Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 1

Transkriptio

1 Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 1

2 Ratatekniset ohjeet RATO 3 koulutustilaisuus Erkki Mäkelä RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

3 Ratatekniset ohjeet ovat nyt nimeltään: RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

4 RATO RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

5 MITÄ RATO KÄSITTELEE? RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

6 RATON SISÄLTÖ RATO kuvaa hyvää suomalaista rakennustapaa RATOon kirjoitetaan myös määräysten sisältö, joten normaalissa suunnittelussa, rakentamisessa ja kunnossapidossa RATOn käyttö riittää RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

7 RATON OSAT JA JATKOKEHITYS 1. Yleiset perusteet; päivitys alkaa Radan geometria; päivitys Radan rakenne; astuu voimaan Vaihteet; päivitys Sähköistetty rata; ei välitöntä päivitystä 6. Turvalaitteet; kirjoitettu juuri uudelleen 7. Rautatieliikennepaikat; ei välitöntä päivitystä RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

8 8. Sillat; päivitys alkaa Tasoristeykset; päivitys on käynnistynyt 10. Junien kulunvalvonta; kirjoitustyö käynnissä 11. Radan päällysrakenne; päivitys käynnissä 12. Päällysrakennehitsaus; päivitys käynnissä 13. Radan tarkastus; päivitys 2008 lopulla 14. Vaihteiden tarkastus ja kunnossapito; päivitys 2009 RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

9 15. Radan kunnossapito; ei välitöntä päivitystarvetta 16. Laiturit; päivitys aloitetaan Radan merkit; päivitys valmistumassa 18. Rautatietunnelit; tullee voimaan Jatkuvakiskoraiteet ja vaihteet; ei välitöntä päivitystä 20. Alueet; kirjoitustyö alkaa 2008 RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

10 RATO 3:n lähitulevaisuus Seuraava päivitys voimaan ennen Sisältää EuroCoden käyttövaatimuksen Tulee RHK:n (LVM:n) ohjeena ei määräyksenä? Kansallisissa liitteissä omat kertoimet rata ja tiepuolella? RATO 3 koulutustilaisuus E Mäkelä

11 RATO Ohjeiden pätemisjärjestys RATO RATO Jaakko Heikkilä 1

12 RATO Ohjeiden pätemisjärjestys HUOMIOITAVIA SEIKKOJA: Rautatievirasto antaa määräykset Ratahallintokeskus antaa ohjeet (RATO) Suunnitteluperusteet ovat ennen RATO:a. Eli niissä voidaan määrätä poikkeuksia RATO:on Suomen rakennusmääräyskokoelma ja sen sovellusohjeet ovat pätemisjärjestyksessä viimeisenä, koska ne on tarkoitettu lähinnä luvanvaraiseen talonrakennustoimintaan Jaakko Heikkilä 2

13 RATO Soveltaminen HUOMIOITAVIA SEIKKOJA: Sovelletaan kaikessa Suomessa tapahtuvassa rautatiesuunnittelussa Hankekohtaisesti niistä voidaan poiketa suunniteluperusteiden avulla Ohjeet eivät ole eivätkä saa olla esteenä insinööri ajattelulle Ohjeet eivät ole kaikenkattavia, vaan antavat suuntaviivoja. PÄÄMÄÄRÄ: HYVÄ RATA, EI OHJEEN YKSITYISKOHTAINEN TOTEUTTAMINEN Jaakko Heikkilä 3

14 RATO Junakuormat Nauhakuorma stabiliteettilaskennassa Akseleista ratapenkereeseen aiheutuva kuormitus Junasta aiheutuva tasainen kuormitus 80 kn/m RAMO 1 F A = 280 kn Akseleista liukupintaan aiheutuva leikkausjännitys Tasaisen kuormituksen aiheuttama leikkausjännitys Liukupinnan max. leikkausjännitys Max. leikkausjännitys Jaakko Heikkilä 4

15 RATO Junakuormat Kaluston sallittu akselipaino [kn] Mitoituskuo rmakaavion tunnus Mitoituskuo rmakaavion nauhakuorma, q vk [kn/m] q vk [kn/m] Mitoituskuo rmakaavion akselikuormat, Q vk [kn] q vk 170 LM LM71 22, LM LM LM Kaluston sallittu nauhakuorma 80 kn/m kaikilla akselipainoilla mitoituskuormakaavion nauhakuorma q vk Tasaiset kuormat jotka aiheuttavat saman jännityksen liukupinnalla kuin telien aiheuttama jännitys. Kuormituspisteet vastaavat käytössä olevan kaluston akseli ja teliväleillä laskettuja kuormituksia LM71 kaavion mitoilla lasketut kuormitukset Jaakko Heikkilä 5

16 RATO Junakuormat 1. Nykyinen kalusto F F F F RATO3:n 2D stabiliteettilaskennassa käytettävä nauhakuorma q vk kattaa tämän. 1,8 m 3,0 m 1,8 m 2. LM71 2D stabiliteetilaskennassa käytettävää nauhakuormaa ei ole määritelty Akselit huomattavasti nykyistä kalustoa tiheämmässä => suurempi kuorma teliparin alla. 3. pren Tämä kuorma on tarkoitettu olemassa olevien ratojen luokitteluun. Aiheuttaa nykyista kalustoa suuremman kuormituksen teliparin alla 2D stabiliteetilaskennassa käytettävä nauhakuorma on esitetty RAMO3:n liitteessä. 0,78*F 0,78*F 0,78*F 0,78*F 0,78*F 0,78*F 1,8 m 1,8 m 3,0 m 1,8 m 1,8 m Jaakko Heikkilä 6

