uudelleen. Monitoroinnilla haluttiin varmistaa sillanpuoliskon käytön turvallisuus rakennusaikaisesti. Lisäksi haluttiin tarkkailla uuden puoliskon rakentamisesta aiheutuvia mahdollisia vaikutuksia. Sillan palkiston rakenteellinen toiminta haluttiin myös varmistaa. Emäkosken sillassa monitoroinnin tarpeena oli kantavuus ja tavoitetilana rakenteellisen turvallisuuden osoittaminen, kappaleen 3.2 mukaisesti. 5.3 Monitorointi Kyseisessä projektissa toteutusmuoto on kappaleessa 3.3 esitellyistä muodoista vaiheittainen monitorointi. Tilaaja palkkasi Rambollin hoitamaan monitoroinnin suunnittelun ja analysoinnin sekä niitä koskevat asiakirjat. Savcorin vastuulla projektissa oli järjestelmän asennus, toimivuus ja kalibrointi sekä asennussuunnitelman ja mittausraportin teko. Eroten työssä esitetystä vaiheittaisen monitoroinnin toteutusmuotokaaviosta, suunnittelija- sekä toteuttajaosapuoli kommunikoivat keskenään tiiviisti.

36 36 Anturit asennettiin siltaan pysyvästi ja mitattavaa dataa kerätään palvelimelle sillan käytön loppuun saakka. Näin ollen kappaleessa 3.4 läpi käydyistä monitorointimenetelmistä Emäkosken menetelmänä on jatkuva monitorointi. Kun kyseessä on jatkuva monitorointi, pitää monitoroinnille määrittää lisäksi toimivuusluokka. Tässä kohteessa toimivuusluokaksi määritettiin luokka 1, jolloin järjestelmän toimivuus pitää olla 99 prosenttista ja pisin katkoaika saa olla yksi vuorokausi. Emäkosken siltaan asennettiin yhteensä 16 mitta-anturia, eli se on kappaleessa 3.5 esiteltynä laajuutena suppea. Mitattavia arvoja on kuitenkin enemmän kuin 16, sillä siirtymä- ja kiihtyvyysanturit mittaavat liikkeitä useassa suunnassa. Antureiden sijainnit valittiin kantavuuslaskentaraportissa todettujen kantavuusvajeella olevien rakenneosien sekä erikoistarkastusraportissa havaittujen vaurioiden perusteella. Monitorointiprojekti suunniteltiin ja toteutettiin Liikenneviraston julkaisujen Siltojen monitorointiohje ja Siltojen monitorointikäsikirjan mukaisesti. Työn liitteenä 3 on Rambollin tekemä virallinen monitorointisuunnitelma. 5.4 Monitorointijärjestelmä Emäkosken sillalla käytössä oli Savcor Oy:n toimittama Savcor OHM järjestelmä (kuva 18). Monitorointijärjestelmä pitää sisällään 16 kpl antureita ja nodeja, kaksi kpl mittausväyliä sekä mittakaapin (kuva 19), jonka sisällä on kaksi kpl Controllermoduuleita, P100-mittaustietokone ja 4G-modeemi. Kuva 18 Esimerkki monitorointijärjestelmä (Savcor Oy 2013,12)

37 37 Kuva 19 Mittakaapin sisältö (Turunen 2019) Antureita käydään tarkemmin läpi kappaleessa Jokaisella anturilla on node (kuva 20), joka muuntaa antureilta saadun signaalin digitaaliseen muotoon, esimerkiksi venymäliuskan fyysisen venymän numeromuotoon. Mittausväylällä voi olla nodeja yhdestä useaan kymmeneen kappaleeseen asti, riippuen mitattavista suureista sekä väylän pituudesta. Emäkoskella mittausväylällä yksi oli vain siirtymäanturi ja mittausväylällä kaksi oli loput 15 kappaletta antureita. Controller (kuva 21) hoitaa tiedonkulun mittausväylältä mittaustietokoneelle sekä välittää virtaa väylällä oleville nodeille ja antureille. Jokaisella mittausväylällä on yksi controller. P100-mittaustietokone (kuva 22) hallinnoi mittausväyliä ja tallentaa mittaustiedot sekä lähettää ne 4G-modeemin muodostaman internetyhteyden avulla Savcorin keskusserverille. Lisäksi 4G-modeemi tarjoaa reaaliaikaisen

38 38 etäyhteyden Web-käyttöliittymän kautta järjestelmälle. Savcorilla on käytössään selainpohjainen käyttöliittymä (kuva 23), joka mahdollistaa liveaikaisen mittatulosten seurannan internetselaimen kautta. (Savcor 2013) Kuva 20 Nodeja (Savcor Oy 2013,14) Kuva 21 Controller-moduuli (Savcor Oy Kuva 22 P100-mittaustietokone (Savcor Oy 2013,18) Kuva 23 Reaaliaikainen venymien seuranta internetselainpohjaisesta käyttöliittymästä (Savcor Oy 2013, 18)

