Muhoksen Kunta Työ n:o 11011 PL 39 13.6.2011 91501 Muhos Muhoksen Kunta Junaliikenteen aiheuttaman tärinän mittaus maaperästä ja tärinäriskiselvitys
Muhoksen Kunta 1 SISÄLLYS 1 TEHTÄVÄ... 1 2 MITTAUSALUEEN KUVAUS... 1 3 TÄRINÄMITTAUKSET... 2 3.1 Mittauskalusto... 2 3.2 Anturien sijoittelu ja kiinnitys... 2 3.3 Mittaustapa... 2 3.4 Signaalien käsittely... 2 3.5 Mitatut junat... 2 4 TÄRINÄMITTAUSTULOKSET... 2 4.1 Tärinän laskennallinen tarkastelu junaliikenteen osalta... 3 4.11 Tarkasteluperiaate... 3 4.12 Linjakohtaiset tarkastelut... 4 5 JOHTOPÄÄTÖKSET... 6 5.1 Tärinän vaurioriskit... 6 5.2 Tärinän häiritsevyys... 7 5.3 Mahdollisuudet alentaa maaperän tärinää... 8 5.4 Rakenteellisia suosituksia... 8
Muhoksen Kunta 1 1 TEHTÄVÄ Muhoksen kunnan toimeksiannosta on Geobotnia Oy tehnyt raideliikenteen aiheuttaman tärinän mittauksia maaperästä Muhoksella, Muhoksen aseman alueella, sekä arvioinut niiden perusteella alueen tärinäriskejä uutta maankäyttöä ajatellen. Mittaukset sijoittuvat pääradan pohjoispuolelle rataosalle välille Muhoksen asema Oulu. Mittausalue on noin ratakilometreillä 788+192 788+552. Mittaukset liittyvät alueen uudelleen kaavoittamiseen. Mittaus toteutettiin linjamittauksina maaperästä. Tärinämittauksessa on mitattu rataosalla päivittäin kulkevia tavarajunia. Mittaukset on tehty viikolla 18 ja 19 / 2011. Tärinämittaus on toteutettu VTT:n ohjetta Rautatieliikenteen tärinän vaikutus rakenteisiin - vaurioalttiuden kartoittaminen ja mittaaminen (VTT 2002) noudattaen. Tuloksia on verrattu myös VTT:n julkaisuun Suositus liikennetärinän mittaamisesta ja luokituksesta (VTT 2004).. 2 MITTAUSALUEEN KUVAUS Mittauskohde on läntinen osa Muhoksen vanhasta asema-alueesta Ratatien ja Oulu - Kontiomäki- junaradan välissä. Alueella on entinen asemarakennus ja kaksi entistä rautatiehenkilökunnan asuinrakennusta sekä niihin liittyviä talousrakennuksia. Kuvassa 1 on esitetty nykyisen asemakaavan mukainen LR-alue, jonka maankäyttöä ollaan muuttamassa. Kuva 1 Mittauskohteen sijainti Aikaisemmin tehtyjen pohjatutkimusten perusteella alueella on suhteellisen paksu silttipehmeikkö. Aseman ohi liikennöi säännöllisesti päivittäin tavarajunia, joiden kokonaispaino vaihtelee <1000 noin 5600 tn. Mittausaikana raskaimpien tavarajunien (malmijunat) painot olivat välillä 5312 5504 tn. Mittaukset kohdistettiin näihin. Nopeusrajoitus mittausalueella on 60 km/h.
