VILLE HAAKANA RASKAIDEN AJONEUVOJEN RENGASTUKSEN VAIKUTUS TIE- RASITUKSEEN

Transkriptio

1 VILLE HAAKANA RASKAIDEN AJONEUVOJEN RENGASTUKSEN VAIKUTUS TIE- RASITUKSEEN Diplomityö Tarkastaja: professori Pauli Kolisoja Tarkastaja ja aihe hyväksytty: Talouden ja rakentamisen tiedekuntaneuvoston kokouksessa 7. toukokuuta 2014

2

3 i TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Rakennustekniikan koulutusohjelma HAAKANA, VILLE: Raskaiden ajoneuvojen rengastuksen vaikutus tierasitukseen Diplomityö, 89 sivua, 0 liitesivua elokuu 2014 Pääaine: Rakennetekniikka Tarkastaja: professori Pauli Kolisoja Avainsanat: raskas ajoneuvo, tierasitus, rengas, paripyörä, super single Työssä on selvitetty raskaiden ajoneuvojen rengastuksen vaikutusta tierasitukseen. Tutkimus jakaantui kolmeen osioon: kirjallisuusselvitykseen, koekohteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmään perustuvaan mallinnukseen. Kirjallisuusselvityksen mukaan raskaiden ajoneuvojen renkaissa on siirrytty 80- luvulta alkaen käyttämään leveitä yksikkörenkaita perinteisten paripyöräasennusten sijaan. Kehityssuunnan on havaittu lisäävän tierasitusta ja edelleen nopeuttavan teiden vaurioitumista. Tämän vuoksi rengasteollisuus on alkanut 2000-luvulla kehittää uuden sukupolven leveitä yksikkörenkaita, joilla voitaisiin korvata perinteisiä paripyöräasennuksia aiheuttamatta kuitenkaan lisää teiden vaurioitumista. Koekohteella instrumentoitiin ja kuormitettiin alemman tieverkon päällystettyä tietä. Kohteella testattiin viittä erityyppistä rengasta: vanhan sukupolven leveitä yksikkörenkaita (385/65R22.5 ja 425/65R22.5), uuden sukupolven leveitä yksikkörenkaita (455/45R22.5 ja 495/45R22.5) sekä perinteistä paripyöräasennusta. Mittauksissa käytettiin kahta akselipainoa 80 kn ja 100 kn. Koekohteessa mitattiin eri rengas- ja akselipainoyhdistelmien aiheuttamia vasteita tierakenteessa. Mitatut vasteet olivat pystysuuntainen jännitys tierakenteesta kolmelta eri tasolta sekä tien pinnan pystysuuntainen siirtymä. Tien kestävyysmallien ja saatujen mittaustulosten perusteella eri rengas- ja akselipainoyhdistelmien kuormitusvastaavuuksia verrattiin 100 kn akselipainoiseen paripyöräasennukseen. Kuormituskokeiden perusteella vanhan sukupolven yksikkörenkaat ovat kuormitusvastaavuudeltaan lähes nelinkertaisia verrattuna paripyöräasennukseen. Uuden sukupolven yksikkörenkaiden kuormitusvastaavuus on edelleen korkeampi kuin paripyöräasennuksella, mutta selvästi matalampi kuin vanhan sukupolven leveillä yksikkörenkailla. Tutkimuksen mallinnusosio tehtiin elementtimenetelmään perustuvalla 3Dmallinnusohjelmistolla. Mallinnusosiossa tehtiin instrumentoidun koekohteen kaltainen rakenne ja mallin verifioinnissa hyödynnettiin koekohteelta saatuja mittaustuloksia. Mallista tarkasteltiin eri rengas- ja akselipainoyhdistelmien aiheuttamia rasituksia ja vertailtiin niitä koekohteella saatuihin tuloksiin. Mallintamalla saatiin vastaavanlaiset tulokset kuin koekohteella, eli paripyörä aiheuttaa vähiten tierasitusta ja vanhan sukupolven leveä yksikkörengas eniten. Kuitenkaan mallintamalla renkaiden kuormituserot eivät tulleet niin voimakkaasti esiin kuin koekohteella tehdyissä mittauksissa.

4 ii ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Civil Engineering HAAKANA, VILLE: Impact of heavy vehicle s tire configuration on road distress Master of Science Thesis, 89 pages, 0 Appendix pages August 2014 Major: Structural design Examiner: Professor Pauli Kolisoja Keywords: heavy vehicle, road distress, tire, tyre, dual assembly, super single, wide-base The aim of the study is to examine the impact of heavy vehicle s tire configuration on road distress. The study is divided in three sections: literature review, experimental measurements and finite element modeling. In the 1980 s wide-base tires have been introduced instead of traditional dual assemblies in heavy vehicles. This progress has been detected to increase stress on road structures and to speed up the damaging of the roads. Thus, tire industry has started to develop a new generation of wide-base tires from the 2000 s. The traditional dual assemblies could be substituted by the new widebase tires without inducing further damages to the road structures. Experimental measurements were conducted by straining a paved local road. In the experimental measurements five different tire types were tested: old generation wide-base tires (385/65R22.5 and 425/65R22.5), new generation widebase tires (455/45R22.5 and 495/45R22.5) and traditional dual assembly. Tires were tested with two different axle loads: 80 kn and 100 kn. Vertical stress of the road structure and vertical displacement of the road surface caused by tested tire types were measured. According to measured stresses and typical Finnish road permanence models different tire and axle load combinations were contrasted with a dual assembly of an axle load of 100 kn. The experiments showed that old generation wide-base tires burden the road fourfold compared to dual assemblies. The new generation wide-base tires caused still higher stresses to the road structure compared to dual assembly, but it was obviously smaller than that of old generation wide-base tires. Modeling part of the study was conducted with a 3D finite element program. Experimental test setup was replicated and the model was verified with the results measured on field. Stresses caused by different tire- and axle load combinations were observed from the model and they were contrasted with the results measured on field. Similar results were obtained by modeling as on the field. The dual assemblies burdened the road the least and the old generation wide-base tires caused the highest stress. Nevertheless, the differences were not as obvious.

5 iii ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Rakennustekniikan laitoksella, Maa- ja pohjarakenteiden yksikössä. Haluan erityisesti kiittää professori Pauli Kolisojaa työni ohjaamisesta ja tarkistamisesta. Suuret kiitokset kuuluvat myös yksikön mallinnusgurulle, diplomi-insinööri Antti Kalliaiselle, joka vastasi tähän työhön liittyvistä mallinnusasioista. Haluan osoittaa kiitokseni myös diplomi-insinööri Heikki Luomalalle sekä insinööri Antti Akkaselle kaikesta avusta koemittausjärjestelyihin liittyen. Eikä missään nimessä sovi unohtaa maaja pohjarakenteiden yksikön loistavaa ja asiantuntevaa työporukkaa, josta olen aina saanut tukea sitä tarvittaessa. Suuret kiitokset kuuluvat siis myös heille. Kiitän myös tuoretta vaimoani, joka on jaksanut kannustaa ja motivoida minua diplomityön teossa. Rengastuksen vaikutus elämäni tiellä on vielä mysteeri, mutta mielelläni lähdin sitä selvittämään. Ville Haakana Tampereella

6 iv SISÄLLYSLUETTELO 1 Johdanto Liikenteen aiheuttama kuormitus tierakenteessa Raskaat ajoneuvot ja niiden suurimmat sallitut massat Kuorma-autotyypit Aiemmin sallitut enimmäismassat Asetusmuutos kokonaismassojen korottamisesta Kerroksellisen joustavan tien rakenne Liikennekuormituksen välittyminen tiehen Renkaan ja tien välinen toiminta Renkaan ja tien pinnan väliset jännitykset Kontaktipinta Pystysuuntainen jännitys Vaakasuuntaiset jännitykset Tierakenteen vaurioituminen liikennekuormituksesta Raskaan kaluston renkaat Renkaan rakenne Ristikudosrengas Ristikudosvyörengas Vyörengas Renkaiden koko ja merkinnät Renkaiden jaottelu Renkaiden jaottelu ajoneuvon akseleiden mukaan Renkaiden jaottelu leveyden mukaan Raskaiden ajoneuvojen rengastuksen vaikutus tierakenteen rasituksiin Tausta Kontaktipinnat rengastyypeittäin Jännitykset rengastyypeittäin Rengastuksen vaikutus tierakenteen vaurioitumiseen Yhteenveto renkaiden aiheuttamista rasituksista tierakenteelle Vesilahden koekohde Kohteen esittely Instrumentointi Vanhat asennukset Täydentävät instrumentoinnit Kuormituskoe Olosuhteet Mittausajoneuvo Kokeen suoritus Rengastukset ja rengaspaineet Mittaustulokset... 47

