Betonisiltojen lujuustutkimukset 2017-18 Siltatekniikan päivät 22.-23.1.2019 Jani Meriläinen
Puristuslujuuden merkitys silloissa Betonin puristuslujuus on betonisillan tärkein ominaisuus. Väyläverkkoa pitkin kuljetetaan erittäin raskaita erikoiskuormia ja sillat mitoitetaan suuremmille liikennekuormille kuin normaaliliikenne (ajoneuvoasetus) edellyttäisi. Jos betonin lujuus ei ole suunnitelman mukainen, niin sillan kantavuusarvot joudutaan arvioimaan uudestaan ja raskaimmat kuljetukset joudutaan kieltämään. 100 vuoden käyttöikä edellyttää myös riittävää lujuutta. 100 vuodessa liikennekuormat kasvavat huomattavasti ja tähän on varauduttava. 2
Arvosteluikä on 28 vrk Aikataulusuunnittelu on helpompaa, kun tiedetään milloin sillan voi ottaa liikenteelle. Kaikki käyttöiän edellyttämät lujuusvaatimukset on tehty oletukselle, että betoni testataan 28 vrk iässä. Voi käyttää 91 vrk, jos huomioidaan liikenteelle otossa ja käyttöikävaatimuksissa (oltava hyväksytyssä suunnitelmassa). Myös sopimusasia: johonkin raja on laitettava, koska betonin lujuus kasvaa useita vuosia jopa vuosikymmeniä. Tarkan lujuuden määritys 28 vrk iässä jälkeenpäin testaten on käytännössä mahdotonta, siksi Väylän ohje, jota noudatetaan. 3
Taustaa 4
Taustaa Betonisiltojen lujuuksien satunnaisotanta 2016 18 vuosina 2012-2016 rakennettua sillasta tutkittiin lujuus ja ilmamäärä. 6 siltaa ei täyttänyt lujuusvaatimuksia mittaushetkellä. Robust Air tutkimus 2017 Aalto-yliopisto Tietyt lisäaineyhdistelmät ja pitkä sekoitusaika ongelmina => ILMAMÄÄRÄ JA LUJUUS MITATTAVA AINA TYÖMAALLA! 5
LAATUAINEISTON TARKASTUS 6
Laatuaineiston tarkastus, VTT 95 vuosina 2005 2016 rakennettua betonisiltaa 63 maantiesiltaa 32 rautatiesiltaa Tavoitteena oli saada selville: 1. Onko noudatettu päällysrakenteen betonien osalta Livin (TIEL, TIEH, RHK) edellyttämiä laadunvarmistustoimia 2. Onko laaturaportointi tehty Livin (TIEL, TIEH, RHK) vaatimusten mukaisesti 3. Ovatko päällysrakenteen betonien laatuvaatimukset laadunvalvonta-aineiston perusteella täyttyneet 7
Laatupisteytys Raporttien osuus tutkituista silloista, joiden kohdalla tiedon säilytysaika on ollut voimassa, kun aineistoa on alettu koota tätä tutkimusta varten, % Teknisten vaatimusten täyttymisen osuus kaikista tutkituista silloista, % Asteikko Suhteituksen mukainen P-luku ja ilmamäärä 1) Ilmamäärät tehtaalla 1) Ilmamäärät työmaalla 1) P-luku tehtaalla 1) P-luku työmaalla 1) Puristuslujuus työmaalla 1) Suhteitustiedot 1) Vesi-sideainesuhde 1) Seosaineet Tilaajan vaatimusten täyttyminen Raportointivaatimukset Tekniset vaatimukset 100 % 80 60 40 20 0 100 % 90 80 70 60 50 40 On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä 1) Teknisten vaatimusten täyttyminen on joissain tapauksissa todettu muiden asiakirjojen perusteella. Esim. v/s P-lukulaskelmasta. 30 20 10 0 On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä On Ei Epäselvä Jos ei ole raportoitu, niin vaatimuksen täyttyminen on epäselvää. 8