17 RATO Junakuormat Nauhakuormien q vk ja q vk käyttö q vk käytetään penkereen poikkisuuntaisissa 2Dstabiliteettilaskelmissa q vk + q vk kuvaa LM71 teliparinkuormaa. Esim. (4*275 kn)/(4*1,6 m) = 172 kn/m = q vk + q vk Kaluston sallittu akselipaino [kn] Mitoituskuorm a kaavion tunnus Mitoituskuorm a kaavion nauha kuorma, q vk [kn/m] q vk [kn/m] Mitoituskuorm a kaavion akseli kuormat, Q vk [kn] 170 LM LM71 22, LM LM LM Jaakko Heikkilä 7

18 pren RATO Junakuormat Kuormakaaviot on tarkoitettu olemassa olevan rataverkon luokitteluun. Taulukosta nähdään, että stabiliteettilaskennassa käytettävä nauhakuorma on suurempi kuin nykyisessä RATO3:ssa. 25 t => 88 kn/m pr EN:ssä 101 kn/m Ero johtuu pääosin 3 akselisen telin aiheuttamasta kuormituksesta Jaakko Heikkilä 8

19 RATO Junakuormat Sysäyslisä Mikäli mitoittava kuorma aiheutuu liikkuvasta junasta, kerrotaan staattinen kuorma sysäyskertoimella Mikäli mitoittava kuorma aiheutuu paikallaan olevasta junasta, käytetään staattista kuormaa ilman sysäyslisää Maan lyhytaikainen lujuus pitkäaikainen lujuus Jaakko Heikkilä 9

20 RATO Junakuormat Yhteenveto eri junakuormista 2D stabiliteetilaskelmissa RATO3:n mukaan käytettävä nauhakuorma q vk perustuu nykyisin Suomessa käytössä olevaan kalustoon. q vk + q vk kuvaa LM71 kuormituskaavion mukaista teliparin staattistakuormaa. RATO3:n liiteessä taulukossa 1. esitetyt 2D stabiliteettilaskennassa käytettävät nauhakuormat perustuvat pren rataluokitukseen. pren mukaan siirrytään Eurokoodien käyttöönoton jälkeen käyttämään uusien ratojen suunnittelussa LM71 kuormituskaavionta myös stabiliteetilaskennassa. Jaakko Heikkilä 10

21 RATO Maanpaine Huomioon otettavat kuormat Pystysuuntainen junakuorma Vaakasuuntainen junakuorma Kuorman dynaamisuus Huokosvedenpaine Mahdolliset muut ulkoiset kuormat Jaakko Heikkilä 11

22 RATO Maanpaine Geotekninen ja rakenteellinen mitoitus SYSÄYSLISÄ ( q vk ) q vk SYSÄYSLISÄ (q vk ) q vk Geoteknisen stabiliteetin (lyöntisyvyyden) mitoitus kuormille q vk + q vk ja q vk Rakenteellinen mitoitus kuormille q vk + q vk + sysäyslisät ja q vk + sysäyslisä. Mikäli ankkuri alle 1,0 m etäisyydellä => 35 % korotus. Jaakko Heikkilä 12

23 RATO Maanpaine Kuorman pituus radan suunnassa Kuorma q vk käsitellään äärettömän pitkänä SYSÄYSLISÄ ( q vk ) q vk SYSÄYSLISÄ (q vk ) q vk Radan suunnnassa 6,4,m Radan suunnnassa jatkuva tai 6,4,m Kuorma q vk + q vk on 6,4 m pitkä työnaikaisen tukiseinän mitoituksessa. Kuorma q vk on 6,4 m pitkä ja q vk jatkuva pysyvän tukiseinän mitoituksessa Jaakko Heikkilä 13

24 RATO Maanpaine Varmuustaso F = 1,5 1,8 q vk q vk Jaakko Heikkilä 14

25 RATO Maanpaine Siltaan liittyvän tukiseinän jäykkyys Uusilla radoilla radan painuma on rajattu 3 mm 10 m matkalla 10 m TUKISEINÄN TAIPUMA AIHEUTTAA RATAAN KIMMOISAN PAINUMAN ENNEN SILTAA. SILLALLA PAINUMA ON ~ 0 mm vanhoilla radoilla radan painuma on rajattu 6 mm 10 m matkalla 3 6 mm Jaakko Heikkilä 15

26 RATO Pengerleveys Muutokset RAMO 2005:een Yksiraiteisilla ratosuuksilla kaarrelevitys on rajattu kaarteisiin R < 5000 m. Tarve / kustannus Siltojen päissä pengerleveys on 10 m matkalla vähintään 4 m reunimmaisen raiteen keskilinjasta. Paluu radan pengerleveyteen 5 m matkalla. Sillan päiden töyssy Raiteiden lukumää rä 1 ) Radan alusrakenneluokka Pengerleveys [m] Tavaraliiken teen suurin sallittu nopeus 250 kn akselipainolla [km/ h] Suora lla Kaarteessa Raide väli [m] Henkilöliiken teen suurin sallittu nopeus V [km/h] Tavaraliiken teen suurin sallittu nopeus 225 kn akselipainolla [km/ h] 1 0 5,4 6) 5,4 6) < 50 < 40 < ,4 6) 5,4 6) < 120 < 80 < ,0 6) 6,0 6) < 140 < 100 < ,0 6) 6,8 2) 6) < 200 < 100 < ,8 6) 7,2 3) 6) < 250 < 120 < ,5 9,5 4,1 < 120 < 80 < ,3 11,1 4) 4,3 < 200 < 100 < ,3 11,7 5) 4,5 < 250 < 120 < ,5 12,5 4,7 > 250 > 120 > 100 Jaakko Heikkilä 16

27 RATO Vakavuus Siipikairaus PISTE 1 PISTE 2 PISTE 3 standardikairaus savessa, suojaputkella ja 1 h odotusajalla siltissä sijoitus poikkisuunnassa: (penkan läpi), luiskan juureen ja m penkereen sivulle. Redusointi erikseen penkereen alla ja sivulla Jaakko Heikkilä 17

