SILLAT. Lauri Salokangas Rakennustekniikan laitos

Transkriptio

1 SILLAT Lauri Salokangas Rakennustekniikan laitos

2 Sisällys 0. Siltoihin liittyvä opetus Aalto-yliopistossa (MyCourses) 1. Sillan määritelmiä 2. Siltahistoriaa 3. Yleisimmät siltatyypit 4. Sillansuunnittelu 5. Siltaonnettomuuksia 6. Uusia siltoja 7. Sillansuunnittelija

3 SILLAT 1. SILLAN MÄÄRITELMIÄ: Sillat ovat infrarakenteita ja siten osa tietä, katua, rautatietä, tai väylää Silta on rakenne, joka johtaa liikenteen tai materiaalin esteen yli mahdollistaen käyttäjien kulun itsensä ali (esim. pato ei ole silta) Suomessa Liikennevirasto luokittelee tilastoissaan siltoihin kuuluvaksi myös rummut, joiden aukon läpimitta, ns. vapaa aukko, on 2 m. 2 m 2 m Vuosaaren metrosilta (Wikipedia) Rumpu jonka vapaa aukko on 2 m luokitellaan Suomessa sillaksi (Liikennevirasto)

4 Sillalle asetettavat vaatimukset Silta on suunniteltava siten, että se täyttää sille asetetut funktionaaliset tekniset, esteettiset ja taloudelliset vaatimukset ja sillasta koituvat ympäristöhaitat ovat vähäisiä. Koska silta on kantava rakenne, sen sortumisesta voi aiheutua vakavia seurauksia Sillan pääsuunnittelijan tulee olla alaan perehtynyt insinööri

5 Sillat ovat vaativia erikoisrakenteita verrattuna muihin rakenteisiin Siltojen jännemitat ovat pitkiä rakenteiden murtovarmuus ja stabiilius tulee olla kunnossa Siltojen hyötykuormat ovat suuria, liikkuvia ja lisäksi dynaamisia siltojen analysointi vaatii erityisosaamista Liikennekuorma on usein toistuva, väsyttävä kuorma vaatii asiantuntemusta (esim. junien akselien aiheuttama kuormakertymä) Rakentaminen vaatii usein erikoiskalustoa ja tarkan suunnitelman usein silta joudutaan rakentamaan liikenteen ollessa päällä, rautatiesillat Silloilla on pitkä suunniteltu käyttöikä Suomessa usein 100 v Sillan tulee soveltua ympäristöönsä esteettisyys Sillan tulee olla taloudellinen elinkaarikustannusten arviointi Sillan tulee olla ympäristöystävällinen myrkytön, vähäpäästöinen

6 2. SILTAHISTORIAA Materiaalien käyttö ja jännemitan kasvu: Vanhimmat sillat olivat lyhytjänteisiä puu- tai kivisiltoja Jokipiin puinen riippuansassilta, Jalasjärvi Espoon kartanon kiviholvisilta vuodelta 1777, aukko 2,7 m.

7 Ensimmäinen silta valuraudasta v Englannissa Iron Bridge,Valurautainen kaarisilta Coalbrookdale, Englanti (jm. 30 m). v (Wikipedia) Teräs hallitsi1890 luvun loppupuolta. Forth Rail Bridge ulokeristikkosilta. Forth Rail Bridge. Ulokeristikkopalkki Scotland, Edinbourgh, jm 521 m. v.1890.

8 Teräs mahdollisti pitkät riippusillat 1800-luvun jälkipuoliskolta alkaen Brooklyn Bridge, New York jm 483 m. v Suuria riippusiltoja rakennettiin etenkin USA:ssa 1800 lopulla ja 1900 luvun alkupuolella. George Washington Bridge v.1931 oli ensimmäinen yli 1 km jänne. George Washington Bridge, New York m. v (Kuva: J. Virola)

9 Siltojen suurimman jännemitan kasvu aikojen kuluessa Riippusillat ovat hallinneet jännemitan kehitystä 1900 alkupuolelta

10 Maailman pisimmät sillat ks.

11 San Franciscon kuuluisa riippusilta Golden Gate oli valmistuttuaan vuonna 1937 jännemitaltaan maailman pisin silta (jm m) Golden GateBridge riippusilta San Franciscossa USA:ssa. (Kuva: J.Virola)

12 Maailman pitkäjänteisin silta on Akashi-Kaikyo riippusilta Kobessa Japanissa. Silta valmistui vuonna Jännemitta on 1991 m. (jännemitta kasvoi Koben maanjäristyksen takia yhden metrin). Akashi-Kaikyo riippusilta, Kobe, Japani. Keskijänne 1991 m. (Kuva J. Virola) Suunnitteilla on jännemitaltaan yli 3 km:n pituisia siltoja. Messinan salmi Lista Maailman pitkäjänteisimmät sillat Riippusillat