7 6.1 Vetoautolla saadut mittaustulokset Mittaustulokset 100 kn akselipainolla Paripyöräasennus Super single -renkaat NGWB-renkaat Mittaustulokset 80 kn akselipainolla Paripyöräasennus Super single -renkaat NGWB-renkaat Yhteenveto mittaustuloksista Mitattujen vasteiden vertailu Eri rengastusten kuormitusvaikutusten vertailu Tulosten luotettavuus Olosuhteiden muutokset Renkaiden korkeuserot Siirtymäanturit Kiihtyvyysanturit Painerasiat Sivusuuntaisen etäisyyden mittaus Päätelmät koekohteella tehdyistä mittauksista Mallintaminen Rakennemalli Mallintamisessa käytetyt materiaalimallit Simuloinneissa käytetyt parametrit Mallin verifiointi Mallintamalla saadut tulokset Mallinnettujen ja mitattujen vasteiden vertailu Yhteenveto Jatkotutkimusehdotus Lähteet v

8 vi LYHENTEET JA MERKINNÄT Latinalaiset kirjaimet c E E 50 E oed E ur m s u koheesio kimmomoduuli sekanttimoduuli ödometrimoduuli sekanttimoduuli jännityseksponentti suljettu leikkauslujuus Kreikkalaiset kirjaimet v suhteellinen muodonmuutos dilataatiokulma Poissonin luku leikkauskestävyyskulma jännitys Lyhenteet ja nimitykset BCI SCI Base Curvature Index. Pudotuspainolaitemittauksella saatava taipumasuppiloindeksi, joka kuvaa päällysrakenteen alaosan kerrosten/pohjamaan kuntoa. Surface Curvature Index. Pudotuspainolaitemittauksella saatava taipumasuppiloindeksi, joka kuvaa päällysrakenteen yläosan kuntoa.

9 1 1 JOHDANTO Toimiva liikennejärjestelmä on olennainen osa suomalaista hyvinvointia. Se mahdollistaa ihmisten sekä tavaroiden liikkumisen nopeasti, tehokkaasti ja turvallisesti. Kuitenkin vallitsevassa taloustilanteessa väylien peruskorjaamiseen on varattu entistä vähemmän määrärahoja samaan aikaan kun rakennuskustannukset nousevat. Tästä johtuen liikenneverkko uhkaa rapautua, mikä aiheuttaa häiriöitä henkilöliikenteelle ja heikentää tavarakuljetusten toimitusvarmuutta. Rakennetun omaisuuden tilaa selvittävän ROTi 2013 raportin liikenneverkkoja käsiteltävässä osassa Perusväylänpito kuntoon annettiin koko Suomen liikenneverkolle arvosana 7 ja maantieverkolle 6,5 (ROTi 2013). Raskaat ajoneuvot aiheuttavat suurimmat liikennekuormitukset tiestölle ja vaikuttavat kaikista ajoneuvotyypeistä eniten teiden kestävyyteen ja korjaustarpeeseen. Tämän vuoksi on tärkeää tutkia raskaasta liikenteestä syntyviä rasituksia ja kehittää menetelmiä, joilla teihin kohdistuvia rasituksia saadaan vähennettyä. Tämän diplomityön tavoitteena on arvioida raskaiden ajoneuvojen rengastuksen vaikutusta tierakenteelle tuleviin rasituksiin. Tutkimus liittyy Liikenneviraston käynnistämään Massat ja mitat - projektiin, jossa tehtiin erilaisia selvityksiä tierakenteiden kestävyydestä. Projekti liittyi vanhan ajoneuvoasetuksen muutosasetukseen, joka astui voimaan Uusi asetusmuutos sallii Suomen tiestölle yhdistelmäajoneuvojen suurimmaksi kokonaismassaksi 76 tonnia vanhan 60 tonnin sijaan. Lisäksi suurin sallittu ajoneuvon korkeus nousi 4,2 metristä 4,4 metriin. Asetusmuutoksella pyritään parantamaan Suomen kilpailukykyä pienentämällä tavarakuljetusten kustannuksia. Liikenneviraston arvioiden mukaan logistiikkakustannuksissa säästetään ensimmäisten vuosien aikana 60 miljoonaa euroa ja tämän jälkeen säästöt kasvaisivat vuositasolla 200 miljoonaan euroon (LVM 2012). Työ jakaantuu kolmeen osaan: kirjallisuusselvitykseen, koekohteessa tehtäviin mittauksiin ja mallinnukseen. Kirjallisuusselvityksen päätavoitteena on selvittää, millaisen kuormitusjakauman tien pintaa vasten painunut ajoneuvon rengas aiheuttaa ja mitkä muuttujat vaikuttavat kuormituksen suuruuteen. Sekä koekohteessa tehtävien mittausten että mallinnuksen tavoitteena on selvittää ajoneuvon rengastuksen vaikutusta tielle muodostuvien rasitusten suuruuteen. Koekohteesta saatuja mittaustuloksia käytetään mallinnuksen verifiointiin. Selvitettyjen rasitusten ja nykyisten tien kestävyysmallien avulla pyritään arviomaan raskaiden ajoneuvojen rengastuksen vaikutusta teiden kestävyyteen.

10 2 2 LIIKENTEEN AIHEUTTAMA KUORMITUS TIERAKENTEESSA Liikenne muodostaa pääasiallisen kuormituksen tierakenteelle. Lisäksi tierakennetta rasittavat ympäristötekijät kuten routa, lämpötilan muutokset, sade, lumi ja auringon säteily. Liikenne koostuu hyvin erilaisista ajoneuvoista aina mopoista täysperävaunurekkoihin, joiden kuormitusvaikutukset tierakenteelle ovat hyvin erisuuruisia. Esimerkiksi noin tonnin painoinen henkilöauto rasittaa tierakennetta huomattavasti vähemmän kuin usean kymmenen tonnin painoinen tukkirekka. Raskaat ajoneuvot ja eritoten kuorma-autot ovat liikenneväylien rakenteellisen suunnittelun kannalta määräävimmät ajoneuvotyypit. (Ehrola 1996) 2.1 Raskaat ajoneuvot ja niiden suurimmat sallitut massat Kuorma-autotyypit Kuorma-autot luokitellaan neljään perustyyppiin: kuorma-auto ilman perävaunua, puoliperävaunullinen kuorma-auto ja kuorma-autoperävaunuyhdistelmä ja täysperävaunullinen kuorma-auto (Ehrola 1996). Kuorma-autotyypit poikkeavat toisistaan muun muassa suurimpien sallittujen mittojen ja massojen sekä akselien lukumäärän ja sijoittelun perusteella. Kuorma-autotyypit on esitetty kuvassa 2.1. Kuva 2.1 Kuorma-autojen perustyypit. (Mukailtuna Ehrola 1996) Aiemmin sallitut enimmäismassat Suomen teillä liikkuvien ajoneuvojen suurimmat sallitut akseli- ja telimassat, autojen kokonaismassat sekä auton ja perävaunun yhdistelmien kokonaismassat määritellään valtioneuvoston asetuksessa Asetus ajoneuvojen käytöstä tiellä /1257. Vuo-