28 RATO Vakavuus cf PARAMETRIEN MÄÄRITYS MÄÄRITYS AINA JÄNNITYSPOLKUKUVAAJISTA VAKIOMUODONMUUTOS % KÄYTTÖ EI SALLUTTUA q [kpa] fii =26,6, c = 5 KK2 PVI1 KK2 PVI2 KK2 PVI3 kokoonpuristuma 1, 2, 3, 4 ja 7% lujuus eri muodonmuutostasoilla KOEMUOTO PÄÄSÄÄNTÖISESTI ANISOTROOPPISESTI KONSOLUDOITU SULJETTU KOE (CAUC) p' [kpa] Jaakko Heikkilä 18

29 RATO Vakavuus KK_ kk_2b 425kk_ q [kpa] fii =25,4, c = 4 KK1 PVI1 KK1 PVI2 KK1 PVI Maximum shear stress [kpa] tan ρ p' [kpa] KK_1 425kk_2b 5 425kk_3 0.1 fii =25.4, c = cf Pararametrien määritys Anisotrooppisesti konsolidoidut kokeet Huokospaineraja εa [%] Jaakko Heikkilä 19

30 RATO Vakavuus cf SOVELTUVUUS: lamellimenetelmä: si ja lasa fem ja kaareva myötöpinta: sa jännityspolku lamellimenetelmässä ja vastaavasti suljetussatilassa lyhytaikaisen junakuorman alla (ei konsolidaatiota). Jaakko Heikkilä 20

31 RATO Vakavuus cf LAMELLIMENETELMÄ: huokospaine kuorman suuruisena allaoleviin lamelleihin ei vastaa fysikaalista todellisuutta, mutta vastaa lamellimenetelmän teoriaa MITATTU HUOKOSPAINE kuorman aiheuttana du lisätään mitatuun huokosvedenpaineeseen JUNAN AIHEUTTAMA HUOKOSPAINE UUDEN RAKENTEEN AIHEUTAMA HUOKOSPAINE Jaakko Heikkilä 21

32 RATO Vakavuus Lujittuminen 1. MITATAAN SIIPIKAIRALLA PENKEREEN ALTA 2. LASKETAAN LUJUUS PENKEREEN ALLA VALLITSEVAN KONSOLIDAATIOTILAN AVULLA. LUJUUS KASVAA PENKEREEN ALLA VAIN KUN PENKEREEN LISÄJÄNNITYS YLITTÄÄ ESIKONSOLIDAATIOJÄNNITYKSEN Jaakko Heikkilä 22

33 RATO Vakavuus LUJITTUMINEN LASKETAAN LUJUUS σ c penger PERUSTEELLA s u pa = α σ ' c penger missä s u pa = suljettu leikkauslujuus penkereen alla α = 0.2 kivennäismaalajeilla α = 0.4 turpeilla σ c penger = konsolidaatiojännitys penkereen alla s c penger = (penkereen painon aiheuttama jännityslisäys) +s vo du Jaakko Heikkilä 23

34 RATO Vakavuus Varmuustaso Stabiliteetin kokonaisvarmuus ei saa alittaa arvoa 1,3 PISTE 1 PISTE 2 PISTE 3 Olemassaolevilla radoilla välillä 1,3 1,5 voidaan soveltaa seurantamittausta Olemassaolevilla radoilla stabiliteetin kokonaisvarmuuden minimi ilman seurantamittauksia on 1,5 (poik. siirtymille herkät rakenteet) Uusilla radoilla stabiliteetin kokonaisvarmuuden minimi on aina 1,8 Jaakko Heikkilä 24

35 RATO Vakavuus Varmuustaso Olemassaoleva rata uusi rata PISTE 1 PISTE 2 PISTE 3 Nopeuden ja/tai akselipainon nosto ei muuta vaatimustasoa olemassaolevasta uuteen rataa Myöskään pohjavahvistukset eivät pääsääntöisesti nosta vaatimustasoa olemassaolevasta uuteen rataa Jaakko Heikkilä 25

36 RATO 3 Kuormat ja rasitukset Värähtely ja sysäys Jouko Törnqvist Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 1

37 Sisältö Junan todellisesta keskimääräisestä metrimassasta mitoituskuormiin Sysäyskuorma on todellinen kuorma Ratapenkereen värähtelystä vähäsen Palutuva painuma? Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 2

38 Junakuormissa ihmettelemistä Kuorma rakenteisiin syvyydellä m Kuorma rakenteisiin syvyydellä >0.8 m Stabiliteettikuorma Sysäyskerroin Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 3

39 Syvyydellä on merkitystä Eurokoodin mukainen kuormakaavio LM71 ϕ v 0.8 m ϕ v Vakavuuslaskennassa käytetään nauhakuormaa q vk ilman korotusta q vk. Maanvaraisen penkereen stabiliteetin osalta mitoittava tilanne on pysähtynyt juna. Sysäyskertoimen arvo on 1,0. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 4

40 Syvyydellä on merkitystä Taulukko 3.8:1 Kaluston sallittua akselipainoa vastaavien mitoituskuormakaavioiden tunnukset sekä vastaavat staattiset nauhakuormien ja akselikuormien arvot. Kaluston sallittu akselipaino [kn] Mitoituskuorma kaavion tunnus Mitoituskuorma kaavion nauha kuorma, q vk [kn/m] q vk [kn/m] Mitoituskuorma kaavion akselikuormat, Q vk [kn] 170 LM LM71 22, LM LM LM Uusien ratojen suunnittelussa sysäyskertoimelle käytetään arvoa v = 1,25. Olemassa olevien ratojen suunnittelussa sysäyskertoimelle v käytetään liikennöintinopeudesta ja radan kunnossapitotasosta riippuvaa arvoa. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 5

41 Tasainen kuorma on approksimaatio; helpottaa laskelmia Voima kn K1 P1 L1 Leikkausvoima liukupinnan lamelleissa akseleista, kn K1 P1 L1 Leikkausvoima liukupinnan lamelleissa tas. kuormasta, kn Akselipaikka (suht.) Akselikuorma (suht.) x koordinaatti