39 Anturit Emäkosken sillalla on käytössä 9 venymäanturia, neljä kiihtyvyysanturia, kaksi lämpötila-anturia ja yksi siirtymäanturi. Yhteensä sillalla on 16 anturia, joista siirtymäanturi on mittausväylällä yksi ja loput 15 anturia ovat mittausväylällä kaksi (Savcor 2019, 4). Emäkosken monitoroinnissa betoniteräksien venymän mittauksessa käytettiin hitsattavia Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd:n KCW G14S-11 venymäliuskoja (kuva 24), jotka ovat vastusvenymäliuskoja. Mittauksen taajuutena käytettiin 50 Hz. Anturit mittaavat venymän muutosta kalibrointihetkeen, eli antureilta saatava venymäarvo ei ole teräksessä oleva absoluuttinen venymä. Mallin tunnisteet on selvennetty taulukossa 4 ja liuskat ovat lämpötilakompensoitu välillä C eli lämpötilan aiheuttamat venymät, itse anturissa, eivät näy mittaustuloksissa. Venymäanturit asennettiin pitkittäis- ja poikittaispalkkien alimpiin betoniraudoituksiin. Teräkset etsittiin peitemittarilla, jonka jälkeen betoni piikattiin pois ja teräksen pinta hiottiin tasaiseksi. Anturit hitsattiin kiinni teräkseen pistehitsauksella ja suojattiin sinkkimaalilla korroosiota vastaan. (Savcor 2019, 10) Kuva 24 Vastusvenymäliuska KCW G14S-11 (Savcor Oy 2018, 61) Taulukko 4 Vastusvenymäliuskan mallin selitys KCW Vedenkestävä venymäliuska 5 Liuskan pituus 5 mm 350 Liuskan vastus 350 Ω G14S Elementtien määrä 4 11 Johdon pituuden lämpötilakerroin 11*10-6 / C

40 40 Monitoroinnissa käytetyt kiihtyvyysanturit olivat malliltaan Memsic Inc:n CXL04GP3 (kuva 25). Mittaustaajuutena oli 50 Hz. Anturit mittaavat kiihtyvyyttä kolmessa eri suunnassa. Mallin lyhenteet on selvitetty taulukossa 5. Kiihtyvyysanturit kiinnitettiin suojakoteloon, jolloin ne saavat sekä sää- että mekaanisen suojan. Kotelot kiinnitettiin tulpilla ja ruuveilla betoniin, minkä jälkeen liittimet suojattiin teipillä. (Savcor 2019, 10) Kuva 25 Kiihtyvyysanturi CXL03GP3 Taulukko 5 Kiihtyvyysanturin mallin selvitys CXL Yleiskiihtyvyys anturi 04 mitta-alue ±4 g GP3 mitta-akselien määrä 3 (x,y,z) Sillalla siirtymiä kahteen suuntaan mittaava laite oli Noptel Oy:n PSM-R/M2 lasersiirtymämittalaite (kuva 11). Mittauksen taajuutena käytettiin 50 Hz. Laitteen lähetinyksikkö asennettiin sillan pohjoisen päädyn kaarelle. Heijastin asennettiin kiinni jäykkään teräsprofiiliin, joka puolestaan kiinnitettiin kiila-ankkureilla keskimmäisen pilarin korkeuden puoleenväliin. Pilari sijaitsee tukilinjalla 2 (Savcor 2019, 10). Emäkosken sillalla oli kaksi lämpötila-anturia, joiden malli on Savcor Oy:n M100- TEMP-D (kuva 26). Mittaus tapahtui kerran minuutissa. Lämpötilan jatkuvalla seurannalla saadaan lämpötilasta aiheutuvat muutokset rakenteessa selville. Antureiden asennus on toteutettu liimaamalla M16 mutteri kiinni rakenteeseen ja tämän jälkeen lämpötila-anturi on kierretty mutteriin kiinni niin, että anturin pää koskettaa betonin pintaa (Savcor 2019, 10).

41 41 Kuva 26 Lämpötila-anturi (Savcor Oy) Antureiden asennuspaikat Kuvassa 27 on sillan rakennepiirustus, josta ilmenee sillan tukilinjat. Taulukossa 6 esitetään antureiden tunnukset, mitattavat suureet ja sijainnit. Antureiden asennuksesta vastasi Savcor Oy. Antureiden tarkat sijainnit on määritelty liitteenä 3 olevassa Emäkosken sillan monitorointisuunnitelmassa. Kaikki anturit saatiin asennettua suunnitelman mukaisille paikoilleen.