11 3 den 2013 lokakuun alkuun asti suurimmat sallitut ajoneuvojen massat oli määritelty asetusmuutoksessa Asetus ajoneuvojen käytöstä tiellä annetun asetuksen muuttamisesta 670/1997. Vuoden 1997 asetusmuutoksen mukaan yksittäisen ajoneuvon suurin sallittu kokonaismassa on tonnia riippuen akselien lukumäärästä, ajoneuvon rengastuksesta sekä jousituksesta. Auton ja perävaunun yhdistelmän suurin sallittu kokonaismassa on tonnia riippuen akselien lukumäärästä sekä perävaunun ominaisuuksista. Suurin sallittu akselimassa vetävälle akselille on 11,5 t ja muille yksittäisakseleille 10 t. Suurimmat sallitut ajoneuvojen telimassat ovat kaksiakseliselle telille 11,5 19 t ja kolmiakseliselle telille t. Vastaavasti perävaunuille suurimmat sallitut telimassat ovat t kaksiakseliselle telille ja t kolmiakseliselle telille. (Asetus ajoneuvojen käytöstä tiellä annetun asetuksen muuttamisesta 1997) Asetusmuutos kokonaismassojen korottamisesta Lokakuussa 2013 voimaan tulleessa asetusmuutoksessa Valtioneuvoston asetus ajoneuvojen käytöstä tiellä annetun asetuksen muuttamisesta, 407/2013 korotettiin ajoneuvojen suurimpia sallittuja kokonaismassoja sekä ajoneuvon korkeutta. Asetuksessa on määritelty sekä pysyviä korotuksia että viiden vuoden siirtymäajalle määräaikaisia korotuksia. Määräaikaiset korotukset ovat voimassa huhtikuun 30. päivään 2018 asti. Asetuksen voimaantulon jälkeen ajoneuvon ja perävaunun yhdistelmän suurin sallittu kokonaismassa nousi 76 tonniin. Samalla myös ajoneuvon suurin sallittu korkeus nousi 4,20 metristä 4,40 metriin. Myös suurimmat sallitut telimassat nousivat kaksi-akselisen telin osalta 21 tonniin ja kolmiakselisen telin osalta 27 tonniin. Asetuksen voimaantulon tuomat muutokset suurimpiin sallittuihin massoihin on esitetty taulukoissa 2.1 ja 2.2. (Valtioneuvoston asetus ajoneuvojen käytöstä tiellä annetun asetuksen muuttamisesta 2013)

12 4 Taulukko 2.1 Pysyvät sekä siirtymäajan muutokset suurimpiin sallittuihin massoihin. (Asetus ajoneuvojen käytöstä tiellä annetun asetuksen muuttamisesta 1997, valtioneuvoston asetus ajoneuvojen käytöstä tiellä annetun asetuksen muuttamisesta 2013) Kuorma-auto-/telityyppi Enimmäismassa Enimmäismassa ennen asetuksen asetuksen voimaantulon voimaantuloa jälkeen Neliakselinen kuorma-auto 1) 32 t 35 t Viisiakselinen kuorma-auto 38 t 42 t Kahdeksanakselinen ajoneuvoyhdistelmä 60 t 64 t Kahdeksanakselinen ajoneuvoyhdistelmä 2) 60 t 68 t Vähintään yhdeksänakselinen ajoneuvoyhdistelmä 60 t 69 t Vähintään yhdeksänakselinen ajoneuvoyhdistelmä 60 t 76 t 2) Kuorma-auton kaksiakselinen teli 3) 18/19 t 21 t Kuorma-auton kolmiakselinen teli 4) 24 t 27 t Siirtymäajan aikaiset suurimmat sallitut massat: Kaksiakselinen kuorma-auto 18 t 20 t Kolmiakselinen kuorma-auto 1) 26 t 28 t Seitsemänakselinen ajoneuvoyhdistelmä 60 t 64 t 1) Vetävä akseli varustettu paripyörin ja ilmajousitettu tai varustettu ilmajousitusta vastaavaksi tunnustetulla jousituksella taikka jos kukin vetävä akseli on varustettu paripyörin eikä yhdellekään akselille kohdistuva massa ylitä 10,5 tonnia. 2) Jos vähintään 65 % perävaunun massasta tai perävaunujen massasta yhteensä kohdistuu akseleille, jotka on varustettu paripyörin. 3) Akseliväli vähintään 1,3 metriä mutta pienempi kuin 1,8 metriä ja telin kumpikin akseli on varustettu paripyörin sekä ilmajousitettu tai varustettu ilmajousitusta vastaavaksi tunnustetulla jousituksella taikka jos telin kumpikin akseli on vetävä ja varustettu paripyörin eikä yhdellekään akselille kohdistuva massa ylitä 10,5 tonnia 4) Akselien etäisyys vähintään 1,3 metriä ja vähintään kaksi telin akseleista on varustettu paripyörin. 2.2 Kerroksellisen joustavan tien rakenne Tierakenteen pitää kestää erityyppisiä ympäristön ja liikenteen aiheuttamia rasituksia. Rakenteen tulee pystyä rajoittamaan ja tasaamaan tien alusrakenteen routimisen synnyttämät routanousut ja kantavuuden vaihtelut. Rakenteen pitää kestää lämpötilojen vaihtelusta johtuvat termiset kuormitukset sekä kosteustilan vaihtelusta syntyvät rakennemateriaalien kantavuudenvaihtelut. Liikennekuormituksen osalta rakenteen tulee kestää toistuvasta liikennekuormituksesta aiheutuvat kuormitus- ja kulutusrasitukset. (Ehrola 1996) Tierakenne jaetaan alusrakenteeseen ja päällysrakenteeseen. Alusrakenteella tarkoitetaan tielinjan leikkauksen kohdalla luonnontilaista pohjamaata tai penkereen kohdalla

13 5 pengertäytettä. Päällysrakenteiden perustyypit ovat joustavat, puolijäykät ja jäykät päällysrakenteet sekä kiveys- ja sorapäällysteiset tiet. Tässä työssä keskitytään vain teihin, joissa on joustava päällysrakenne. Joustava päällysrakenne koostuu tavallisesti useista kerroksista, joista päällyste on bitumisella sideaineella sidottu joustava kerros ja sen alapuoliset kerrokset ovat sitomattomia kerroksia. Sidotut kerrokset ovat normaalissa rakenteessa kulutuskerros ja kantavan kerroksen yläosa. Sitomattomat kerrokset koostuvat kantavasta, jakavasta ja suodatinkerroksesta. Tyypillisen joustavan päällysrakenteen kerrokset on esitetty kuvassa 2.2. (Ehrola 1996) Kuva 2.2 Joustavan päällysrakenteen rakennekerrokset. (Ehrola 1996) Tien kulutuskerroksen toiminnallisena tehtävänä on luoda tien pinta, joka on käyttäjälleen turvallinen, miellyttävä ja taloudellinen ajaa. Kulutuskerroksen rakenteellisena tehtävänä on muodostaa tierakenteelle vedeltä suojaava katto. Sidottuna kerroksena kulutuskerros lisää myös merkittävästi tierakenteen kokonaisjäykkyyttä, mikäli päällysteen paksuus ja laatu ovat riittävät. Kulutuskerrosmateriaaleina voidaan käyttää erilaisia asemasekoitteisia massoja, joita ovat mm. asfalttibetoni, epäjatkuva asfaltti, kivimastiksiasfaltti, valuasfaltti, avoin asfaltti ja pehmeä asfalttibetoni. (Ehrola 1996) Kantavan kerroksen tehtävänä on muodostaa pohja sen päälle tulevalle päällysteelle. Lisäksi kantavan kerroksen tulee muodostaa päällysteelle niin kantava alusta, etteivät päällysteen taivutusvetojännitykset kasva liian suuriksi, mikä voisi aiheuttaa päällysteen ennenaikaista vaurioitumista. Kantava kerros voidaan tehdä joko yhtenä sitomattomana kerroksena tai kahtena kerroksena, siten että alempi kerros on sitomaton ja ylempi on sidottu. Sitomattomaan kerrokseen käytetään murskattua kiviainesta, jonka suositeltavin maksimiraekoko on mm. Sidottu yläosa tehdään kantavan kerroksen asfalttibetonista (ABK), jonka maksimiraekoko on mm. (Ehrola 1996)