Laatupisteytys Siltanro Laatuaineiston pisteet (1-10) Laaturaportti Työn aikainen lujuus U-2984 1 Ei ole! Ei ole! 42 sillan laatuaineisto oli huono (1-5 p.)! Huonot SK-2629 1 Ei ole! Ei ole! U-4413 1 Ei ole! Ei ole! U-3028 1 Ei ole! Ei ole! H-2673 2 Ei ole! Ei ole! U-3960 2 Puutteellinen Ei ole! Hyvät H-3180 2 Puutteellinen Ei ole! V-2759 2 Ei ole! Ei ole! V-2758 2 Ei ole! Ei ole! 9
Laatupisteytys vs sillan kunto Tutkitut sillat kuntoluokittain Kuntoluokka, painotettu keskiarvo 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% kl 5 kl 4 kl 3 kl 5 kl 4 kl 5 kl 4 pisteet 1-5 pisteet 6-7 pisteet 8-10 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 pisteet 1-5 pisteet 6-7 pisteet 8-10 Keski-ikä kaikissa ryhmissä noin 7 vuotta. 10
Laadussa PARHAAT Siltanro Nimi Sijaintikunta Laatuaineiston pisteet (1-10) Laaturaportti Työn aikainen lujuus L-2243 Oikaraisen silta Rovaniemi 10 Ok On L-2235 Vähähaaran silta Kemi 9 Ok On SK-1830 Mönnin silta Kontiolahti 9 Ok On V-1863 Koiviston silta Kurikka 8 Puutteellinen On Hanke Oikaraisen silta ja tiejärjestelyt T-2581 Lövön silta Kemiönsaari 8 Puutteellinen Puutteellinen Lövön silta Vt 4 rakentaminen moottoritieksi välillä Vallitunsaari-Vilmilä Maantien 510 parantaminen välillä Jakokoski-Mönni Vt3 parantaminen välillä Seinäjoentien- Koivistontie, Kurikka ja Ilmajoki L-2236 Isohaaran silta Kemi 8 Ok On L-2256 Kaukosen silta Kittilä 8 Ok On Vt 4 rakentaminen moottoritieksi Kemijoen siltojen kohdalla, Kemi Kt 79 Kaukosen silta ja tiejärjestelyt 11
10 Laatuaineiston laadun kehittyminen Valupäivä (vaaka-akseli) vs. Laatuaineiston pisteet (pystyakseli) Ei ole tapahtunut muutosta. 9 8 7 6 y = 0,0002x - 1,0007 R² = 0,0107 5 4 3 2 1 0 1.1.2003 27.9.2005 23.6.2008 20.3.2011 14.12.2013 129.9.2016
Havaintoja laatuaineistoista Ainoastaan 6 % silloista löytyy vaatimukset täyttävä laaturaportti. 34 % laaturaporteista puuttuu kokonaan. Suurin osa asiakirjoista on epäselviä, puutteellisia, keskenään ristiriitaisia tai niissä esitetyissä laaduntarkastustoimenpiteissä on puutteita. Suurimmassa osassa kohteita vaatimusten täyttyminen jäi epäselväksi, vaikka vaatimusten täyttyminen yritettiin selvittää muiden asiakirjojen tai laskemien avulla. Samaan hankkeeseen kuuluvien siltojen laatuaineisto on yhdistetty. Puristuslujuuden laboratorioraporteista ei ilmene koskevatko tulokset työmaa-, olosuhde- vai tehdaskappaleita Laatuasiakirjojen arkistointi on hyvin puutteellista. 13
Laaturaportti unohtunut? InfraRYL 42001.4.8 vaatimus voimassa 1.1.2009 alkaen molemmilla väylämuodoilla Jokaisesta siltatyöstä laaditaan jäljempänä esitettyjen vaatimusten ja ohjeiden mukainen sillan laaturaportti. Sillan laaturaportti liitteineen luovutetaan tilaajan edustajalle. Sillan laaturaportin tarkastaa ja allekirjoittaa tilaajan valvoja ja toimittaa sen arkistoitavaksi tilaajan arkistoon. Sillan laaturaportissa, ks. julkaisu Sillan laaturaportti, laatimisohje, esitetään mm. sillan hoitoa, ylläpitoa ja käyttöä varten tarvittavat toteutumatiedot kuten sillan sijainti, hyödyllinen leveys, muoto, jännemitat, vapaa-aukot, kohtisuorat vapaa-aukot, vapaa korkeus, kulkuaukon vapaa korkeus, kulkukorkeus ja rakenneosien kaltevuudet tiedot käytetyistä materiaaleista, varusteista ja laitteista yhteenveto siitä, täyttääkö silta ja sen osat sekä käytetyt rakennusaineet niille asetetut vaatimukset mahdolliset rakenteisiin jääneet poikkeavuudet ja vastaavat arvonvähennykset arvio sillan rakennussuunnitelman laadusta urakoitsijan näkökulmasta arvio hankintamenettelyn laadusta. Laaturaportin osa 1 säilytetään sillan käyttöiän ajan ja osa 2 vähintään sillan takuuajan. 14