Muhoksen Kunta 2 3 TÄRINÄMITTAUKSET 3.1 Mittauskalusto Maaperään kohdistuvan tärinän mittauksessa käytettiin mittalaitteina kolmea Instantel in valmistamaan Minimate Plus tärinämittaria. Linjoilla 1 ja 3 käytettiin vertikaaliantureita, jotka mittasivat vain pystysuuntaisen tärinän. Linjalla 2 käytettiin nk. kolmikomponenttiantureita, jotka mittaavat tärinän eri suuntaiset komponentit erikseen kolmella kanavalla. Anturit ovat nopeusantureita, joiden lineaarinen taajuusalue on 2 200 Hz. 3.2 Anturien sijoittelu ja kiinnitys Anturit asennettiin upottamalla maaperään rautatankojen päähän VTT 2002 ohjetta noudattaen. Anturit on sijoitettu mittauksessa seuraavasti: Linja 1 km 788+552 anturien etäisyydet 15, 30 ja 55 metriä. Linja 2 km 788+360 anturien etäisyydet 15 ja 30 metriä. Linja 3 km 788+192 anturien etäisyydet 15, 30 ja 55 metriä. Antureiden sijainti ilmenee liitteenä olevalta tutkimuskartalta (piir. n:o 1). 3.3 Mittaustapa Mittaukset on tehty nk. jatkuvana mittauksena, jossa on tallennettu kunkin junan ohituksen aikainen koko tärinäsignaali. Signaalin näytteenottotiheys oli 1024 näytettä/s. Mittaukset tehtiin miehitettyinä, jolla varmistettiin mittaustuloksen oikeellisuus ja saatiin samalla mitattua junan nopeus. Junan ohittava aika on mitattu sekuntikellolla ja verrattu saatua aikaa junan pituuteen, näin on saatu junan nopeus. 3.4 Signaalien käsittely Mittausdata on käsitelty Blastware -signaalinkäsittelyohjelmistolla. Jokaisesta mittaussignaalista on poimittu suurin heilahdusnopeus sekä dominoiva taajuus. 3.5 Mitatut junat Junien tiedot kerättiin junaohjauksesta ja niiden tiedot on esitetty liitteenä olevissa taulukoissa. Tärinämittaukset kohdistettiin tavarajuniin, joita mitattiin 6 kpl. Mittausajanjaksoon sisältyi myös pysähtyvä tavarajuna, mikä jätettiin tuloksista pois. Tuloksista poimittiin tavarajunien aiheuttama tärinä. 4 TÄRINÄMITTAUSTULOKSET Mittausten suurimmat tärinän heilahdusnopeudet ja dominoiva taajuus junatietoineen on koottu taulukkoon 1. Tulokset on esitetty junakohtaisesti liitteenä olevissa yhteenvetotaulukoissa.
Taulukko 1. Muhoksen Kunta 3 Suurimmat mitatut tärinäarvot maaperässä eri linjoilta, dominoiva taajuus ja suurimman tärinän aiheuttaneen junan tiedot. KOHDE Heilahdusnopeus Dominoiva Värähtelyn Suurimman tärinän aiheuttanut juna taajuus suunta Junan n:o, tyyppi ja Paino Akseli- Pituus Ajonopeus (mm/s) Fdom (Hz) aika (tn) paino (tn) (m) (km/h) Linja 1 4,48 5,0 pysty Ta 5251(2+60) 5446 22,0 873 54,1 4.5.2011 klo 18:17 Linja 2 6,48 5,8 pysty Ta 5251(2+60) 5446 22,0 873 54,1 4.5.2011 klo 18:17 Linja 3 5,98 5,2 pysty Ta 5223 (2+60) 4.5.2010 klo 19:08 5504 22,2 873 52,4 Tärinän vallitseva suunta oli tehdyissä mittauksissa pysty. Tärinän dominoiva taajuus (suurinta heilahdusnopeutta vastaavalla hetkellä mitattu määräävä taajuus) oli kaikissa junissa välillä 4 6 Hz. Taajuus on tyypillinen silttipehmeiköille. 