14 6 Jakavalla kerroksella on nimensä mukaisesti tehtävänä jakaa liikenteen aiheuttamat kuormat riittävän laajalle alueelle, ettei alusrakenteelle kohdistu liian suuria pystysuuntaisia puristusjännityksiä suhteessa sen materiaaliominaisuuksiin. Jakavalla kerroksella on myös oma osuutensa rakenteen kuivatuksen kannalta. Jakava kerros katkaisee kapillaarisen vedennousun päällysrakenteen yläosaan ja johtaa rakenteeseen suotautuneet vedet tien sivuille. Jakavana kerroksena käytetään luonnonsoraa tai murskattua kiviainesta. (Ehrola 1996) Suodatinkerroksen tärkeimpänä tehtävänä on estää päällysrakenteen ja alusrakenteen sekoittuminen toisiinsa. Lisäksi suodatinkerroksen tulee toimia kapillaarikatkona. Suodatinkerros tehdään yleensä routimattomasta hiekasta. (Ehrola 1996) Kerroksellisessa rakenteessa on kaksi selkeää etua. Ensinnäkin kerroksellinen rakenne mahdollistaa erilaatuisten materiaalien käytön eri kohdissa rakennetta. Lähelle tien pintaa tuleviin kerroksiin käytetään korkealaatuisia materiaaleja, koska tielle tuleva rasitus on suurimmillaan tien pinnassa ja sen läheisyydessä. Alemmat kerrokset voidaan tehdä heikkolaatuisimmista materiaaleista, sillä ylemmät kerrokset jakavat rasitusta, jolloin alemmille kerroksille tulevat rasitukset ovat selkeästi pienempiä. Toiseksi, kerroksellisella rakenteella saadaan rakenteelle paksuutta, mikä parantaa rakenteen kestävyyttä routimista vastaan. (Ehrola 1996) 2.3 Liikennekuormituksen välittyminen tiehen Liikennekuormituksen välittyminen tierakenteelle on monivaiheinen ja monimutkainen prosessi. Määräävin tekijä kuormituksen suuruuteen on ajoneuvon kokonaiskuorma. Kokonaiskuorma välittyy ajoneuvon jousituksen kautta akseleille, akseleilta renkaille ja renkailta edelleen tien pintaan. (Ehrola 1996). Kuvassa 2.3 on esitetty kuorma-auton tiekuormituksen syntyminen ja kuormitukseen vaikuttavat tekijät.

15 7 Kuva 2.3 Kuorma-auton aiheuttaman tiekuormituksen syntyminen ja kuormitukseen vaikuttavat tekijät. (Ehrola 1996) Akselikuormien suuruuteen vaikuttaa akselien lukumäärä, ajoneuvon akselistorakenne ja jousitus sekä kuormien jakautuminen eri akseleiden välillä. Akselistorakenteina käytetään yksittäisakselia tai erilaisia teliakseleita. Akselikuorman suuruuteen vaikuttaa myös jousituksen toiminta, joka vaikuttaa tien epätasaisuuksista johtuvien akselistoihin syntyvien dynaamisten voimien suuruuteen ja kuormituksen jakautumiseen eri akselien välillä. (Ehrola 1996) Ajoneuvon renkailta tulevien kuormitusten suuruuteen vaikuttaa akselikuormien suuruus, renkaiden lukumäärä ja renkaalta tulevan kuormituksen jakautuminen tien pintaan. Akseleilla olevien renkaiden kuormitukset voivat myös jakautua epätasaisesti, jolloin yksittäiseltä renkaalta tuleva kuormitus voi olla huomattavastikin keskimääräistä rengaskuormaa suurempi tai pienempi. Epätasainen kuormituksen jakautuminen renkaiden välillä voi johtua muun muassa rengaspaineiden erosta ja dynaamisesta kuormituksesta. Lopullinen ajoneuvosta tiehen kohdistuva kuormitus on kaikkien rengaskuormien yhteisvaikutus. Rengaskuorman suuruuden ohella myös kuorman jakautuminen tien pintaan vaikuttaa oleellisesti syntyvään tierasitukseen. (Ehrola 1996) 2.4 Renkaan ja tien välinen toiminta Kuormitetun renkaan alla sekä t ien pinta että koko tierakenne taipuvat. Tällöin renkaalta tuleva kuormitus aiheuttaa erilaisia jännityksiä paitsi kuormittavan renkaan läheisyyteen mutta myös muualle tierakenteeseen. Vaikutusalueet voidaan jakaa asfalttipäällysteen tapauksessa neljään erilaiseen jännitysalueeseen (ks. kuva 2.4): 1. Kolmiaksiaalinen puristus päällysteen yläosassa renkaan alapuolella. 2. Pituus- ja poikkisuuntainen vetojännitys sekä pystysuuntainen puristusjännitys päällysteen alaosassa.

16 8 3. Pituus- ja poikkisuuntainen vetojännitys kuormituksen vaikutusalueen reunoilla päällysteen yläosassa. 4. Pituus- ja poikkisuuntainen puristusjännitys kuormituksen vaikutusalueen reunoilla päällysteen alaosassa. (Ehrola 1996) Kuva 2.4 Tien pinnan taipuminen kuormitetun renkaan seurauksena ja siitä syntyvät jännitykset tien päällystekerroksessa. (Ehrola 1996) Lisäksi päällysteen alapuolisille sitomattomille rakennekerroksille muodostuu kolmiaksiaalinen puristusjännitystila, sillä sitomattomat kerrokset eivät pysty vastaanottamaan vetojännityksiä. Tierakenteessa tietyssä pisteessä oleva jännitystila riippuu siis myös renkaan sijainnista kyseisen tarkkailupisteen suhteen. Koska tietä kuormittava rengas on tyypillisesti liikkeessä, myös rakenteeseen muodostuvat jännitystilat vaihtelevat renkaan liikkuessa niin suuruudeltaan kuin suunnaltaan. Kuvassa 2.5 on havainnollistettu normaali- ja leikkausjännitysten kulkua tierakenteessa, kun rengas lähestyy ja ylittää tietyn tarkkailupisteen.

17 9 Kuva 2.5 Normaali- ja leikkausjännitysten kulku tierakenteessa ajoneuvon pyörän lähestyessä ja ylittäessä tarkkailupisteen. (Ehrola 1996, s. 41) Kuvan 2.5 mukaisesti renkaan lähestyessä tarkastelupistettä päällysteen pintaosaan kehittyy tien pituussuunnassa ensin vaakasuoran normaalijännityksen veto-osuus (ks. vasemmanpuoleisin pyöräkuva). Kun rengas tulee lähemmäksi tarkkailupistettä, veto muuttuu puristusjännitykseksi, joka saavuttaa maksimiarvonsa renkaan ollessa tarkkailupisteen päällä. Kuorman ohittaessa tarkkailupisteen, päällysteen pintaosan puristusjännitys pienenee ja muuttuu etäämpänä jälleen vetojännitykseksi, kunnes renkaan kuormitusvaikutus poistuu lopulta kokonaan. Päällysteen alaosan vaakasuora normaalijännitys on päällysteen yläosan peilikuva. Tierakenteen sitomattomiin kerroksiin muodostuu vain puristusta, koska sitomaton maamateriaali ei pysty vastaanottamaan vetojännitystä. (Ehrola 1996) Pyöräkuorman synnyttämä pystysuora normaalijännitys tierakenteessa on puristusta ja saavuttaa suurimman arvonsa tarkkailupisteessä. Leikkausjännitys vaihtaa suuntaansa pyöräkuorman ollessa tarkkailupisteen kohdalla ja on suurimmillaan, kun pyöräkuorma on jonkin matkan etäisyydellä tarkkailupisteestä. (Ehrola 1996) Tien poikittaissuunnassa jännitysten vaihtelu on pääosin samanlainen kuin pituussuunnassa. Tosin sillä erotuksella, että renkaan kulkulinjalla ei tule jännitysten suunnanmuutoksia kuten pituussuunnassa. Tämän vuoksi esimerkiksi poikittainen vaakasuora normaalijännitys on päällysteen alaosassa vain vetoa. (Ehrola 1996)