42 PÄÄTYVAIKUTUSEFEKTI s c = 1.0 p akselit / 80 kn/m s c = 1.2 x x Sovellettu kantavuuskaavoissa käytettävää anturan muodon vaikutuskerrointa sc = 1+0.2(B/L) B on anturalaatan pienempi sivumitta L on anturalaatan suurempi läpimitta

43 Päätyvaikutusefektin vaikutus Alkuperäiset tulokset Päätyvaikutusefektillä korjatut tulokset 1.35 Akselit / tasainen kuorma 80 kn/m Liukupinnan pituus, m 1.30 K3P1L1 (alkup.) Akselit / tasainen kuorma 80 kn/m K3P1L2 (alkup.) 1.25 K3P1L3 (alkup.) K3P2L1 1.20(alkup.) K3P2L2 (alkup.) K3P2L3 1.15(alkup.) K3P3L1 (alkup.) K3P3L2 1.10(alkup.) K3P3L3 (alkup.) K2P1L1 (päätyef.) K2P1L2 (päätyef.) K2P1L3 (päätyef.) K2P2L1 (päätyef.) K2P2L2 (päätyef.) K2P2L3 (päätyef.) K2P3L1 (päätyef.) K2P3L2 (päätyef.) K2P3L3 (päätyef.) Liukupinnan pituus, m

44 Sysäys yhdessä akselissa kuormitus Kuorma kn / m Tas. kuorma kn / m Akselit K3 P1 L1 S1 Akselipaikka (suht.) Akselikuorma (suht.) 20 x koordinaatti

45 Sysäys kahdessa akselissa kuormitus Kuorma kn / m Tas. kuorma kn / m Akselit K3 P1 L1 S2 Akselipaikka (suht.) Akselikuorma (suht.) 20 x koordinaatti

46 TARPEET NYKYISEN MITOITUSMENETELMÄN TÄSMENTÄMISEKSI Sysäyskerrointa 1.0 käytetään vain penkereen stabiliteettilaskennassa (staattinen tila määräävä) Rakenteet kuten tukiseinät, paalut, stabiloinnit yms. mitoitetaan käyttäen 1.0:sta poikkeavaa sysäyskerrointa (dynaaminen tila määräävä) Lisätään sysäyskertoimen laskentakaava (sysäyskerroin ).

47 Nykyisessä stabiliteettimitoituksessa lähdetään otaksumasta, että vaarallisin kuormitustilanne syntyy pysähtyneen junan alle. Se, pitääkö tämä oletus paikkaansa vaatii kuorman dynaamisuuden vaikutuksen selvittämistä sekä kuorman että maan lujuuden suhteen. Dynamiikan vaikutus kuormaan olisi luontevinta sisällyttää tarkasteluun käyttäen samaa sysäyskerrointa kuin muihinkin ratapengerrakenteisiin. Kuormitusnopeudella on vaikutusta materiaalien lujuuteen. Nykyinen RATO3 lähtee oletuksesta, että lujuuden kasvu kattaa kuormituksen kasvusta aiheutuvat suuremmat jännitykset.

48 Sysäyksellä on merkitystä ϕ V = 1+ ϕv = 1+ n n 1 + V K i, kun V > 60 km/h, kun V < 60 km/h K i = 80 tavarajunilla ja K i = 190 matkustajajunilla Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 13

49 Sysäyskerroin Pohjarakennustyömaa 1.35 Sysäyskerroin Uudet radat Junan nopeus V, km/h T: 1A 1AA T: 1 4 T: 5 6 M: 1A 1AA M: 1 4 M: 5 6 Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 14

50 "Nyrkkisääntö" Junan "sallittu" nopeus, km/h Saven vesipitoisuus w, p % "Leikkausaallon nopeuden tulee olla vähintään 1,4 kertainen verrattuna henkilöjunan suurimpaan nopeuteen raiteella" Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 15

51 Miksi värähtely on ongelma? Ruotsissa Ledsgårdissa mitatut X2000 junan aiheuttamat tärinäamplitudit (Bo Andréasson, 2001). Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 16

52 Ledsgård pohjasuhteet Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 17

53 Ei pelkästään Ruotsissa Lasketut siirtymät, Pohjanjärvi ,5 Siirtymä (mm) 2,0 1,5 1,0 0,5 Karjaalta Salosta 0, Nopeus (km/h) Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 18

54 Penkereen paksuudella on suuri merkitys Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 19

55 Penkereen paksuudella on suuri merkitys Viivakuorma maapohjassa, MN Phhx () Penkereen kimmomoduuli E = 150 MPa. Ylimmän maakerroksen kimmomoduuli 7 MPa, paksuus 2 m ja tiheys 1050 kg/m3. Toinen kerros 5 m paksu E = 25 MPa ja tiheys 1450 kg/m3mpa. Kolmas kerros pohjamoreenia. IC2 matkustajajunavaunuja kpl x Paikka, m Penger H p =1m 80

56 Penger 2m Penger 4m Penger 3m Penger 5m

57 Värähtely Rato 3:ssa RAJAUS 1 Menetelmällä, jossa käytetään seisovan junan kuormaa kerrottuna sysäyskertoimella, ei pystytä ennustamaan nopeiden junien aikaansaamaa pengervärähtelyriskiä. Mikäli värähtelyriski on mahdollinen, värähtely arvioidaan dynaamisella analyysillä. Dynaaminen analyysi saattaa olla tarpeen seuraavissa tapauksissa, jos henkilöjunien nopeus tarkasteltavalla raiteella voi olla suurempi kuin 160 km/h. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 22