42 Kuva 27 Emäkosken sillan tukilinjat 42

43 43 Taulukko 6 Antureiden tunnukset, mitattavat suureet ja sijainnit Anturi Tunnus Mitattava suure Sijainti Yksikkö Rakenneosa Tunnus Pituus suunta Poikki suunta Profiilin nimi Sg01 venymä μm/m Poikkikannattaja C 5,00 0,50 LR Pääkannattaja, Sg02 venymä μm/m palkki C 4,50 1,00 LR Sg03 venymä μm/m Poikkikannattaja C 4,00 0,50 LR Pääkannattaja, Sg04 venymä μm/m palkki C 3,90 0,33 LR Sg05 venymä μm/m Poikkikannattaja C 3,00 0,50 LR Sg06 venymä μm/m Pääkannattaja, palkki C 2,50 1,00 LR Sg07 venymä μm/m Pääkannattaja, palkki C 2,50 0,66 LR Sg08 venymä μm/m Poikkikannattaja C 2,00 0,50 LR Sg09 venymä μm/m Laakeripalkki A1 1,00 0,50 LR Acc01 kiihtyvyys mm/s2 Pääkannattaja, palkki C 4,50 1,00 LF Acc02 kiihtyvyys mm/s2 Pääkannattaja, holvi C 3,50 0,80 UF Acc03 kiihtyvyys mm/s2 Peruspilari A2 3,00 2,00 Acc04 kiihtyvyys mm/s2 Poikkikannattaja C 2,00 0,50 LS Di01 siirtymä mm Peruspilari A2 2,00 2,00 Temp01 lämpötila C Poikkikannattaja C 4,00 0,50 LS Temp02 lämpötila C Poikkikannattaja C 2,00 0,50 LS Taitorakennerekisterissä siltojen rakenneosien vaurioiden merkkaus tehdään Liikenneviraston vuonna 2013 julkaiseman siltojen tarkastuskäsikirjan ja vuonna 2017 julkaiseman sillan tarkastuskäsikirjan sovellusohjeen mukaisesti (Siitonen 2019). Taulukossa 6 esitettyjen antureiden sijaintien merkkaus toteutettiin tässä työssä samaa merkkaustapaa käyttäen, sillä se mahdollistaa tulevaisuudessa monitorointitiedon ja antureiden sijaintien lisäämisen rekisteriin. Kyseinen merkintätapa pätee vain tämäntyyppisissä silloissa, sillä Väylävirastolla on yli 20 erilaista ohjeistusta erityyppisten siltojen rakenneosien sijaintien merkkauksesta.

44 44 Taulukossa pituussuunnan numero ilmaisee missä päin sillan pituussuuntaa anturi on, esimerkiksi numero 2,5 kertoo anturin olevan tuen kaksi ja kolme puolessa välissä. Poikkisuunnan numero nolla ilmaisee anturin olevan poikkileikkauksen vasemmassa reunassa ja numero yksi ilmaisee anturin olevan poikkileikkauksen oikeassa reunassa. Profiilin lyhenne kertoo missä päin poikkileikkausta anturi on, esimerkiksi lyhenne LR tarkoittaa lower rebar eli alapinnan terästä. Liikenneviraston monitorointiohjeissa on esimerkki antureiden sijaintien merkkaustavasta (kuva 28). Vertailtaessa kyseisen ohjeen ja tässä työssä kehitettyä (taulukko 6) merkintätapaa, eroavaisuuksia tulee selkeydessä, luettavuudessa ja työn määrässä. Kaikki edellä mainitut asiat puoltavat taulukossa 6 esitettyä tapaa. Lisäksi kyseisen taulukon sijaintien merkkaukset vastaavat Taitorakennerekisterissä käytössä olevaa merkkaustapaa paremmin. Kuva 28 Liikenneviraston monitorointikäsikirjan ohjeistus anturin sijainnin määritykseen (Liikennevirasto 2016b, liite2) 5.5 Monitoroinnin tulokset, analysointi ja raportointi Monitorointijärjestelmän asennuksen, toimivuuden testaamisen sekä kalibroinnin jälkeen, tehtävänä oli saatavan mittaustiedon analysointi ja johtopäätösten teko. Savcorin ylläpitämä internetselainpohjainen järjestelmä mahdollisti mittaustulosten seurannan kappaleen 4.1 mukaisesti suunnittelutoimistosta käsin. Haasteeksi alussa muodostui palomuuri, sillä Rambollin verkosta ei saanut yhteyttä mittaustulosten palvelimelle. Tämä asia saatiin selvitettyä yhdessä Rambollin IT-