18 Renkaan ja tien pinnan väliset jännitykset Renkaan painuessa tien pintaa vasten muodostuu kontaktipinta, jonka kautta jännitykset siirtyvät tierakenteelle. Yksittäiseltä renkaalta tiehen kohdistuvat jännitykset jakaantuvat kolmeen komponenttiin: pystysuuntaiseen, renkaan kulkusuunnan ja kulkusuuntaa vasten poikittaisen suuntaiseen jännitykseen. Jännitysten suuruudet riippuvat pääasiassa renkaan rakenteesta, renkaan ilmanpaineesta ja renkaalle kohdistuvasta kuormasta Kontaktipinta Rengas on kahteen suuntaan kaareva pinta. Renkaan ulkokehä muodostaa yhden kaaren ja renkaan pinta muodostaa toisen. Kahteen suuntaan kaarevaa pintaa ei voi asettaa tasoksi pelkästään taivuttamalla, vaan renkaan rakennetta täytyy lisäksi puristaa ja venyttää. (Glent et al. 2006) Kontaktipinnan muotoon ja kokoon vaikuttaa oleellisesti renkaalle kohdistuva kuorma, renkaan rakenne, renkaan ilmanpaine, ajoneuvon nopeus sekä renkaan asento tienpintaan nähden (renkaan kallistuskulma ja ajoradan kaltevuus) (Ehrola 1996). Kuvassa 2.6 on esitetty tien ja kuorma-auton renkaan (385/55R22.5) välinen kontaktipinta. Kuva 2.6 Renkaan ja tien välinen kontaktipinta (rengastyyppi 385/55R22.5, ilmanpaine 800 kpa ja kuorma 40 kn). Kun tarkastellaan tasaisella alustalla olevaa tiettyä kuormitettua rengasta, alustan ja renkaan kontaktipinnan muoto ja koko riippuu pitkälti renkaan kuormasta ja ilmanpaineesta. Kun renkaan kuormaa kasvatetaan, rengas painuu enemmän tietä vasten ja kontaktipinnan ala kasvaa. Vastaavasti rengaspaineen alentaminen johtaa myös renkaan suurempaan painumiseen tietä vasten, mikä kasvattaa kontaktipinnan alaa. Käytännössä kuitenkin renkaan suorituskyvyn säilyttämiseksi joudutaan renkaan painumista tietä vasten rajoittamaan. Jotta rengas toimisi optimaalisesti eli pystyisi kantamaan sille tulevat kuormat, säilyttäisi ajo-ominaisuutensa ja voisi pyöriä tarvittavaa nopeutta lämpenemättä liiaksi, ovat rengasvalmistajat määrittäneet optimaaliset ilmanpaineet tietyille kuormille. Nykyaikaisilla vyörenkailla optimi-ilmanpaineella renkaan ja tien välinen kontaktipinta on tyypillisesti lähes suorakaiteen muotoinen, kuten kuvasta 2.6 voidaan

19 11 havaita. Jos ilmanpainetta kasvatetaan tai kuormaa vähennetään kontaktipinta alkaa lähestyä ympyrämuotoa. (Ehrola 1996; COST ; Owende et al. 2001) Pystysuuntainen jännitys Pystysuuntaisen jännityskentän suuruus ja muoto riippuu oleellisesti renkaalle kohdistuvan kuormasta ja käytettävästä ilmanpaineesta (Ehrola 1996). Lisäksi renkaan kuviointi erottaa erisuuruiset jännitykset toisistaan, jolloin kuvioinnilla on oma vaikutuksensa pystysuuntaisen jännitysjakauman suuruuteen ja muotoon. Kuvassa 2.7 on esitetty esimerkki yksittäisen vyörenkaan ja tien välisestä pystysuuntaisesta jännitysjakaumasta optimaalisilla rengaspaineilla. Kuva 2.7 Pystysuuntainen jännitysjakauma vapaasti rullaavalla 12R22,5-renkaalla, 25kN kuormalla ja 520 kpa ilmanpaineilla. Kuvasta on selkeästi havaittavissa kuvioinnin vaikutus jännitysjakaumaan. Suurin jännityksen arvo 860 kpa. (de Beer & Fisher 2013) Kuvasta 2.7 on eroteltavissa viisi erillistä huippua, jotka sijoittuvat renkaan kuvioiden alle. Renkaan kulkusuuntaan nähden sivulta katsottuna (x-z-taso) tyypillisen jännitysjakauman muoto noudattelee kellokäyrää tai puolisuunnikasta, jossa on pyöristetyt kulmat. Kuvasta voi myös havaita, että suurimmat jännitykset ovat yli 800 kpa eli huomattavasti suurempia kuin optimaalinen rengaspaine (520kPa). Ilmanpaineella on merkittävä vaikutus renkaan alle muodostuvan pystysuuntaisten jännitysjakaumien muotoon ja suuruuteen. Suurilla ilmanpaineilla suhteessa kuormaan renkaan ja tien välinen kontaktipinta pienenee ja rengas alkaa kantaa keskeltä, jolloin suurimmat jännitykset muodostuvat renkaan keskialueelle (ks. kuva 2.8). Optimaalisilla ilmanpaineilla suhteessa kuormaan pystysuuntaisesta jännitysjakaumasta tulee lähes tasainen. Alhaisilla ilmanpaineilla renkaan ja tien välinen kontaktipinta suurenee suhteessa optimitilanteeseen. Matalasta ilmanpaineesta johtuen rengas alkaa pullottaa ja

20 12 rengas leviää vanteen ulkopuolelle. Vanteiden ulkopuolella vaikuttava ilmanpaineen pystysuuntainen komponentti kasvattaa uloimman rengaskuvioinnin alle muodostuvaa puristusjännitystä ja vanteen taivutusrasitusta. Tällöin rengas alkaa kantaa vanteen reunoilta, jolloin jakaumasta tulee M-kirjaimen muotoinen ja siinä on kaksi jännityshuippua uloimpien kuvioiden kohdalla (ks. kuva 2.9). (Ehrola 1996; Douglas 2009) Kuva 2.8 Kuorma-auton paripyörärenkaan 12R22.5 pystysuuntaisen jännityksen jakauma renkaan poikkisuunnassa erilaisilla rengaskuormilla- ja paineilla. (Krarup 1994, Ehrola 1996 mukaan) Kuva 2.9 Pystysuuntaisen jännityksen jakautuminen alhaisilla ilmanpaineilla suhteessa renkaalle tulevaan kuormaan. (Douglas 2009)