58 RAJAUS 2 Penkereen ja tiiviin tai lujan penkereen alapuolisen maakerroksen yhteenlaskettu paksuus raiteen kohdalla on alle 2,5 m sekä näiden alla on pehmeä, vähintään 1 m paksu turve taikka liejukerros. Penkereen ja tiiviin tai lujan penkereen alapuolisen maakerroksen yhteenlaskettu paksuus raiteen kohdalla on alle 2,5 m sekä näiden alla on savikerros, joka on a) paksuudeltaan vähintään 2 m ja jonka suljettu leikkauslujuus on keskimäärin alle 20 kn/m 2, taikka b) paksuudeltaan on yli 4 m ja suljetulta leikkauslujuudeltaan keskimäärin alle 30 kn/m 2. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 23

59 RAJAUS 3 Tarkempi arviointi voidaan tehdä määrittämällä raiteen alapuolisen maakerroksen leikkausaallon etenemisnopeus. Leikkausaallon etenemisnopeus voidaan määrittää häiriintymättömillä maanäytteillä tehtävillä kokeilla laboratoriossa (Resonant Column taikka Bender Element koe) taikka suoraan maastossa nk. Cross hole mittauksilla. Savissa, joiden vesipitoisuus on välillä p %, leikkausaallon nopeus, vs [m/s], on likimäärin arvioitavissa vesipitoisuuden, w [%], avulla kaavalla v s = 135 0,75 w Leikkausaallon nopeuden tulee olla vähintään 1,4 kertainen verrattuna henkilöjunan suurimpaan nopeuteen raiteella. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 24

60 Palautuva painuma Olemassa olevilla maanvaraisesti perustetuilla radoilla ratapölkystä mitattavan radan palautuvan, pystysuuntaisen painuman on kaluston sallitun akselipainon suuruisen kuormituksen alaisena oltava vähintään 1 mm. Enimmäisarvo palautuvalle painumalle on vastaavasti 10 mm ratapölkystä mitattuna ja 8 mm jätkänpolusta mitattuna. Uusi maanvaraisesti perustettava ratarakenne tulee suunnitella ja rakentaa siten, että radalla käytettävän kaluston sallitun akselipainon suuruinen kuormitus aikaansaa ratapölkyssä vähintään 1 mm ja enintään 3 mm palautuvan pystysuuntaisen painuman. Turvemaapohjalla pystysuuntainen palautuva painuma saa olla enintään 5 mm. Mikäli pysyvä tukiseinä tukee sillan tulopengertä tai vastaavaa paikkaa, jossa siirrytään penkereeltä suuremman pystysuuntaisen jäykkyyden omaavalle alustalle, pitää tukiseinä suunnitella siten, ettei penkereen palautuva painuma pölkystä mitattuna (kimmoinen pystysiirtymä) mitoituskuormalla ole uusilla radoilla suurempi kuin 3 mm ja olemassa olevilla radoilla suurempi kuin 6 mm 10 m matkalla sillasta lukien. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 25

61 Palautuva painuma? = kimmoinen painuma

62 Värähteleekö haitallisesti uusimpia tuloksia? Parkano Seinäjoki

63 Värähteleekö haitallisesti uusimpia tuloksia?

64 RATO 3/Päällysrakenteen routamitoitus Harri Kivikoski/VTT 1

65 Päällysrakenteen routamitoitus Mitoitusmenettely ennallaan Alusrakenneluokat 0, 1, 2, 3, ja 4, suurin sallittu nopeus Uudet radat ja rataoikaisut/parannettavat radat Routimaton päällysrakennepaksuus (karttapohja, alusrakenneluokissa 0 ja 1 ohennetut rakennepaksuusvaatimukset) Routaeristetty rakenne, mitoituspakkasmäärä F50 (alusrakenneluokat 2, 3 ja 4 + vaihdealueet alusrakenneluokissa 1, 2, 3 ja 4), mitoituspakkasmäärä F20 (alusrakenneluokka 1 ja vaihdealueet alusrakenneluokassa 0) sekä mitoituspakkasmäärä F5 (alusrakenneluokka 0). Lähtötietona tarvitaan lisäksi kohteen vuoden keskilämpötila. radan väli ja eristyskerroksen materiaali mursketta +15 % rakennepaksuuslisäys Tilastolliset pakkasmäärät uusittu (vanha jakso , uusi jakso ) Vuoden keskilämpötilakartta uusittu (vanha , uusi ) Routimaton päällysrakennepaksuus kartta uusittu

66 Pakkasmäärät (Jokioinen ) Pakkasmäärätilastot ja : F F50 F20 F100 F50 vanha jakso ( ) uusi jakso ( ) F10 F20 Pakkasmäärä, h C F5 F2 F10 F F Talvi

67 Mitoituspakkasmäärät F 5, F 20 ja F 50 jaksolta Alusrakenneluokka: 0 1 ja vaihdealue 0 2, 3, 4 ja vaihdealueet, paitsi h C h C Vaasa Kuopio Seinäjoki Kaskinen Pieksämäki Jyväskylä Parkano Pori Rauma Uusikaupunki Naantali Turku Hanko Kolari Kemijärvi Rovaniemi Tornio Kemi Oulu Pesiökylä Raahe Vartius Kajaani Kontiomäki Ylivieska Kokkola Pietarsaari h C h C h C h C h C h C Iisalmi Mikkeli Tampere Imatra Toijala Lahti Riihimäki Kouvola Hyvinkää Kerava Hamina Kotka Loviisa Sköldvik Vuosaari Karjaa Helsinki Vainikkala h C h C h C Joensuu Niirala Parikkala h C h C h C h C h C h C Pori Rauma Uusikaupunki Naantali Turku Hanko h C h C h C h C h C h C Kolari Kemijärvi Rovaniemi Kemijärvi Rovaniemi h C h C Tornio h C Kemi Tornio Kemi h C h C Oulu h C Pesiökylä Oulu Raahe h C Pesiökylä Vartius Raahe Vartius h C Kajaani Kontiomäki Ylivieska Kokkola h C Kajaani Kontiomäki Ylivieska Pietarsaari Kokkola Pietarsaari Iisalmi Iisalmi Vaasa h C h C Vaasa Kuopio Seinäjoki Joensuu Kuopio Seinäjoki Kaskinen Joensuu Pieksämäki Jyväskylä Kaskinen Pieksämäki Parkano Niirala Jyväskylä Parkano Niirala Mikkeli Tampere Imatra Toijala Lahti Riihimäki Kouvola Hyvinkää Kerava Hamina Kotka Loviisa Sköldvik Vuosaari Karjaa Helsinki Vainikkala h C Parikkala h C h C h C Kolari h C h C Pori Mikkeli Parikkala Tampere Rauma Toijala Imatra Lahti Uusikaupunki Riihimäki Kouvola Vainikkala Naantali Hyvinkää Turku Kerava Hamina Kotka Loviisa Sköldvik Vuosaari Karjaa Helsinki Hanko h C h C h C h C h C h C F 5 F 20 F 50