13 Betonisillat alettiin rakentaa jo 1800 luvun loppupuolella 1900 luvun alussa betonia käytettiin pääasiassa kaari- ja holvisilloissa hyvän puristuskestävyyden takia. Jännebetonia alettiin käyttää luvulta lähtien mahdollistaen pitkäjänteisten teräsbetonisten palkkisiltojen rakentamisen. Teräsbetoninen sauvakaarisilta Salginatobel Bridge, Sveitsi jm. 90 m v (Wikipedia) Hangzhou Bay Bridge, Kiina. Sillassa on lähestymissiltana jännitetty teräsbetoninen jatkuva kotelopalkki. Sillan kokonaispituus 35 km. v. 2007

14 Puusillat Norjalaiset tällä hetkellä puusilloissa ykkösiä Pienet kaari-, palkki-, laatta-, ristikkosillat Kaarisilta puusta Leonardo da Vinci Bridge, Norway Poikittain jännitetty puusilta (Mattisdammen, Norway 2000)

15 3. PERUSTIETOA SUOMEN SILLOISTA Siltojen omistus ja hallinta Siltoja omistavat valtio, kaupungit ja kunnat, Metsähallitus, yritykset, yhteisöt ja hoitokunnat sekä henkilöt. Vuoden 2010 alussa Tiehallinto, Ratahallintokeskus ja Merenkulkuhallinto yhdistettiin Liikennevirastoksi Suomessa on n siltaa yleisillä teillä Liikenneviraston Tieosaston omistuksessa ja hallinnassa (2009) Liikenneviraston Rataosaston omistuksessa ja hallinnassa kaupungeilla, kunnilla ja yksityisillä Yleisten teiden siltojen jälleenhankinta-arvo n M eli n / silta Työelämässä noin 100 aktiivista siltainsinööriä Suomessa DI tason koulutusta Aalto-yliopistossa ja TTY:ssa. Opistotasoista koulutusta on muutamassa AMK:ssa. Työllistäjiä suunnittelutoimistot, urakoitsijat, Liikennevirasto, VR-Rata Oy, tiepiirit ja suurimmat kaupungit.

16 Suomen yleiset tie- ja rataverkot Tieverkon pituus n km ( Livi / Tiehallinto) Rataverkko n km (LiVi / RHK) Suomen tieverkko. Moottoriteitä yli n. 700 km. Suomen rataverkko. Sähköistetty n km.

17 Suomen yleisten teiden tiesiltojen tilastoa (Liikennevirasto) Valtaosa silloista on rakennettu 1950 luvun jälkeen Siltakanta ikääntyy korjaustarve lisääntyy

18 Huonokuntoisten tiesiltojen määrä kasvaa Kuntoluokitus: 0-0,5 Uuden veroinen 0,51-1,25 Hyvä 1,26-2,25 Keskimääräinen 2,26-3,00 Huono 3,01-4,00 Erittäin huono

19 Suomen varsinaisten tiesiltojen jakautuma siltatyypeittäin valtaosa tiesilloista teräsbetonisia laattasiltoja (37 %) putkisiltoja lukumääräisesti paljon, mutta ovat pieniä terässiltoja vähän, mutta ovat suuria

20 Suomen suurimmat sillat vrt. maailman pitkäjänteisin silta jm m. (Akashi Kaikyo, Kobe, Japani)

21 Ajoneuvoliikenteen sillat Tavanomaisia siltatyyppejä: Teräsbetoninen ulokelaattasilta Kaksiaukkoinen teräsbetoninen laattasilta Teräsbetoninen kehäsilta Teräksinen kotelopalkkisilta (Lakalaivan eritasoliittymä)

22 Uudempia suurempia siltoja: Yksipyloninen vinoköysisilta (Jätkänkynttilä, Rovaniemi) Liittopalkkisilta (Saimaan silta, Puumala) Kaksipyloninen vinoköysisilta (Kärkinen) Puinen riippuansassilta (Vihantasalmi, Mäntyharju)

23 Rautatiesiltatyyppejä: Teräksinen ristikkosilta (Oulu) Betoninen holvisilta jm 67,6 m (Koria 1936) Teräspalkkisilta (Kokemäki)

24 Luhdanmäen ratasilta (2006) jatkuva jännitetty betoninen kotelopalkkisilta jm: 40+10x45+40 = 530 m Luhdanmäen ratasilta. Teräsbetonin palkkisilta v 2005.