21 13 Kun arvioidaan renkaalta tulevaa rasitusta esimerkiksi tierakenteen suunnittelussa, pystysuuntainen jännitysjakauma oletetaan usein ympyränmuotoiseksi tasajakautuneeksi puristusjännitykseksi. Jännityksen suuruus myös tyypillisesti oletetaan olevan renkaassa olevan ilmanpaineen suuruinen. Useissa tutkimuksissa on kuitenkin osoitettu (de Beer et al 1997; Myers et al 1999; Douglas 2009), että näin ei suinkaan ole, vaan jännityksen suuruus voi olla huomattavasti suurempi kuin renkaassa oleva ilmanpaine. Esimerkiksi Myers et al. (1999) tekemässä kokeellisessa tutkimuksessa havaittiin normaalisti kuormitetun renkaan aiheuttavan jopa 2,5-kertaisia pystysuuntaisia jännityksiä verrattuna renkaan ilmanpaineeseen Vaakasuuntaiset jännitykset Kun rengas litistyy kuorman vaikutuksesta tien pintaa vasten, syntyy pystysuuntaisen puristusjännityksen lisäksi renkaan ja tienpinnan välisen kitkan ansiosta vaakasuuntaisia jännityksiä (Douglas 2009). Vaakasuuntaiset jännitykset jaetaan renkaan kulkusuuntaan nähden pitkittäis- ja poikittaissuuntaisiin jännityksiin. Paikallaan olevan renkaan aiheuttamat jännitykset suuntautuvat renkaan reunoilta kohti keskikohtaa kuvan 2.10 a) mukaisesti. Vapaasti pyörivä rengas aiheuttaa lisää vaakasuuntaisia voimia kuvan 2.10 b) mukaisesti. Pyörivän renkaan pituussuuntaiset leikkausjännitykset syntyvät renkaan deformoituneen ja deformoitumattoman osan välisen nopeuseron synnyttämästä liukumisesta renkaan kulkusuunnassa. Poikittaissuuntaiset leikkausjännitykset muodostuvat renkaan reunan ja pintakuvion välisen jäykkyyseron aiheuttamasta liukumisesta ja renkaan pintakuvion kuroutumisesta kohtisuoraan renkaan kulkusuuntaan nähden. (Jacobs et al 1992) Kuva 2.10 Tien pinnan ja renkaan väliseen kosketuspintaan muodostuvat vaakasuuntaiset jännitykset a) paikallaan oleva rengas b) vapaasti pyörivä rengas (Kuva muokattu Tielking & Roberts 1987) Tyypilliset vaakasuuntaisten jännitysten jakaumat on esitetty kuvissa 2.11 ja Vaakasuuntaiset jännitykset ovat selvästi pienempiä verrattuna kuormitetun renkaan aiheuttamiin pystysuuntaisiin jännityksiin. Esimerkiksi de Beer & Fisher (2013) mittaamat suurimmat vaakasuuntaiset jännitykset 12R22.5-renkaalla ovat vain noin kuudesosan suurimmasta mitatusta pystysuuntaisesta jännityksestä (ks. kuvat 2.7, 2.11, 2.12). Myös

22 14 muissa kokeellisissa tutkimuksissa (Douglas 2009; Anghelache & Raluca 2012) eri renkailla mitattujen pysty- ja vaakajännitysten suuruudet toistensa suhteen ovat samaa luokkaa. Kuva 2.11 Poikittaissuuntaisen vaakajännityksen jakauma vapaasti rullaavalla 12R22,5-renkaalla, 25kN kuormalla ja 520 kpa ilmanpaineilla. Suurin jännityksen arvo 146 kpa. (de Beer & Fisher 2013) Kuva 2.12 Pitkittäissuuntaisen vaakajännityksen jakauma vapaasti rullaavalla 12R22,5-renkaalla, 25kN kuormalla ja 520 kpa ilmanpaineilla. Suurin jännityksen arvo 129 kpa. (de Beer & Fisher 2013)

23 Tierakenteen vaurioituminen liikennekuormituksesta Liikennekuormituksen aiheuttamat vauriot tierakenteelle ovat erilaiset rakenteen väsymisvauriot sekä tien epätasaisuuden lisääntyminen tien pituus- että poikittaissuunnassa. Väsymisvauriot johtuvat toistuvien liikennekuormien aiheuttamista vetojännityksistä tierakenteessa. Vauriot alkavat ajourien kohdalla pääosin pituussuuntaisina väsymishalkeamina. Vaurioitumisen jatkuessa tiehen muodostuvien halkeamien määrä kasvaa ja päällysteeseen syntyy monikulmiomaisia repeämiä (ks. kuva 2.13). (Ehrola 1996) Kuva 2.13 Väsymishalkeamia tien pituussuunnassa. (Roadex E-Learning, 2014) Tien poikittaissunnassa tapahtuva epätasaisuuden lisääntyminen eli urautuminen on yksi näkyvimmistä liikennerasituksen aikaansaamista vaurioista (ks. kuva 2.14). Urautuminen kohdistuu pääosin ajoneuvojen ajolinjojen kohdille. Tien kokonaisurautuminen koostuu neljästä tekijästä, jotka ovat: päällysteen kuluminen, päällysteen deformoituminen ja sitomattomien rakennekerrosten sekä alusrakenteen deformoituminen. Suomessa merkittävin yksittäinen tekijä teiden urautumiseen on nastarenkaiden käyttö, mikä kuluttaa päällystettä. (Ehrola 1996) Kuva 2.14 Päällystetyn tien urautumista. (Roadex E-Learning, 2014) Alemman tason teiden vaurioitumismekanismeihin keskittyneissä ROADEXprojekteissa (Roadex E-learning 2014) tehtyjen havaintojen perusteella urautuminen

24 16 voidaan jakaa neljään eri tyyppiin (0-3), riippuen siitä missä kohtaa rakennetta urautumista tapahtuu. Tyypin 0 urautumista tapahtuu välittömästi tien rakentamisen jälkeen, kun rakennekerrokset tiivistyvät kuormituksen alla. Tyypin 1 urautumista tapahtuu, kun renkaan alla ja sen välittömässä läheisyydessä olevissa sitomattomissa kerroksissa tapahtuu plastista leikkautumista. Tällöin tien pinta kohoaa ajouran ympärillä ja samalla materiaali löyhtyy. Tyypin 2 urautumista tapahtuu, kun sitomaton päällyskerros on hyvälaatuista, jolloin rakenne urautuu kokonaisuudessaan. Tällöin tien rakennekerrokset mukailevat pohjamaan muodonmuutoksia, eikä rakenteiden paksuus muutu. Tyypin 3 urautuminen eli päällysteen kuluminen johtuu lähinnä renkaiden aiheuttamasta kulutuksesta. Alemman tason teillä tien kokonaisurautumisen kannalta renkaiden aiheuttama päällysteen kuluminen on hyvin mitätön verrattuna muiden urautumistyyppien aiheuttamiin deformaatioihin. Kuvassa 2.15 on esitetty eri urautumistyypit. (Roadex E- Learning) Kuva 2.15 Liikennekuormituksen aiheuttamat urautumistyypit. (lainattu muokattuna Roadex e-learning)

25 17 3 RASKAAN KALUSTON RENKAAT Raskaaseen kalustoon kuuluvat kuorma-autot ja niiden perävaunut sekä linja-autot. Kyseisiä ajoneuvoja käytetään hyvin erilaisissa käyttöympäristöissä, jolloin myös niiden renkailta vaaditaan tietynlaisia ominaisuuksia. Renkaat ovat yksi suurimmista tekijöistä, jotka vaikuttavat liikkuvan ajoneuvon ominaisuuksiin. Renkaan päätehtävänä on luoda kosketuspinta ajoneuvon ja tien välille ja tätä kautta välittää kaikki ajoneuvosta tulevat voimat tierakenteelle. Lisäksi rengas tarjoaa ajoneuvon ja tien välille kitkaa, joka mahdollistaa ajoneuvon kiihdyttämisen, jarruttamisen ja ohjaamisen. Edelleen nykyaikaiset ilmatäytteiset renkaat pystyvät jousituksen kanssa vaimentamaan tien epätasaisuudesta johtuvia iskuja, jolloin ajoneuvon hallittavuus ja kuljettajan matkustusmukavuus paranee. 3.1 Renkaan rakenne Rengas on suhteellisen pehmeä tai taipuisa pneumaattisesti esikuormitettu rakenne (Glent et al. 2006). Nykyään on käytössä kolmea erityyppistä ilmatäytteistä rengasta: ristikudos-, ristikudosvyö- ja vyörenkaita. Näistä ristikudosrenkaat olivat aikoinaan yleisesti käytössä, mutta nykyään vyörenkaat ovat syrjäyttäneet ne tieliikennekäytössä mm. pienemmän vierintävastuksen ja paremman ohjattavuuden ansiosta (Naskali 2010). Erilaiset rengastyypit on esitetty kuvassa 3.1. Kuva 3.1 Erilaiset rengastyypit ylhäältä vasemmalta luetellen: ristikudos-, ristikudosvyö- ja vyörengas. (Glent et al. 2006)