68 Vuoden keskilämpötilat ja muutos Jakson vuosilämpötilan keskiarvo Jakson vuosilämpötilan keskiarvo Vuosikeskilämpötilan muutos

69 Vanhan routamitoituksen ristiriita Kajaani F 50 =57900 h C T=+1 C 2,40 m 2,20 m 2,00 m Routimaton rakennepaksuus 2,40 m Routalevyn (40 mm) kanssa routimattomien rakennekerrosten kokonaispaksuus 2,35 m+0,04 m

70 Routimattoman radan rakennekerrosten kokonaispaksuus (vanha punaisella) Kolari Tornio Rovaniemi Kemi Kemijärvi 2,60 m Kokkola Pietarsaari Vaasa Oulu Pesiökylä Raahe Vartius Kajaani Kontiomäki Ylivieska 2,20 m 2,40 m Iisalmi 2,50 m Seinäjoki Kuopio Joensuu Kaskinen Jyväskylä Pieksämäki Parkano Niirala Pori Mikkeli Parikkala Tampere Rauma Toijala Imatra Lahti Uusikaupunki Kouvola Vainikkala Riihimäki Naantali 2,00 Hyvinkää m Turku Kerava Hamina Kotka Loviisa Sköldvik Vuosaari Hanko Karjaa Helsinki 2,40 m 2,30 m 2,20 m 2,10 m 2,00 m

71 Pakkasmääräerot uusi vanha: mitoituspakkasmäärä F 50 pienenee noin 4000 hºc Vuoden keskilämpötilaerot uusi vanha: vuoden keskilämpötilat nousee 0,5 1,0 ºC Vaikutus päällysrakenteen routaeristeen mitoitukseen esim: Jyväskylä, F 50 vanha = hºc, F 50 uusi =45000 hºc, T m vanha =2,5 ºC, T m uusi = 3,5 ºC Rakenteeseen suunniteltu 80 mm routalevy Vaadittava routimattomien rakennekerrosten kokonaispaksuus K vanha =1,4 m, K uusi =1,25 m Ero 0,15 m, josta pakkasmäärän pienenemisestä 0,05 m ja vuoden keskilämpötilan noususta 0,10 m

72 Lähtötiedot Alusrakenteen mitoituksen kannalta radat jaetaan viiteen alusrakenneluokkaan taulukon 3.8:1 mukaisesti. Alusrakenneluokan määrää tällöin joko henkilöliikenne tai tavaraliikenne riippuen siitä, kumman vaatimustaso on korkeampi. Jatkuvakiskoraiteisen radan alusrakenteen on oltava aina vähintään alusrakenneluokan 1 mukainen. Taulukko 3.8:1 Alusrakenneluokat. Alusrakenneluokka Routamitoitus Henkilöliikenteen suurin sallittu nopeus, V [km/h] Tavaraliikenteen suurin sallittu nopeus 225 kn akselipainolla, V [km/h] 0 < 50 < 40 < 40 1 < 120 < 100 < 60 2 < 200 < 100 < 80 3 < 250 < 120 < > 250 > 120 > 100 Tavaraliikenteen suurin sallittu nopeus 250 kn akselipainolla, V [km/h]

73 Uudet radat ja rataoikaisut Routaeristämätön päällysrakennepaksuus kuvan 1 mukainen alusrakenneluokilla 2, 3 tai 4 Alusrakenneluokalla 1: vähennetään paksuudesta 0,2 m Alusrakenneluokalla 0: vähennetään paksuudesta 0,6 m Routaeristetty päällysrakenne eristemitoituskäyrästöjen mukaan (levyn paksuus, mitoituspakkasmäärä ja vuoden keskilämpötila). RHK:n lupa. Radan väli ja eristyskerroksen materiaalina murske: +15 % rakennepaksuuslisäys Pohjamaa luokitellaan joko routivaksi tai routimattomaksi "Ratojen routasuojaustarpeen selvittäminen, tutkimusohje" Radan alusrakenneluokka Mitoituspakkasmäärän toistumisjakso [vuotta] Ratalinja Vaihdealue

74 Parannettavat radat Parannettavan radan rakenne luokitellaan taulukon mukaan joko routimattomaksi, harvoin routivaksi tai routivaksi sen mukaan, paljonko radan routimattomien rakennekerrosten paksuus poikkeaa "routimattomasta päällysrakennepaksuudesta". Rakenteen routivuus Liitteen 1 kuvan 1 mukaisen routimattoman radan rakennepaksuuden ja parannettavan radan rakennepaksuuden erotus [m] Routiva > 0,2 Harvoin routiva 0,2 Routimaton Rakennepaksuus liitteen 1 kuvan 1 mukainen Routasuojauksen parantaminen toteutetaan ensisijaisesti siten, että routivat materiaalit vaihdetaan routimattomiin tai toissijaisesti rakenne routasuojataan routalevyjä käyttäen. Routaeristetty päällysrakenne eristemitoituskäyrästöjen mukaan (levyn paksuus, mitoituspakkasmäärä ja vuoden keskilämpötila). Radan väli ja eristyskerroksen materiaalina murske: +15 % rakennepaksuuslisäys Routaeristetyssä rakenteessa routalevyn alapuolella olevan routimattoman alusrakennekerroksen vähimmäispaksuus on 300 mm käytettäessä luonnonmateriaaleja ja 450 mm käytettäessä murskattua kiviainesta. Lisäksi etäisyys routalevyn alapinnasta ylimpään pohjavedenpintaan tulee olla suurempi kuin routalevyn alla olevan materiaalin kapillaarinen nousukorkeus. Vanhan routalevyn poisto tai paikalleen jättäminen määritetään suunnitteluperusteissa.