RAKENNETUTKIMUKSET 15
Rakennetutkimukset Suunnittelu ja analyysit: VTT. Kenttätyöt: Kiwa Inspecta, Trimcon, SiltaExpert, ja Ramboll 94 vuosina 2005 2016 rakennettua betonisiltaa 62 maantiesiltaa (1 laatutarkastetusta ei löytynyt suunnitelmia) 32 rautatiesiltaa 93 sillan kannet ja 10 sillan välituet Yhteensä 105 arvosteluerää (1 kansi 2 erässä ja 1 välituet 2 erässä) Selvitettiin: 1. Tutkittavien rakenteiden ominaislujuus porakoekappaleilla. 2. Samojen rakenteiden ilmamäärät kapillaarisella vedenimeytys- ja painekokeella. 3. Kimmovasaran käytettävyyttä hieman vanhemmissa ja myös pinnoitetuissa silloissa. 16
Puristuslujuudet tutkimushetkellä 1 alitus (ei ikäkorjausta) K k = 30 MPa (Suunn. K45) K k /0,85 = 35,3 MPa < 45 Mpa Suunnittelulujuudet ei korreloi toteutuneen lujuuden kanssa! 105 Suunniteltu lujuus K (vaaka-akseli) vs. tutkittu lujuus Kk / 0,85 (pystyakseli) 95 85 75 65 y = -0,1836x + 74,296 R² = 0,0035 55 45 35 25 35 37 39 41 43 45 47 49 17
Puristuslujuudet muunnettu 28 vrk lujuuteen 6 alitusta. Kaikki K45 suunnittelulujuudessa. Pahin K k /0,85 = 29,3 MPa < 45 MPa. Lujuus todellisuudessa ollut vielä pienempi työn aikaisten testien perusteella. 85 Suunniteltu lujuus K (vaaka-akseli) vs. tutkittu ja ikäkorjattu lujuus Kk / 0,85 (pystyakseli) 75 65 55 y = -0,0612x + 56,292 R² = 0,0006 45 35 25 35 37 39 41 43 45 47 49 18
Puristuslujuudet - 10 pienintä lujuutta (* Tod.näk ei ole täyttänyt vaatimusta 28 vrk iässä. Siltanro Väylämuoto Nimi Rakenne - osa Sijaintikunta Laatuaineiston pisteet (1-10) Suunniteltu lujuus K Tutkittu lujuus Kk (by65) Tutkittu ilmamäärä Arvioidun P- luvun ja vaatimuksen ero Valm. vuosi Tutk. Ikä (vrk) O-4884 RATA V-1874 TIE Kuivajoentien alikulkusilta Siliäkallion ylikulkusilta Kansi Ii 5 45 30 11,8 % 29 2016 395 Kansi Seinäjoki 5 45 42 13,6 % 26 2015 1014 KaS-1524 TIE Yläsuutarin risteyssilta Kansi Kotka 6 45 42 9,4 % 29 2013 1502 KaS-1501 TIE Ahvenkosken läntinen silta Kansi Pyhtää 6 45 43 7,4 % 24 2014 1728 KaS-1607 TIE Itäkirkonkylän silta Kansi Pyhtää 5 45 46(* 8,1 % 25 2013 1802 L-2256 TIE Kaukosen silta Kansi Kittilä 9 45 47 8,9 % 33 2014 1216 U-4410 RATA V-1875 TIE U-4032 TIE Tolsan alikulkusilta Matalamäen ylikulkusilta Tikkurilan asemasilta Kansi Kirkkonummi 7 45 47 11,1 % 32 2014 983 Kansi Seinäjoki 6 50 52 6,8 % 23 2015 782 Välituet Vantaa Ei tarkistettu 45 47(* 3,2 % 17 2014 19 1369
Puristuslujuudet vs P-luku P-luku korreloi paremmin kuin suunniteltu lujuus. 100,0 Suunniteltu P-luku (vaaka-akseli) vs. Porakpl lujuuksien ka (pystyakseli) 90,0 80,0 y = 0,2944x + 58,244 R² = 0,0544 70,0 60,0 50,0 40,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 20
80,0 Puristuslujuudet vs valuaika On korrelaatiota! Lujuus on laskenut ajan myötä. Valupäivä (vaaka-akseli) vs. tutkittu ikäkorj. lujuuksien keskiarvo (pystyakseli) 70,0 60,0 y = -0,0024x + 153,16 R² = 0,197 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 1.1.2003 27.9.2005 23.6.2008 20.3.2011 14.12.2013 219.9.2016