26 Ristikudosrengas Ristikudosrenkaan runko muodostuu useista päällekkäisistä kudoskerroksista, jotka ovat alle 90 asteen kulmassa renkaan pyörimissuuntaan nähden (ks. kuva 3.1). Ristikkäisestä kudosrakenteesta johtuen ristikudosrenkaan sivut ovat tukevat ja jäykät. Koska ristikkäiset kudokset yhdistävät renkaan kuvioinnin ja sivuseinämät, ne toimivat tällöin yhdessä. Eli kun renkaan sivuseinämä taipuu renkaalle tulevan kuorman vaikutuksesta, samalla myös kulutuspinta vääntyy, mikä johtaa rengasta kuluttavien voimien syntymiseen (ks. kuva 3.2). Kulutuspinnan vääntyminen heikentää myös tien ja renkaan välistä kontaktia. Lisäksi ristikkäisten säikeiden leikkausrasituksesta johtuen rengas lämpenee käytössä merkittävästi, mikä johtaa renkaan ennenaikaiseen kulumiseen. (Michelin 2008) Kuva 3.2 Ristikudosrenkaan käyttäytyminen renkaalle kohdistuvan kuorman vaikutuksesta. Kun renkaalle kohdistuu kuormaa, sivuseinämät taipuvat ja renkaan kulutuspinta vääntyy. (Michelin 2008) Ristikudosvyörengas Kuten nimi jo kertoo, kyseinen rengastyyppi on ristikudosrengas, jossa on lisätty vöitä renkaan kuvioinnin jäykistämiseksi (ks. kuva 3.1). Vöiden ansiosta rengas kuluu tasaisemmin ja ajoneuvon ohjattavuus paranee. Heikkoutena tällä rengastyypillä on edelleen suuri lämmönkehitys kuten tavallisilla ristikudosrenkailla. Lisäksi renkaan valmistaminen on kallista. (Glent et al. 2006) Vyörengas Nykyään lähes kaikki raskaan kaluston renkaat ovat ilmatäytteisiä, sisärenkaattomia vyörenkaita. Vyörenkaan toimintaperiaate eroaa ristikudosrenkaasta, siten että renkaan rakenteesta johtuen sivuseinämät ja kulutuskerros toimivat erikseen toisistaan (ks. kuva 3.3). Eli renkaan sivuseinämien taipuminen ei vaikuta merkittävästi tien pinnan ja renkaan väliseen kontaktiin, jolloin renkaalla saavutetaan mm. parempi pito ja ohjattavuus verrattuna ristikudosrenkaisiin. Vyörenkaan rakenteesta johtuen sillä saavutetaan myös monia muita etuja verrattuna ristikudosrenkaisiin kuten pienempi vierintävastus, vähäisempi lämmöntuotto ja suurempi kilometrikestävyys. Vyörenkaan eri komponentit on esitetty kuvassa 3.4.

27 19 Kuva 3.3 Vyörenkaan käyttäytyminen renkaalle kohdistuvan kuorman vaikutuksesta. Renkaan rakenne mahdollistaa sivuseinämien taipumisen siten ettei se vaikuta tien ja renkaan väliseen kontaktiin. (Michelin 2008) Kuva 3.4 Raskaalla kalustolla yleisesti käytössä olevien nykyaikaisten vyörenkaiden komponentit. (Michelin 2014b) Renkaan rakenteen perusta muodostuu teräslangoista, jotka muodostavat runkokudoksen. Runkokudoksen langat (3) kulkevat radiaalisesti renkaan jalka-alueelta (6) toiselle reunavaijerien (7) ympäri (Naskali 2010). Lankojen tarkoituksena on kantaa renkaalle kohdistuvat voimat. Poikittaiset kudoslangat taipuvat hyvin kuormasta, jonka ansiosta ne tuottavat vähemmän lämpöä, vähentävät vierintävastusta ja parantavat renkaan käyttäytymistä kovassa vauhdissa verrattuna ristikudosrenkaisiin (Glent et al. 2006). Renkaan kehällä on vyöpaketti (1), joka koostuu useista kerroksista vyökudoksia, joissa kumikerrosten sisällä kulkee ohuita teräsvaijereita. Vaijereiden avulla varmistetaan hyvä jousto-ominaisuudet renkaan säteittäissuunnassa ja suuri vetolujuus vyön suunnassa.

28 20 Vyökerrokset myös tukevat rengasta, kun renkaaseen kohdistuu jarrutuksen tai kiihdytyksen aiheuttamaa momenttia. Vyöt jäykistävät pintakuviorakenteen, jolloin rengas kuluu tasaisemmin verrattuna ristikudosrenkaisiin. Lisäksi vyökerros suojaa renkaan sisempiä kerroksia esimerkiksi terävien pistovoimien aiheuttamilta rasituksilta. (Naskali 2010) Ennen kulutuspintakerrosta (2) vöiden päälle tulee mahdollinen suojakerros, jolla voidaan suojata vyöpakettia ja parantaa pinnoitusmahdollisuuksia. Varsinaisen kulutuspinnan alapuolinen kerros suojaa renkaan muuta rakennetta lämmöltä, jolloin renkaan runko säilyy parempana ja renkaan käyttöikää voidaan pidentää esimerkiksi uudella pinnoituksella. (Naskali 2010) Renkaan sivupinnat (4) välittävät ajo- ja ohjausvoimia kulutuspinnalle. Renkaan sisäpinnalla on tubeless- kalvo (5), jonka avulla renkaasta saadaan ilmatiivis. Renkaan jalka-alueen (6) tarkoituksena on saada rengas kiinnitettyä tukevasti vanteelle. Reunavaijereilla saadaan rengas tiukasti kiinni vanteelle, mikä mahdollistaa ilmatiiviin liitoksen. Edellä mainittujen perusosien lisäksi renkaissa voi olla muita osia, jotka vaihtelevat renkaan mallin ja valmistajan mukaan. Useasti renkaissa on erilaisia vahvikkeita ja suojia tietynlaisiin käyttöympäristöihin. (Naskali 2010) 3.2 Renkaiden koko ja merkinnät Raskaassa kalustossa käytössä olevat renkaat ovat leveydeltään tavallisesti väliltä mm. Vanteet ovat yleisimmin kooltaan 19,5- tai 22,5-tuumaisia. (Naskali 2010) Myös pienisäteinen 17,5-tuumainen vannekoko on suosittu eritoten kappaletavarakuljetuksissa, koska tällöin ajoneuvon kokonaiskorkeudesta jää enemmän tilaa kuljetettavalle tavaralle (Backlund 2013). Renkaiden mitoituksen yhdenmukaistamiseksi on olemassa rengasnormijärjestöjä, jotka antavat suosituksia renkaiden mitoitukseen. Esimerkiksi pohjoismaissa toimii oma rengasnormijärjestönsä STRO (The Scandinvian Tire & Rim Organization), joka julkaisee rengas-, vanne- ja pyöräteollisuuden teknisiä normeja. Rengasvalmistajat kuuluvat lähes aina johonkin normijärjestöön ja näin ollen renkaiden mitoitus on yhdenmukaista. Normien lisäksi on yleensä maakohtaisia kansallisia määräyksiä tai kansainvälisesti sovittuja säädöksiä. Jotta renkaita voidaan myydä ja käyttää, niiden tulee täyttää kaikki myyntialuetta koskevat säädökset, esimerkiksi Euroopassa ECE-säännöt. (Michelin 2008) Renkaan merkinnät sijaitsevat suurilta osin renkaan sivuilla, mutta myös kulutuspinnassa voi olla kulutusinformaatioita antavia merkintöjä (ks. kuva 3.5). Merkinnät kertovat renkaan ominaisuuksista, jotka eivät välttämättä näy pintapuolisesti tarkasteltuna. Selkeimmin renkaan kylkeen on merkitty valmistaja ja renkaan mallimerkintä. Renkaan mittojen merkitsemiseen on muutamia erilaisia käytäntöjä. Tavallisin Euroopassa käy-