45 tuen sekä Savcorin avulla. Savcorilta saimme lisäksi useita neuvoja ja vinkkejä mittatuloksien lukemiseen. 45 Saatujen mittaustuloksien läpikäyminen ja käyrien tulkitseminen oli mielenkiintoista sekä haastavaa. Haasteiksi muodostui lämpötilan vaikutus venymäantureihin sekä antureissa esiintyvät virheet, jotka näkyivät käyrillä useiden tuhansien mikrometrien venyminä. Usean tuhannen mikrometrin venymät pääteltiin olevan anturivirheitä niiden käyrien muodoista sekä siitä, ettei muilla antureilla tapahtunut samanaikaisesti merkittäviä muutoksia. Pitkän aikavälin tarkastelussa huomattiin venymäkäyrien seuraavan lämpötilakäyrien liikkeitä (kuvio 7). Tämä ongelma ratkaistiin lyhentämällä tarkastelujakson pituutta päivään (kuvio 8), jolloin käyrästöltä erotti piikkiarvoja. Lyhentämällä jakson pituus piikkiarvon kohdalla muutamaan minuuttiin (kuvaaja 3), lämpötilan vaikutus käyrään on lähes olematon ja käyrältä saadaan eroteltua muista kuin lämpötilasta aiheutuvia venymiä. Tulevaisuudessa lämpötilan vaikutukset venymäkäyriin tulisi saada kompensoitua jollain tavalla, esimerkiksi lämpötila-antureiden asentamisella venymäanturien viereen. Näin tehostettaisiin työtä ja päästäisiin helpommin käsiksi esimerkiksi ajoneuvojen aiheuttamiin dynaamisiin kuormiin. Savcorin järjestelmässä on käytössä työkalu, jolla saadaan mittakäyrä pakotettua nollatasoon tarkastelujakson alussa. Näin ollen kuviossa näkyvä huippuarvo on suoraan kuormituksesta syntyvä venymä. Kuviossa 9 esiintyvät käyrät pääteltiin olevan ajoneuvon aiheuttamia niiden muotojen sekä kestojen takia. Mikäli käyrä piirtyy nollatason alapuolelle eli muuttuu miinusmerkkiseksi, on kyseessä puristuma. Kuvio 7 Venymä sekä lämpötilakuvaaja pitkällä tarkastelujaksolla (Savcor Oy)

46 46 Kuvio 8 Poikkipalkkien venymäkäyriä päivän tarkasteluajalla (Savcor Oy) Kuvio 9 Poikkipalkkien venymäkäyriä piikkiarvon ajanhetkenä (Savcor Oy) Alla käsitellään kuviosta 10 tehtyjä havaintoja ja päätelmiä esimerkkinä mittaustulosten analysoinnista. Kuvasta 29 nähdään antureiden sijainnit sekä ajoneuvojen ajosuunnat sillalle. Tapauksessa yksi anturissa Sg02 on tapahtunut venymää ensin, minkä jälkeen anturit Sg04 ja Sg06 ovat reagoineet. Suurin venymä esiintyy anturilla Sg04, mistä voidaan päätellä ajoneuvon ylittäneen sillan lähempää kyseistä anturia kuin kahta muuta. Päätelmänä on ajoneuvon tulosuunnan olleen Koskenmäeltä kohti Nokian asemaa. Tapauksessa kaksi Nokian aseman puoleinen anturi Sg06 on reagoinut ensin ja suurimmat venymät ovat tulleet antureille

47 47 Sg06 ja Sg02. Tällöin voidaan päätellä ajoneuvon ylittäneen sillan lähempää kyseisiä antureita kuin anturia Sg04. Ajoneuvo on siis ylittänyt sillan Nokian aseman suunnasta. Lisäksi kuviosta huomataan käyrän käyvän nollatason alapuolella juuri ennen venymän piikkiarvoa. Tämä kertoo palkkien toimivan jatkuva rakenteena. Kuvion avulla voidaan myös laskea ylittävän ajoneuvon nopeus kaavalla 4. v = s (4) t jossa v on nopeus, s on kuljettu matka ja t on aika. Tapauksessa kaksi antureiden Sg06 ja Sg02 piikkiarvojen välinen aika on 5 sekuntia. Antureiden etäisyys toisistaan on rakennesuunnitelmien mukaan 52,5 m. Näin ollen ajoneuvon ylitysnopeus v on kaavan 4 mukaisesti s t = 52,5m 5s = 37,8 km/h. Työnaikaisen liikenteen nopeus on alennettu 30 km/h, joten sillalla on ajettu ylinopeutta. Rasituksen jälkeen käyrät palaavat nollatasolle, joten pysyviä muodonmuutoksia teräksiin ei jäänyt. Tästä voidaan päätellä teräksien jännityksen olevan alle myötörajan. Kuvio 10 Pituussuuntaisten palkkien venymäkäyriä tarkastelujaksona (Savcor Oy) Kuva 29 Kuvaajassa 4 esitettyjen antureiden sijainnit