75 Routimattoman radan rakennekerrosten kokonaispaksuus Ratalinja alusrakenneluokissa 2,3 ja 4 + vaihdealueet alusrakenneluokissa 1, 2, 3 ja 4 Ratalinja alusrakenneluokka 1: 0,2 m Ratalinja alusrakenneluokka 0: 0,6 m Radan väli ja eristyskerrosmateriaali mursketta + 15 % rakennepaksuus Tornio Kolari Rovaniemi Kemi Kemijärvi 2,60 m Kaskinen Vaasa Pori Rauma Uusikaupunki Naantali Turku Pietarsaari Hanko Kokkola Parkano Seinäjoki Raahe Tampere Toijala Ylivieska Jyväskylä Lahti Oulu Kajaani Kuopio Pesiökylä Iisalmi Pieksämäki Mikkeli Kontiomäki Imatra Riihimäki Kouvola Vainikkala Hyvinkää Kerava Hamina Kotka Loviisa Sköldvik Vuosaari Karjaa Helsinki 2,50 m Vartius Joensuu 2,40 m Niirala 2,30 m Parikkala 2,20 m 2,10 m 2,00 m Kuva 1.

76 Routaeristeen mitoitus, routalevypaksuudet mm

77 Routamitoitusesimerkki Paikka: Seinäjoki Routimaton päällysrakennepaksuus: 2,15 m Vuoden keskilämpötila: +3,5 ºC Alusrakenneluokka 2: Mitoituspakkasmäärä F 50 = hºc Routalevypaksuus (mm) Routimattoman rakenteen kokonaispaksuus (K) vähintään (m) 0 (eristämätön rakenne) 2, , , , , ,92 Taulukon tuloksista on valittavissa routalevylle ja/tai alusrakenteelle sopivin paksuus. Jos esimerkiksi kohde on perusparannuskohde, jossa olemassa olevan routimattoman alusrakenteen paksuus on vaikkapa 1,1 m ja suunniteltu tukikerrospaksuus 0,55 m, kohteeseen tulee perusparannuksen yhteydessä asentaa 40 mm routalevy, jolloin routimattoman rakenteen kokonaispaksuus on 1,69 metriä. Vastaavasti, jos olemassa oleva alusrakennepaksuus on 0,50 metriä ja suunniteltu tukikerrospaksuus 0,55 metriä, asennettavan routalevyn paksuuden on oltava 100 mm, jolloin routimattoman rakenteen kokonaispaksuus (K) on 1,15 metriä.

78 RATO 3 Ympäristötärinän huomioiminen Jouko Törnqvist Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 1

79 TÄRINÄ RATO 3:SSA Tärinä Pohjarakennustöistä aiheutuva tärinäkuormitus otetaan huomioon soveltaen Tiehallinnon julkaisun Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/ kappaletta Junaliikenteen dynaamisuuden aikaansaaman huokosvedenpaineen nousun vaikutusta radan stabiliteettiin on käsitelty mm. viitteessä /6/. Radalla tapahtuvasta liikenteestä ulkopuoliseen ympäristöön aiheutuvaa tärinää on käsitelty kohdassa Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 2

80 Radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet. Ratahallintokeskuksen julkaisu B 15, ISBN , Helsinki s. + liitt. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 3

81 Junaliikenteen aiheuttama tärinä Uusien ratojen suunnittelussa ja perustamisessa liikennetärinästä aiheutuvat ympäristöhaitat on otettava huomioon siten, ettei tärinästä aiheudu vaurioita rakennuksille tai kohtuutonta häiriötä rakennuksissa oleville ihmisille. Junaliikenteestä syntyvän tärinän voimakkuus alueilla, joita käytetään taikka on suunniteltu käytettäväksi asumiseen tai sitä vastaaviin tarkoituksiin, ei tule ylittää viitteessä /24/ esitettyjä tärinän tunnuslukuja. Tunnusluvut on annettu häiritsevyyden suhteen ja ihmisen herkkyyden suhteen painotettuina. Uusille radoille ja radoille, joilla liikennenopeutta tai akselipainoja nostetaan aikaisempaan verrattuna, sovelletaan tärinän tunnusluvun luokkaa C. Vanhoilla radoilla sovelletaan luokkaa D. Vertailu tärinän tunnuslukujen suhteen tulee tehdä erikseen sekä vaaka että pystysuunnissa. Tapauskohtaisesti voidaan arvioida haitan kohtuullisuuden ja tärinähaitan pienentämisen keinojen käytettävyyden perusteella sovellettavat tunnusluvut hanke ja aluekohtaisesti. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 4

82 Junaliikenteen aiheuttama tärinä Rakennusten ja rakenneosien vaurioituminen tapahtuu yleensä merkittävästi häiritsevyyttä suuremmilla tärinätasoilla. Radan suunnittelussa vaurioitumisen suunnitteluarvona voidaan käyttää heilahdusnopeuden maksimiarvoa. Perinteisesti rakennetuille betoni, tiilitai puurakennuksille perustuksesta mitatun värähtelyn maksimiarvon tulee olla pienempi kuin 4 mm/s, kun dominoiva värähtelytaajuus on alueella alle 10 Hz. Taajuusalueella Hz raja arvo on 5 mm/s ja yli 30 Hz:n alueella 6 mm/s. Erityisen ongelmallisia tärinän leviämisen suhteen ovat savikkolaaksopainanteet. Savikkoalueilla värähtely leviää tehokkaasti ja leviävän tärinä taajuus on useimmiten alle 10 Hz. Tällöin riskinä on rakennuksen rungon ja kantavien lattioiden resonanssi. Liikennetärinä niveltyy kiinteästi alueiden maankäytön suunnitteluun. Vaikutusten arvioimisessa alueiden käyttöön tulee olla tarvittaessa yhteydessä kuntien maankäytön suunnitteluun. Rato 3/ /J.Törnqvist/VTT 5

83 Suosituksesta säätelyyn Pääradan varrella käräjäoikeuden päätös : Kunnalla vastuu maankäytön säätelyn perusteella. Tuomittu korvaamaan asukkaalle.