29 21 tetty merkintä on esimerkiksi 385/55R22.5, jossa ensimmäinen luku tarkoittaa renkaan leveyttä millimetreinä ja toinen luku ilmoittaa renkaan korkeuden ja leveyden suhteen prosenteissa. Kirjain kuvaa renkaan rakennetta eli tässä tapauksessa R on radiaali eli vyörengas. Viimeinen luku kertoo renkaalle sopivan vanteen halkaisijan tuumissa. Renkaan kyljestä löytyy myös merkinnät renkaan kantavuudesta, nopeusluokasta ja valmistusajankohdasta. Renkaassa voi näiden lisäksi olla myös muita merkintöjä. (Michelin 2008) Kuva 3.5 Renkaan merkinnät. (Michelin 2014a) 3.3 Renkaiden jaottelu Raskaaseen kalustoon kuuluu hyvin monenlaisia ajoneuvoja, jotka toimivat vaihtelevissa ympäristöissä. Tämän vuoksi myös renkaalta vaaditut ominaisuudet vaihtelevat suuresti. Esimerkiksi louhoksella käytettävän maansiirtoauton renkaat joutuvat alttiiksi lohkareiden aiheuttamille teräville pistekuormille, jolloin myös renkaan rakenne on erilainen kuin mitä tasaisella tiellä ajavan ajoneuvon rengas on. Rengastyyppi määrittelee usein millaisessa ajoneuvossa rengasta käytetään ja on osatekijänä tierakenteelle syntyviin rasituksiin.

30 Renkaiden jaottelu ajoneuvon akseleiden mukaan Renkaat voidaan jaotella sen mukaisesti, millä ajoneuvon akseleilla renkaat sijaitsevat. Eri akseleilla olevista renkaista vaaditaan erilaisia ominaisuuksia. Tämän perusteella renkaat jaotellaan ohjaavalle, vetävälle ja rullaavalle akselille sijoittuviin renkaisiin (ks. kuva 3.6). Kuva 3.6 Raskaan ajoneuvon akselityypit. 1. ohjaava etuakseli, 2 ja 3 vetävät teliakselit, 4&5 rullaavat teliakselit. (Big Truck Guide 2014) Eri sijoituskohtien vaatimuksilla suurin näkyvä ero tulee renkaan kulutuspinnan kuviointiin. Ohjaavan akselin renkaalla on pitkittäiset urat, koska renkaalta vaaditaan hyviä vierintäominaisuuksia ja kuvioinnin avulla voidaan luoda hyvin ohjaavia voimia. Vetävän akselin renkaalta vaaditaan hyvää pitoa pitkittäissuunnassa ja renkaassa on lähes aina palakuviointi. Poikittaisilla urilla saadaan parannettua pitoa renkaan ja tien välillä, jolloin liikkeellelähdöt onnistuvat huonoissakin keliolosuhteissa. Rullaavan akselin ja perävaunujen renkailla kuvioinnilla pyritään usein alhaiseen vierinvastukseen, jotta ajoneuvon polttoaineenkulutusta saadaan minimoitua. (Naskali 2010) Kuva 3.7 Erilaisten renkaiden kulutuspintoja. Vasemmalta lukien ohjaavalle, vetävälle ja rullaavalle akselille suunnitellut renkaat. (Bridgestone 2014)

31 Renkaiden jaottelu leveyden mukaan Renkaat voidaan jakaa eri luokkiin myös leveytensä perusteella. Karkeasti renkaat voidaan jakaa kolmeen pääluokkaan (Pihlajanmäki 2001): tavallinen yksittäinen rengas, jonka leveys on alle 350 mm paripyöräasennus leveä yksittäinen rengas, jonka leveys on yli 350 mm Tavallinen yksittäinen rengas Tavallista yksittäistä rengasta käytetään lähinnä ajoneuvon etuakselilla. Joissain tapauksissa alle 350 mm levyisiä renkaita käytetään myös telirakenteissa, mutta akselipaino ei saa tällöin ylittää 7 tonnia. (Pihlajanmäki 2001) Paripyöräasennus Raskaissa kuljetuksissa kuormankantokyky vaikuttaa oleellisesti kuljetusten tuottavuuteen. Renkaiden kehityshistorian alkupuolella yksittäisillä renkailla ei saavutettu riittävää kuormankantokykyä, joten tämän johdosta alettiin yksittäispyörien tilalle asentaa kaksi rengasta vierekkäin ja siirryttiin ns. paripyöräasennukseen. Paripyöräasennus tarjoaa myös lisävarmuutta kuljetusten onnistumiselle, sillä yksittäisen rengasrikon sattuessa matkanteko ei välttämättä pysähdy kokonaan. (Naskali 2010) Paripyöräasennus on perinteisesti tarjonnut suurimman kontaktipinnan tien ja renkaan välille, jolloin renkaalta tien pintaan kohdistuvat rasitukset ovat useimmiten paripyöräasennuksella pienimmät verrattuna muihin renkaisiin. Jotta kuormitus jakaantuisi tasaisesti molemmille pyörille, akselille kohdistuvan kuorman ja renkaiden ilmanpaineiden tulee olla tasapainossa. Ilmanpaineiden tarkistus sisemmän pyörän osalta on hankalaa venttiilin sijainnin takia. Tämä saattaa johtaa tilanteeseen, jossa sisemmän renkaan ilmanpaine voi olla huomattavasti alhaisempi, jolloin paripyörille tuleva kuorma ei jakaannu tasaisesti. (COST ; Greene et al. 2010) Leveät yksikkörenkaat Euroopassa ja Kanadassa otettiin käyttöön 1980-luvun alkupuolella perinteisen paripyöräasennuksen tilalle leveitä yksikkörenkaita niiden helppokäyttöisyyden ja kuljetusten kustannustehokkuuden parantamiseksi. Kuljetusyritysten näkökulmasta leveillä yksikkörenkailla on monia etuja verrattuna paripyöräasennukseen mm: pienempi vierintävastus pienempi tilantarve renkaiden asennuksessa vähemmän työtä

32 24 leveä yksikkörengas on kevyempi kuin vastaava paripyöräasennus, jolloin ajoneuvon omaa massaa saadaan vähennettyä Leveät yksikkörenkaat jaetaan vanhan sukupolven (Super Single, wide base) ja uuden sukupolven leveisiin yksikkörenkaisiin (New Generation Wide Base tires, NGWBtires). Kuvassa 2.8 on esitetty leveiden yksikkörenkaiden kehityshistoriaa. Kuva 3.8 Leveiden yksikkörenkaiden kehityshistoria. NA tarkoittaa, että rengas on kehitetty Pohjois- Amerikassa. EU tarkoittaa, että rengas on kehitetty Euroopassa. (Al-Qadi et al. 2004) Vanhan sukupolven renkaiden leveydet ovat 385 mm ja 425 mm. Niillä ei saavuteta riittävän suurta kontaktipintaa tien ja renkaan välille, mikä aiheuttaa suurempia rasituksia tierakenteelle. Lisäksi vanhan sukupolven yksikkörenkaat vaativat hyvin korkeat ilmanpaineet, jotta se pystyvät kantamaan paripyörille tarkoitetut kuormat. Ongelmat varhaisien super single -renkaiden käytöstä kohdistuvat lähinnä teiden kunnossapitoon, sillä niiden on useissa tutkimuksissa havaittu aiheuttavan huomattavasti paripyöräasennusta enemmän vaurioita tierakenteille. (Greene et al. 2010; Al-Qadi & Wang 2009) 2000-luvulla kehitetyt uuden sukupolven renkaat ovat huomattavasti leveämpiä kuin vanhan sukupolven yksikkörenkaat. Tyypillisesti renkaat ovat mm levyisiä ja renkaat alkavat ulkonäöltään muistuttaa paripyöräasennusta (ks. kuva 3.9). Näillä rengastyypeillä on mahdollista saavuttaa kontaktipinta, joka alkaa olla samaa suuruusluokkaa kuin paripyörillä. Kontaktipinnan lisäys uuden sukupolven renkaissa perustuu leveämpään renkaaseen ja leveämpään pintakuviointiin. (Greene et al. 2010)