48 48 Teräsbetoninen rakenne on monitoroitavana ja analysoitavana kohteena haastava. Kuormituksen aiheuttaman jännityksen ylittäessä betonin vetolujuuden fctm:n, rakenne alkaa halkeilla. Halkeamien tarkkaa sijaintia on miltei mahdoton määrittää etukäteen ja halkeaman kohdalla teräkseen muodostuu jännityspiikki (Lindberg 2015). Luettaessa mittaustuloksia etänä teräksien venymästä ei voida tietää onko anturi halkeaman kohdalla vai ei. Lisäksi koekuormituksen tai mittauksien kautta saatuja teräsjännityksiä ei voida suoraan verrata kestävyyksiin. Esimerkkinä mitattu teräsjännitys, joka olisi puolet teräksen myötölujuudesta. Tällöin ei voida tehdä oletusta, jossa rakenne kestäisi kaksinkertaisen rasituksen. Mitä lähempänä ollaan rakenteen kestävyysrajaa, sitä todenmukaisempia tuloksia mittauksilla saadaan (Vilonen 2019). Emäkosken sillassa päädyttiin ratkaisemaan yllä esitetyt haasteet tavalla, jonka laskenta esitetään työn liitteenä 4 olevassa monitorointiraportissa. Anturin oletettiin olevan kiinni teräksessä halkeilemattomassa kohdassa. Teräksen venymän kautta laskettiin halkeilemattoman poikkileikkauksen avulla rakennetta rasittava momentti. Saadulla momentilla laskettiin teräksen aiheuttamat jännitykset halkeilleessa poikkileikkauksessa. Näin saatiin suhdeluku 3,2 halkeilleen ja halkeamattoman teräksen venymistä. Kertomalla mittaustuloksista saadut venymät tällä suhdeluvulla, varmistetaan laskennallinen varmuus, siitäkin huolimatta, ettei anturi välttämättä mittaa suurimpia teräksessä olevia jännityksiä. Monitoroinnin tavoitteena oli sillan rakenteellisen turvallisuuden määrittäminen. Kappaleen mukaisesti mittaustuloksista saadut venymän arvot kuvaavat muutosta kalibrointihetkeen, eivät teräksissä olevaa absoluuttista venymää. Venymän ja jännityksen yhteys on esitetty kappaleessa Palkiston betoniteräksissä olevien todellisten jännitysten selvittämiseksi, sillan palkiston omista painoista aiheutuvat jännitykset teräksille laskettiin käsin. Mittaustuloksista saatujen, ajoneuvojen aiheuttamien venymien kautta laskettiin niistä aiheutuvat jännitykset teräksissä. Jännitykset kerrottiin vielä saadulla suhdeluvulla. Laskettaessa omista painoista sekä ajoneuvoista aiheutuvat jännitykset yhteen ja verrattaessa niitä teräksen myötölujuuteen, saatiin selville rakenteessa oleva laskennallinen varmuus. Laskennallisesti sillan kantavuuden todettiin olevan varmalla puolella.

49 Jännitykset sekä tarkemmat tiedot kantavuudesta on esitetty työn liitteenä 4 olevassa Emäkosken monitorointiraportissa. 49 Emäkosken monitoroinnissa saatuja tuloksia ei verrattu sillan olemassa olevaan FEM- laskentamalliin, koska mallin on luonut WSP Finland Oy osana kantavuustarkastelua vuonna Tästä johtuen Rambollilla ei ollut mahdollisuuksia saada mallia käyttöönsä. Tulevaisuudessa olisi suotavaa, että monitoroinnin suunnittelija ja -analysoija olisi myös laatinut sillalle kantavuuslaskennan. Tällä saadaan varmistettua kaiken silta-aineiston olevan suunnittelijan käytössä koko projektin ajan ja helpotetaan monitorointitulosten mukaan tehtävää laskentamallin kalibrointia. Hälytysrajojen määritys on yksi jatkuvan monitoroinnin pääelementeistä. Niillä varmistetaan sillan käytön turvallisuus. Kyseisessä projektissa niitä ei ole vielä määritetty. Syinä olivat ajoneuvoista aiheutuvien teräksen venymien suuruusluokka, eli niiden pienuus, ja rakenteen laskennallinen varmuus. Lisäksi syynä oli venymäkäyrien voimakas reagointi lämpötilaan, verrattuna ajoneuvoista aiheutuneisiin venymiin. Jotta sillalle voidaan asettaa ympärivuotiset hälytysrajat, tulee käyrille tehdä lämpötilakompensointi. Samanaikaisesti tämän työn valmistuessa monitoroinnin tulosten luennassa käytettyyn käyttöliittymään lisättiin uusi mittakanava, jossa on toiminnassa olevat lämpötilakompensoidut venymäkäyrät. Kompensointi on toteutettu kohdistamalla kaistanpäästösuodatin alkuperäiseen dataan, mikä poistaa alle 0,01 ja yli 22 Hz taajuudet eli niin sanotut kohinataajuudet. Suodatetun datan perusteella maskataan alkuperäinen data, jolloin dynaaminen osa datasta pysyy muuttumattomana ja staattinen osa poistuu. Tämä mahdollistaa ympärivuotisten hälytysrajojen määrittämisen sillalle.