25 Kytömaan rautatieristeyssilta (2005) kokonaispituus 557 m Kahden radan risteys jännitetty tb-kaukalopalkkisilta jm: 2x40+9x45+58 = 543 m rautatiesillat ovat massiivisia (suuri hyötykuorma)

26 Kevyen liikenteen siltatyyppejä Liittorakenteinen puu-betonisilta Nauhasilta Puukantinen riippusilta Teräksinen ristikkosilta Puinen kaukalopalkkisilta Teräksinen palkkisilta

27 4. SILLANSUUNNITTELU Ideointi, sillan tyyppi, jännemitat, materiaali Luonnostelu parhaista vaihtoehdoista, kuormat, alustavat laskelmat Esisuunnittelu alustava yleispiirustus Piirtämisohjelma (esim. AutoCad) Valitaan vaihtoehto lopullinen yleispiirustus, mallinnus (Tekla) Lujuuslaskennat (MathCad, FEM-ohjelmat) Detaljisuunnittelu (mallinnus) Lopullinen siltasuunnittelu (siltamalli) Toteutumamalli, elinkaarimalli

28 Siltojen suunnittelua koskevat standardit Eurokoodit (tulivat siltojen osalta voimaan Suomessa )

29 Sillan osat ja tärkeimmät mitat: Embankment ( Penger, keila) Railing Kaide Front wall Etumuuri Total bridge length Sillan kokonaispituus Length of superstructure Kannen pituus Span Jänne(mitta) Superstructure Päällysrakenne 45 Wing wall Siipimuuri 5, Laakeri Bridge seat Laakerialusta Breast or front wall, Etuseinä Main girder Pääkannatin Laakeri Vapaa aukko Ground contour Maan(tien-) pinta Vapaa alikulkukorkeus Backfill excl. surfacing Taustatäyttö Foundation slab Peruslaatta Maatuki Substructure Alusrakenteet Foundation Perustukset Välituki

30 Poikkileikkaus Teräsbetoninen laattapalkkisilta HL = Hyötyleveys, TSV = Tasausviiva Edge Beam Reunapalkki Cantilever plate Laattauloke Laakeripalkki

31 Tiesiltojen kuormat (Liikennevirasto/sillat) Ajoneuvoliikenteen silta (Load Models 1-4): eurokoodi LM1: 1. kaista 2 x 300 kn + 9 kn/m 2 2. kaista 2 x 100 kn + 2,5 kn/m 2 LM1: 2 x 3 m: 4 x 100 kn Kevyen liikenteen silta: eurokoodi LM5: tas. kvl:n kuorma sijoitetaan määräävään kuormitusasentoon (qmax = 5 kn/m 2 ) tai huoltoajoneuvo 120 kn 2,5 kn/m2 L 9 kn/m2 4 x 150 kn L = 16 m qk < 5 kn/m 2 g Mmin Mmax

32 Vaikutusviivat Liikkuvan kuorman määräävät kuormitusasennot (4-aukkoinen silta) Mtuki: q Q Q q s - 1 Mkenttä: q Q Q q + c Qmax: Q Q ,3L L L L

33 Kansirakenteen analysointi FEM-ohjelmalla

34 Siltojen kokeellinen tutkimus Puu-betoni liittopalkkisillan koekuormitus

35 Elinkaarikustannusten huomioonotto (LCC)

36 Ympäristöhaittojen huomiointi (LCA)

37 5. SILTASORTUMIA Tuuli, metallin väsyminen, tukien pettäminen, suunnitteluvirhe etc Tacoman riippusilta. Kuuluisin siltasortuma. Sortui tuulen aiheuttaman vääntövärähtelyn resonanssi (Flutter) Sortui 1940 vain ½ vuotta valmistumisensa jälkeen. Tacoman riippusillan sortuminen vuonna jm 853 m. (U-tube) Nykyisin paikalle on rakennettu on kaksi vierekkäistä riippusiltaa Tacoma Narrows Bridge

38 Viime aikoina tapahtuneita siltasortumia. Minneapolis, USA vuonna 2007 Teräksinen ristikkokaarisilta sortui yhtäkkisesti vaatien useita kuolonuhreja (U-Tube) o Silta oli valmistunut 1967 ja sen kolme pääjännettä olivat 89 m pitkiä o Syy: ristikon teräksisten nurkkalevyjen alimitoitus Missisippi River Bridge, 3 aukkoinen jatkuva teräsristikkosilta. (Wikipedia) Suurten siltasortumien kronologinen lista Wikipediassa (mukana mm. Myllysilta)

39 Siltaonnettomuuksia Suomessa Myllysillan äkillinen notkahdus maaliskuussa v Silta taipui seuraavien päivien aikana lisää ja keskellä painuma oli jo n. 1,4 m Silta purettiin 2010 ja uusi valmistui 2012

40 Ajoneuvojen törmäyksiä Suomessa Laajasalo syksyllä 2010 Turku 2010:

41 6. UUSIA JA TULEVIA SILTOJA Uusi Myllysilta, Turku 2012 Lövön silta, Dragsvik 2013 terässillan asennus nostamalla (video)

42 Kruunuvuoren silta, Helsinki, 20xx? Kansainvälinen siltakilpailu 2013 Palkitut ehdotukset 3. palkinto: 2. palkinto Pontek, Suomi:

43 Voittanut ehdotus: WSP, Suomi WSP

44 Kaarisilta jäästä, Juuka tammikuu 2016

45 7. SILLANSUUNNITTELIJA Hallitsee lujuusopin ja rakenteiden mekaniikan menetelmät (FEM) Osaa hahmottaa ja piirtää (AutoCad, Tekla) On kiinnostunut alasta Tuntee vastuunsa

46