4.1 Tärinän laskennallinen tarkastelu junaliikenteen osalta 4.11 Tarkasteluperiaate Maaperässä tehtyjen mittausten arviointiin on sovellettu VTT 2002 ohjeen mukaista tärinän laskentamallia. Sovittamisessa on haettu maaperälle sellainen tärinän vaimenemista kuvaava etäisyyseksponentti B, jolla lasketut tärinäarvot sopivat mittaustuloksiin parhaiten ottaen huomioon etäisyyden vaihtelu ja kaikki mitatut junat. Laskentamallissa tärinä vaimenee etäisyyden suhteen eksponenttifunktiona, jossa eksponentti B kuvaa maaperän kykyä vaimentaa tärinää. Hyvin pehmeillä maapohjilla, joissa vaimeneminen on hidasta, on eksponentti alhainen, välillä 0,3 0,6. Sitkeillä silttimailla ja löyhillä hiekkamailla eksponentti vaihtelee laajalla alueella (0,5 1,5) ja tiiviillä kitkamailla se on tyypillisesti >1,5. Laskentamallissa on useita muita tärinän suuruuteen vaikuttavia parametreja, kuten junan paino, junan nopeus ja kiskojen kunto. Sovittamalla kuhunkin junan mitattuun huippuarvoon oma laskentakäyränsä, saadaan em. muiden parametrien vaihtelu huomioon otetuksi mittaustuloksen kautta. Sovituksessa haetaan laskentamallille sellainen, kaikille junille yhteinen etäisyyseksponentti B (maaperävakio), jolla laskentakäyrien muodostama käyräparvi saadaan kulkemaan parhaiten eri etäisyyksiltä olevien mittaustulosten kautta. Kun parhaiten sopiva etäisyyseksponentti on löydetty, valitaan määräävä juna, jonka mukaista laskentakäyrää korotetaan, mikäli rataosalla saattaa liikennöidä raskaampiakin junia, mitä mittausaineistoon sisältyi. Raskaimpana junan painona on tarkastelussa käytetty 5600 tn. Näin saatu laskentamallitulos edustaa siis suurinta maaperässä vallitsevaa tärinän heilahdusnopeuden huippuarvoa. Tämän jälkeen arvioidaan rakennuksissa vallitsevaa tärinää kertomalla em. maaperän tärinä tarkasteltavan rakennuksen vahvistumiskertoimella. Yksikerroksisilla kevytrakenteisilla rakennuksilla vahvistumiskerroin on tyypillisesti k B = 1,3. Kaksikerroksiset puurunkoiset rakennukset ovat osoittautuneet herkimmiksi vahvistumaan. Niissä vahvistumiskertoimena on usein käytetty k B = 1,9 (joskus mitattu jopa >2,5). Betonirunkoisissa kerrostaloissa puolestaan vahvistumiskerroin saattaa olla pienempi kuin 1, eli kerrostalo usein vaimentaa tärinää.
Muhoksen Kunta 4 Seuraavissa tarkasteluissa rakennusten vahvistumiskertoimena on käytetty 1,2, eli rakennukset on oletettu rakennetuksi siten että tärinän vahvistuminen on vähäistä. 4.12 Linjakohtaiset tarkastelut Tärinän vaimenemista kuvaavat laskentamalliin sovitetut kuvaajat sekä niiden perusteella laskettu ennustetärinä rakennuksissa on esitetty kuvissa 2 4. Laskentamalli sovitettuna mittaustuloksiin Linja 1, 788+552 pohjoiseen, Etäisyyseksponentti B = 0,40 Pystyheilahdusnopeuden huippuarvo, mm/s 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 Mitattu 2.5.2011, klo 19:40 Mitattu 3.5.2011, klo 18:50 Mitattu 4.5.2011, klo 18:17 Mitattu 4.5.2011, klo 19:08 Mitattu 5.5.2011, klo 18:20 Mitattu 9.5.2011, klo 18:19 Laskentamalli 2.5.2011, klo 19:40 Laskentamalli 3.5.2011, klo 18:50 Laskentamalli 4.5.2011, klo 18:17 Laskentamalli 4.5.2011, klo 19:08 Laskentamalli 5.5.2011, klo 18:20 Laskentamalli 9.5.2011, klo 18:19 Ennustekäyrä maassa raskaimmalle junalle (5600 tn) Ennustekäyrä rakennuksessa (FB = 1,2) 1,0 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Etäisyys raiteen keskeltä, m Kuva 2 Tärinänmittaustulokset ja laskentamallin mukaiset tärinäennusteet v max tutkimuslinjalla 1. Suurimpana mahdollisena junan painona on käytetty 5600 tn ja rakennuksen vahvistumiskertoimena F B =1,2. Paras korrelaatio mittaustuloksiin saavutetaan etäisyyseksponentin arvolla B = 0,4. On huomattava, että lähinnä rataa olevan anturin tärinät ovat suhteellisen pieniä. Anturi on ilmeisesti paikassa, jossa tärinä vaimentuu.