50 50 6 POHDINTA Tässä opinnäytetyössä tutustuttiin Liikenneviraston monitorointiohjeisiin sekä tehtiin Ramboll Finland Oy:n vastuulla olleet, Emäkosken sillan monitorointiasiakirjat ja analysoitiin sillalta saatua mittaustietoa. Aiheena monitorointi osoittautui mielenkiintoiseksi sekä haastavaksi ja toimi hienona mahdollisuutena syventyä tulevaisuudessa varmasti yleistyvään aiheeseen. Säännöllisistä palavereista Rambollin sekä Savcorin henkilöstön kanssa oli suuri apu työn valmistumisen kannalta. Iso kiitos kuuluu myös työtä ohjanneelle Tampereen ammattikorkeakoulun opettajalle. Insinöörityötä voidaan pitää kokonaisuudessaan onnistuneena, sillä projektille saatiin luotua tarvittavat asiakirjat Liikenneviraston ohjeistuksia noudattaen ja mittaustietojen analysoinnin lopputuloksena oli varmistus sillan käytön turvallisuudesta. Myös työn tekijä syventyi entuudestaan täysin tuntemattomaan aiheeseen kattavasti. Valmiiden dokumenttipohjien osalta työssä ei päästy haluttuun lopputulokseen, osaksi johtuen jokaisen monitoroinnin yksilöllisyydestä ja riippuvuudesta erilaisiin asioihin, kuten siltatyyppiin, taitorakennerekisterin tietoihin sekä monitoroinnin menetelmiin ja -tavoitteisiin. Näiden lisäksi työ voi jatkossa toimia lyhyenä perehdytyksenä aiheeseen siltojen monitorointi entuudestaan täysin asiasta tietämättömälle lukijalle. Kehittämisen kohteita ja kriittisiä näkökulmia löytyy itse projektissa sekä monitoroinnissa. Tulevaisuudessa anturien toimivuus pitää olla korkeammalla tasolla, sillä varsinkin venymäantureilla esiintyi useaan otteeseen häiriöitä. Antureilta saadut, ajoneuvoista aiheutuneet, venymäarvot ja niitä vastaavat jännitykset olivat todella pieniä. Työn tekijän mieleen herääkin kysymys, ovatko jännitykset todellisia ja toimiiko venymien mittaus teräsbetonirakenteissa oletetulla tavalla. Teräs- ja puurakenteilla monitorointi tuottaa varmasti luotettavampia tuloksia ja niiden rakenteellinen käyttäytyminen on yksinkertaisempaa. Tilastoitua tietoa siltojen monitoroinnin yleisyydestä Suomessa ei ole, mutta monitorointien määrä on tällä hetkellä todella pieni. Yleistymisen haasteina ovat järjestelmän hinta, epätietoisuus saavutettavista hyödyistä, monitorointipalvelun

51 51 tarjoajien - ja referenssikohteiden vähäisyys. Monitorointia ja siitä saatavia mittaustietoja voidaan hyödyntää siltojen lisäksi esimerkiksi tuulivoimaloiden perustuksissa sekä padoissa. Monitorointia ja sen yleistymistä palvelee parhaiten hyvät kokemukset ja onnistuneet monitorointiprojektit. Tärkeimpiä asioita onnistuneen monitoroinnin kannalta ovat projektin alussa määritetyt monitoroinnin tavoitteet, menetelmät sekä kesto. Näiden lisäksi antureiden asennuksen suunnitelman mukaisuus, monitorointijärjestelmän toimivuus ja antureiden määrän sekä sijaintien riittävyys nousevat tärkeimmiksi tekijöiksi. Monitoroinnin tavoitteiden, menetelmien sekä keston tarkka määritys jo projektin alkuvaiheessa, varmistaa suunnitelmien vastaavan haluttua lopputulosta. Monitoroinnin kesto vaikuttaa esimerkiksi suoraan siihen, asennetaanko anturit siltaan pysyvästi vai väliaikaisesti. Antureiden sijaintien tulee vastata suunnitelmia, jotta sillan rakenteista saadaan mitattua haluttuja asioita. Järjestelmän toimivuus pitää olla hyvällä tasolla, sillä toistuvat anturivirheet heikentävät koko projektin uskottavuutta sekä tekevät mittausdatan analysoinnista haastavaa. Antureiden määrän sekä sijaintien ja niillä mitattavien suureiden määritys on suunnittelijan kannalta tärkein tehtävä projektissa. Suunnittelijan määrittämistä, rakenteellisesti oleellisista paikoista tulee saada tarvittava määrä mittaustietoa, jotta analysointivaiheessa voidaan tehdä johtopäätöksiä sillan rakenteellisesta toimivuudesta sekä kunnosta. Mitattavien asioiden tulee olla kuitenkin relevantteja, sillä tarpeettomista paikoista mittaavat anturit tuovat vain ylimääräisiä kustannuksia projektille. Mittauksia ei kannata pelkästään mittauksien vuoksi suorittaa vaan niillä tulee saada projektia edistävää tietoa. Jatkotoimenpiteinä työlle on sillalta saatavien mittaustietojen lukemisen ja tulkitsemisen automatisointi. Kyseisessä kohteessa toteutettu päivä kerrallaan tapahtunut silmämääräinen mittauskäyrien seuranta ei ole tehokasta ja mahdollisuus virheille on olemassa. PowerBI-sovellus, joka on erikoistunut suurien datamäärien käsittelyyn, voisi olla yksi hyvä vaihtoehto mittaustuloksien analysoinnissa. Sillalle on päätetty suorittaa koekuormitus, joka toimii luonnollisena jatkona tälle työlle. Koekuormituksen kautta saadaan vastaus edellisessä kappaleessa esitettyyn kysymykseen mitattujen venymien todellisuudesta. Lisäksi toimivat kaistanpäästösuodatetut venymäkäyrät mahdollistavat hälytysrajojen määrityksen sil-