Ilmamäärät vs valuaika Selkeä nousu! 4 %-yksikköä 13 v. 16,0 % Valupäivä (vaaka-akseli) vs. Tutkittu ilmamäärä (pystyakseli) 14,0 % 12,0 % 10,0 % y = 8E-06x - 0,2665 R² = 0,2446 8,0 % 6,0 % 4,0 % 2,0 % 0,0 % 22 1.1.2003 27.9.2005 23.6.2008 20.3.2011 14.12.2013 9.9.2016
Nyt tutkitut puristuslujuudet kimmovasaralla Huono korrelaatio. Alle 62 MPa keskiarvolla kimmovasarointi yliarvioi lujuutta. Kimmovasarointi ei ole soveltuva yli 6 kk ikäiselle betonille. 85,0 Porattu lujuus ka (vaaka-akseli) vs. Kimmovasaralujuus ka, Livi (pystyakseli) 80,0 75,0 70,0 Vaarallinen puoli y = 0,2732x + 45,457 R² = 0,096 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 Varmalla puolella 40,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 23
Liian vähän ilmaa 4 sillassa ilmaa on liian vähän eikä näissä pakkasenkestävyysvaatimus täyty. Mitatut ilma- ja tiivistyhuokoset Huokosten väh. arvo (LO22/2016) (arvioitu v/s) P-lukuvaatimus Arvioitu P-luku (arvioitu v/s) 2,5 % 4,0 30 25 3,5 % 4,8 50 38 3,8 % 4,8 50 40 3,1 % 4,0 30 28 Ko. kohteista ei ole suhteitustietoja, eikä ilmamäärämittauksia asemalla tai työmaalla. Jo pelkkä mittauksien tekeminen korreloi voimakkaasti onnistumisen kanssa. Tai vaaditun ilmamäärän alittaneita tuloksia ei ole liitetty laatuaineistoon. InfraRYL:n mukaan näistä rakenteista pitäisi ottaa koekappaleet ja tehdä näille pakkassuolatestit kelpoisuuden osoittamiseksi. Rakenteiden takuuaika on näissä kaikissa mennyt umpeen. 24
Liian paljon ilmaa 38 sillassa (36 %) ilmaa on liikaa! Suurin mitattu 13,6 % - lujuus alittuu ikäkorjattuna. 2. suurin 11,8 % - lujuus alittuu vielä nytkin. Tällä hetkellä ei ole vaatimusta kovettuneen betonin ilmamäärän ylärajalle. Riittää kun lujuus täyttyy. Ilmamäärä on ok 2 (6:sta) sillasta, vaikka ikäkorjattu lujuus alittaa vaatimuksen. Kohonnut ilma ei ole ainoa syy heikkoon lujuuteen! 25
Muita huomioita lujuustutkimuksista Vaikka työmaan laatutestit ei aina korreloi lopullisen lujuuden kanssa, niin vaarallista on jättää ne tekemättä tai olla huomioimatta alituksia! Kimmovasarointi ei näytä toimivan yli 6 kk ikäisissä betoneissa. Iän lujittavaa vaikutusta on käytetty laajasti hyväksi kimmovasaroinnissa. Työmaalla tehdyistä kimmovasaratutkimuksista oli tehty (vaatimus 28 vrk) 73 % yli 30 vuorokauden (27 % oikeaan aikaan), 60 % yli 48 vuorokauden, 23 % yli 100 vuorokauden jälkeen valusta ja vanhin tutkimusikä työmaalla oli 386 vuorokautta. 26
Jatkotoimenpiteitä Tutkitaan uudelleen 5 alittanutta siltaa vuoden 2016 tutkituista. Tutkitaan muut reilusti alittaneen ja Kostamontien alikulkusillan kaltaiset sillat. Laaja tutkimus suuren huokoisuuden vaikutuksista on jo käynnistetty (VTT ja Aalto). Laadunvarmistuksen parantaminen: ohjeistuksen täsmentäminen, koulutus (aineiston laatiminen), pätevyydet, uudet tekniikat yms. Jatkossa vuosittaiset satunnaistarkastukset valmistuneille silloille. Takuuaikojen pidennys 2 v. => 5 v. Lujuuden kelpoisuus jatkossa vain työmaalla valettavien koekappaleiden avulla. 27