Muhoksen Kunta 5 Laskentamalli sovitettuna mittaustuloksiin Linja 2, 788+360 pohjoiseen, Etäisyyseksponentti B = 0,45 Pystyheilahdusnopeuden huippuarvo, mm/s 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 Mitattu 2.5.2011, klo 19:40 Mitattu 3.5.2011, klo 18:50 Mitattu 4.5.2011, klo 18:17 Mitattu 4.5.2011, klo 19:08 Mitattu 5.5.2011, klo 18:20 Mitattu 9.5.2011, klo 18:19 Laskentamalli 2.5.2011, klo 19:40 Laskentamalli 3.5.2011, klo 18:50 Laskentamalli 4.5.2011, klo 18:17 Laskentamalli 4.5.2011, klo 19:08 Laskentamalli 5.5.2011, klo 18:20 Laskentamalli 9.5.2011, klo 18:19 Ennustekäyrä maassa raskaimmalle junalle (5600 tn) Ennustekäyrä rakennuksessa (FB = 1,2) 1,0 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Etäisyys raiteen keskeltä, m Kuva 3 Tärinänmittaustulokset ja laskentamallin mukaiset tärinäennusteet v max tutkimuslinjalla 2. Suurimpana mahdollisena junan painona on käytetty 5600 tn ja rakennuksen vahvistumiskertoimena F B =1,2. Paras korrelaatio mittaustuloksiin saavutetaan etäisyyseksponentin arvolla B = 0,45.
Muhoksen Kunta 6 Pystyheilahdusnopeuden huippuarvo, mm/s 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 Laskentamalli sovitettuna mittaustuloksiin Linja 3, 788+192 pohjoiseen, Etäisyyseksponentti B = 0,35 Mitattu 2.5.2011, klo 19:40 Mitattu 3.5.2011, klo 18:50 Mitattu 4.5.2011, klo 18:17 Mitattu 4.5.2011, klo 19:08 Mitattu 5.5.2011, klo 18:20 Mitattu 9.5.2011, klo 18:19 Laskentamalli 2.5.2011, klo 19:40 Laskentamalli 3.5.2011, klo 18:50 Laskentamalli 4.5.2011, klo 18:17 Laskentamalli 4.5.2011, klo 19:08 Laskentamalli 5.5.2011, klo 18:20 Laskentamalli 9.5.2011, klo 18:19 Ennustekäyrä maassa raskaimmalle junalle (5600 tn) Ennustekäyrä rakennuksessa (FB = 1,2) 1,0 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Etäisyys raiteen keskeltä, m Kuva 4 Tärinänmittaustulokset ja laskentamallin mukaiset tärinäennusteet v max tutkimuslinjalla 3. Suurimpana mahdollisena junan painona on käytetty 5600 tn ja rakennuksen vahvistumiskertoimena F B =1,2. Paras korrelaatio mittaustuloksiin saavutetaan etäisyyseksponentin arvolla B = 0,35. 5 JOHTOPÄÄTÖKSET 5.1 Tärinän vaurioriskit Taulukossa 2 on esitetty yleisesti Suomessa käytettävät rakennusten vauriorajat. Taulukko 2. Tärinäalttiusluokka Tärinän heilahdusnopeuden raja-arvot rakennusten vaurioitumisalttiuden arvioimisessa. Lähde: VTT 2002. I. Normaalikuntoiset hyvin jäykistetyt rakennukset. Teräs- ja teräsbetoniset teollisuusrakennukset, muut teräsrakenteet, sillat ja muut niihin rinnastettavat rakenteet. II. Perinteisesti rakennetut betoni-, tiili- tai puurakenteiset asuin- ja liikerakennukset tai muut niihin rinnastettavat rakennukset ja rakenteet. III. Erityisen herkät rakennukset tai rakenteet ja kulttuurihistoriallisesti tai yhteiskunnallisesti merkittävät rakennukset. Dominoiva taajuus, Hz Heilahdusnopeuden resultantin huippuarvo vˆ res, mm/s < 10 8 10 30 10 > 30 12 < 10 4 10 30 5 > 30 6 < 10 2 10 30 3 > 30 4