52 52 lalle tulevaisuudessa. Itse monitoroinnista ja sen kehityssuunnasta pitäisi keskustella Väyläviraston kanssa. Tieto sillan monitoroinnista ja saatujen mittaustulosten sekä raporttien lisääminen taitorakennerekisteriin voisi olla tulevaisuudessa yksi työkalu Suomen siltakannan kunnon hallinnassa. Monitoroinnissa on paljon potentiaalia ja se tulee tulevaisuudessa varmasti yleistymään, mutta se vaatii osakseen vielä paljon työtä.

53 53 LÄHTEET Abdel-Basset Abdo, M Structural Health Monitoring: History, Applications and Future. New York. Brownjohn, J. M. W Structural health monitoring of civil infrastructure Luettu Dimense Oy Ahvenkosken sillan monitorointi S115. Esittelykalvot. Luettu Hyyrynen, M. Suunnittelupäällikkö, DI Opinnäytetyö. Sähköpostiviesti. Luettu Liikennevirasto Taitorakenteiden tarkastusohje. Liikenneviraston ohjeita 17/2013. Helsinki. Liikennevirasto. 2015a. Siltojen kantavuuslaskentaohje. Liikenneviraston ohjeita 36/2015. Helsinki. Liikennevirasto. 2015b. Akselimassatutkimus Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 67/2015. Helsinki. Liikennevirasto. 2016a. Siltojen monitorointiohje. Liikenneviraston ohjeita 18/2016. Helsinki. Liikennevirasto. 2016b. Siltojen monitorointikäsikirja. Liikenneviraston oppaita 2/2016. Helsinki. Liikennevirasto. 2017a. Liikenneviraston sillat Liikenneviraston tilastoja 8/2017. Helsinki. Liikennevirasto. 2017b. Liikenneväylien korjausvelka Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 44/2017. Helsinki. Liikennevirasto. 2017c. Taitorakennerekisteri otetaan käyttöön. Julkaistu Luettu #.XKWhrFUzZOR Liikennevirasto Liikenneviraston sillat Liikenneviraston tilastoja 7/2018. Helsinki. Lindberg, R Betonirakenteet. Luentomoniste. Tampereen teknillinen yliopisto. Noptel Oy PSM-R/M2 Technical Manual. Oulu. Luettu

54 54 Omega. 2019a. Pre-wired strain gages. Luettu Omega. 2019b. High- performance trixial accelometers. Luettu Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL ry RIL Sillat. suunnittelu, toteutus ja ylläpito. Helsinki. Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL ry. Ramboll Finland Oy Emäkosken sillan erikoistarkastusraportti. Tampere. Ei julkinen lähde. Savcor Oy Savcor OHM User Manual. Mikkeli. Savcor Oy Smart bridge Monitoring in Finland. Luettu Savcor Oy Emäkosken silta Asennussuunnitelma. Mikkeli. Ei julkinen lähde. Siitonen, T Projektipäällikkö. DI. Haastattelu Haastattelija Putkinen, J. Tampere. Tilastokeskus Vuosisata suomalaista autoilua. Päivitetty Luettu Vilonen, I Specialist manager. TkL. Haastattelu Haastattelija Putkinen, J. Tampere. VTT Monitoring of bridges (SIMO). Luettu WSP Finland Oy Emäkosken sillan kantavuuslaskenta. Ei julkinen lähde.

55 55 LIITTEET Liite 1. Monitorointiasiakirjojen sisällöt Liikenneviraston ohjeiden mukaisesti Monitorointisuunnitelma 1(5) Monitoroinnin pääsuunnittelijan on tehtävä siltakohtainen monitorointisuunnitelma, missä esitetään: kohteen yleiskuvaus monitorointiprojektin aikataulu monitoroinnin tavoitteet kaikki tarpeelliset toimenpiteet ja laitteet monitoroinnin suorittamiseksi lujuustekninen analyysi ja testi- tai koekuormituksen määrittely kriittisten mittauskohtien valinta antureiden ominaisuudet ja tarkkuustaso mittalaitteiden sijoitus asennustapa jatkuvan monitoroinnin enimmäiskatkoaika kaapeloinnin suunnittelu periaatteellisella tasolla tiedonsiirto periaatteellisella tasolla mitatun datan tallennuspaikka ja formaatti mittaustulosten käsittely, signaalinkäsittely analysoinnin ja raportoinnin määrittäminen. Lujuustekninen analyysi ei ole tarpeen, jos ei ole kyse rakenteellisesta monitoroinnista. Monitorointisuunnitelma voidaan tehdä myös useammassa vaiheessa tarkentuvana dokumenttina, jolloin sitä täydennetään ja lopuksi laaditaan toteutussuunnitelma. Monitorointisuunnitelma on hyväksytettävä tilaajalla ennen töiden aloittamista. Monitorointisuunnitelmaa voidaan käyttää hankinta-asiakirjana monitoroinnin toteutusta tilattaessa tai kilpailutettaessa (Liikennevirasto 2016a, 28).