84 Koettuun värähtelyyn vaikuttavat tekijät HERÄTE MAAPERÄ RAKENNE VÄRÄHTELY Voima Siirtokerroin Siirtokerroin X X = Kiihtyvyys Taajuus Taajuus Taajuus Taajuus Tärinän syntyminen ajoneuvon ominaisuudet väylän ominaisuudet ajonopeus Tärinän leviäminen maaperässä maaperä etäisyydet kerroksellisuus Tärinän siirtyminen rakennuksessa perustamistapa rakennuksen mitat rungon resonanssi Koettu värähtely kehon tuntemus välillisesti aiheutuneet äänet/vauriot välipohjan resonanssi

85 TÄRINÄN TUNNUSLUKU v w,95 (mm/s) Rajaarvo Värähtelyluokka A B C D Kuvaus värähtelyolosuhteista Hyvät asuinolosuhteet. Ihmiset eivät yleensä havaitse värähtelyitä. Suhteellisen hyvät olosuhteet. Ihmiset voivat havaita värähtelyt, mutta ne eivät ole häiritseviä. Suositus uusien rakennusten ja väylien suunnittelussa. Keskimäärin 15 % asukkaista pitää värähtelyitä häiritsevinä. Olosuhteet, jotka tulisi saavuttaa vanhoilla asuinalueilla. Keskimäärin 25 % asukkaista pitää värähtelyitä häiritsevinä. 0,10 0,15 0,30 0,60 Lähde: NS 8176 (1999)

86 TUNNUSLUVUN (v w,95, mm/s) MÄÄRITTÄMINEN 0,40 0,35 Värähtelyn tunnusluku v w,95 (mm/s) Tehollisarvo v w [mm/s] 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 Keskiarvo ± Keskihajonta 0,05 0, Näytteen numero

87 Tärinän laskentamalli Laskennallinen tärinän pystyheilahdusnopeus rakennuksessa v B = v 0 k D k S k G k R k B A arviointiriskikerroin (A=2, jos ei varmisteta tärinämittauksilla) tärinän vahvistumiskerroin rakennuksessa radan kunnosta riippuva kerroin junan painosta riippuva kerroin junan nopeudesta riippuva kerroin kohteen etäisyydestä riippuva kerroin Junatyyppi Vertailuheilahdusnopeus v 0, mm/s pehmeä savi tai lieju sitkeä savi ja savinen siltti löyhä Si tai hieno Hk tiiviit karkearak. maat kallio henkilöjuna 0,7 1,2 0,5 0,9 0,3 0,6 0,2 0,4 <0,2 tavarajuna 1,1 1,7 0,7 1,2 0,4 0,9 0,3 0,6 <0,3 Taulukon arvot ovat odotettavissa olevia heilahdusnopeuksia maassa 15 m päässä radasta, 2000 tn junalle joka ajaa 70 km/h normaalikuntoisella radalla Laskentakaavan kertoimet esitetään VTT:n ohjeessa. Kertoimet ottavat huomioon mm. maaperäolosuhteet.

88 Laskentamallin varmistaminen tärinämittauksilla

89 Kiesitie 14 Heilahdusnopeus v, mm/s L: 1.2 L: 2 3 L: 3 4 L: 5 6 L: >6 T: 1.2 T: 2 3 T: 3 4 T: 5 6 T: >6 Metrimassa g, tn/m Keskimääräinen heilahdusnopeus kasvaa metrimassan kasvaessa, muutosalue on noin 4 5 tn/m junamassan alueella

90

91 RESONANSSI ON ONGELMANA f rakennus = 5 9 Hz f maa = 6 7 Hz Rakenteen siirtymä/herätesiirtymä Vaimennuksen lisäys Vaimennussuhde Herätetaajuus/rakenteen ominaistaajuus Jäykkyyden lisäys Massan lisäys Rakenteen ominaistaajuus (Massa/Jäykkyys) 0.5 Pientalon vaimennussuhde:

92 Pientalot, 1 2 kerrosta Lukumäärä Suomi Ominaistaajuus

93 f = 2.5 Hz? Hz? Hz Pyl & al. 2002

94 Rayleigh aalto (pinta aalto on dominoivin energiaa kauas kuljettava aaltomuoto) λ R (a) (b) (c) (d) f R 4Hz = λ v R R 200m 50m/s

95 Kimmoisen puoliavaruuden teoriasta todellisuuden monimuotoisuuden?

96 Maapohjaan välittymiseen vaikuttaminen Pystyjäykkyyden lisääminen Vaimentimet rakenteessa Rakenteen epäjatkuvuuskohdat pois

97 Siirtotiehen vaikuttaminen Etäisyyden kasvattaminen Tärinänvaimennusseinä oja, jonka syvyys > 0.8 λ maata pehmeämpi seinämä (ilmatäytteinen seinämä) maata jäykempi seinämä (stabilointi, betonilaatta, teräspontti)

98 Vaikuttaminen välittymiseen maapohjasta rakenteisiin Perustusten jäykistäminen Perustusten irroittaminen maakontaktista, kontaktin muuttaminen Vaimentimien käyttö Rakennuksen alimpien ominaisvärähtelymuotojen muuttaminen