56 56 Turvallisuussuunnitelma 2(5) Turvallisuuden takaamiseksi tarvittavia suunnitelmia on tehtävä mm. työ- ja tukitelineistä putoamisvaarallisista töistä purkutöistä hukkumisvaaran sisältävistä töistä sähkötapaturmavaarallisista töistä sukellustöistä nostotöistä liikennejärjestelyistä tie- ja katualueella sekä rautateillä tehtävistä töistä. Kaikkien työhön osallistuvien on oltava tietoisia turvallisuusvaaroista, vallitsevista olosuhteista ja turvallisuussuunnitelmien sisällöstä ja noudatettava annettuja ohjeita (Liikennevirasto 2016a, 29).

57 Toteutussuunnitelma 3(5) 57 Monitorointipalvelun toimittajan on tehtävä siltakohtainen monitoroinnin toteutussuunnitelma, missä on esitetty selkeästi toimitettava järjestelmä. Toteutussuunnitelmassa esitetään seuraavat pääkohdat: Järjestelmän yleiskuvaus o anturityypit o kaapelointi ja suojaputket o antureiden suojakotelot o laitekaappi o käyttöjärjestelmät o tiedon siirto ja tallennus mittalaitteet yksityiskohtaisesti o anturityyppi ja mitattava suure o anturin tarkka sijainti o anturin mittausala, luotettavuus ja tarkkuus o antureiden kiinnitys, kaapelointi ja suojaputket o mittalaitteiden ja mittauskorttien tyyppi ja mittausohjelmisto järjestelmän asentaminen o eri vaiheessa asennettavat osat o antureiden ja suojakoteloiden kiinnitykset o työnaikaiset kaapeloinnit sekä lopputilanteen kaapeloinnit o suojaputkien kiinnitykset ja sijoitus liikennejärjestely ja liikenteenohjaus tiedotus yhdessä tilaajan kanssa testi- tai koekuormituksen toteutus asennuksen ja ylläpidon kuvaus o antureiden ja mittalaitteiden kalibrointi o antureiden ja mittalaitteiden vaihtaminen tietojen tallennuksen ja käsittelyn kuvaus tulosten ja raportoinnin kuvaus laatutason osoittaminen ja laadunvarmistuksen kuvaus o mittaustulosten varmennus. Monitoroinnin toteutussuunnitelma on hyväksytettävä tilaajalla ennen töiden aloittamista (Liikennevirasto 2016a, 30).

58 Mittausraportti 4(5) 58 Monitorointipalvelun toimittajan on tehtävä mittauksista raportti, missä esitetään ainakin seuraavat pääkohdat: selostus käytetyistä antureista antureiden ja mittalaitteiden ominaisuudet ja kalibrointitiedot antureiden sijainnit testi- tai koekuormituksessa käytettyjen ajoneuvojen tarkat akselivälit ja akselimassat mittaustulokset suunnitelmassa vaaditussa muodossa (esim ASCII-muodossa) o mittausajankohta o mittaustaajuus o mittaava anturi ja mittalaite o mitattava suure o mittauksen tekijä o selvitys käytetyistä kertoimista arvio mahdollisista epävarmuuksista. Mittausraportti toimitetaan monitoroinnin suunnittelijalle sekä tilaajalle tilaajan kanssa sovitun aikataulun mukaisesti. Järjestelmän kuvauksen osalta mittausraportti voi pohjautua toteutussuunnitelmaan (Liikennevirasto 2016a, 31).

59 Monitorointiraportti 5(5) 59 Monitoiroinnin analysoijan on tehtävä raportti, missä esitetään ainakin seuraavat pääkohdat: tiivistelmä sillan yleiskuvaus monitoroinnin tavoite käytetyt tutkimusmenetelmät ja -välineet selostus tutkimustuloksista ja niiden merkityksestä rakenteiden kuntoon ja säilyvyyteen rakenneosittain mittaustulokset lujuustekninen analyysi tutkimustuloksiin liittyvät sallitut ja kriittiset arvot rakenteista saatujen tulosten vertailupohjaksi johtopäätökset rakenteiden kunnosta ja korjaustarpeista rakenneosittain liikenneturvallisuutta ja kantavuutta vaarantavat tekijät arvio mittausten epävarmuudesta toimenpide-ehdotukset (Liikennevirasto 2016a, 32).

60 60 Liite 2. Emäkosken rakennepiirustuksia Emäkosken sillan yleispiirustus 1(5)

61 Perustuksien ja maatukien piirustus 2(5) 61

62 Holvin, pilarien ja palkiston piirustus 3(5) 62

63 Poikittaiskehän piirustus 4(5) 63

64 Laataston ja palkiston jäykisteiden piirustus 5(5) 64