Muhoksen Kunta 7 Mikäli alueelle rakennetaan asuin- tai liikerakennuksia, sijoittuvat ne tyypillisesti luokkaan II, jolloin vaurioriskejä voi esiintyä tärinän huippuarvoilla 4,0 mm/s. Ennustekäyrien perusteella vaurioriskiraja ylittyy koko tarkastelussa olevalla LR-alueella eikä tavanomaista rakentamista voida suositella. Mikäli rakennukset rakennetaan ottaen tärinärasitukset huomioon kaikissa rakenteissa, voitaisiin ne lukea kuuluvaksi luokkaan I ( teollisuusrakenteet ), jolloin vaurioraja olisi 8 mm/s. Tällöin alueelle voitaisiin vaurioriskin puolesta rakentaa rakennuksia, ei kuitenkaan lähemmäksi kuin 20 metriä radasta. On huomattava, että vaikka rakennus suunnitellaan hyvin tärinää kestäväksi, voi sekundäärisissä rakennusosissa, kuten esimerkiksi laatoitusten saumoissa, ilmetä halkeilua jo alemmillakin tärinäarvoilla. Nämä liittyvät yleensä siihen, että rakenteisiin kohdistuu kuivumiskutistumisesta, lämpötilamuutoksista, painumista, yms. tekijöistä rasituksia, jotka johtaisivat halkeiluun joka tapauksessa, mutta laukeavat tärinästä. 5.2 Tärinän häiritsevyys VTT on vuonna 2004 laatinut suosituksen rakennusten värähtelyluokitukseksi. Luokitus on esitetty taulukossa 3. Taulukko 3. Suositus rakennusten värähtelyluokituksesta. Lähde: VTT 2004. Taulukon 3 tärinän heilahdusnopeus on esitetty tunnuslukuna v w,95, joka on sellainen taajuuspainotettu tärinän tehollisarvo, jonka alapuolelle 95 % tärinöistä tilastollisesti jää. Karkea suhdeluku huippuarvon v max ja taulukon 3 mukaisen arvon v w,95 välillä on noin 2,0. Suositusarvoista voidaan todeta, että alue ei ilman erityistoimenpiteitä sovellu sellaiseen asuinrakentamiseen, joka täyttäisi edes alimman värähtelyluokan vaatimukset. Työpaikkarakentamisessa vastaavia värähtelyluokkia ei ole julkaistu, mutta voidaan arvioida, että esimerkiksi toimistotyössä tärinästä johtuvaa häiriintymistä voi esiintyä noin 2-kertaisilla tärinäarvoilla asumisen suositusarvoihin verrattuna. Aluetta ei voida
Muhoksen Kunta 8 tällöin suositella liike- tai toimistorakentamiseenkaan, ellei maaperän tärinöitä pystytä alentamaan. 5.3 Mahdollisuudet alentaa maaperän tärinää Pääosa maaperän tärinäenergiasta etenee nk. pinta-aaltona (R-aaltona), joka on analoginen veden aaltoilun kanssa. Pinta-aalto ulottuu monesti suuruusluokkaa 5 20 m syvyyteen (riippuu maakerroksista ja tärinän aallonpituudesta). Erilaisilla perustamistavoilla ei voida estää sitä, etteikö osa tärinän energiasta siirtyisi rakennukseen. Rakennuksen paaluttaminen tai maapohjan stabiloiminen todennäköisesti alentaa pystysuoraa tärinää, mutta vaakasuora pysyy todennäköisesti likimain samansuuruisena. Tällaisten perustamistapojen teho arvioidaan niin heikoksi, että hyväksyttävään tärinän häiritsevyyteen ei päästä. Tärinän etenemistä voidaan jossain määrin rajoittaa erilaisilla radan ja rakennusten väliin tehtävillä jäykistys- tai vaimennusseinillä. Näiden tarkoitus on toimia tavallaan aallonmurtajana, ottamalla riittävällä jäykkyydellään vastaan tärinäenergia ja suuntaamalla se muualle, tai vaimentamalla se riittävän pehmeällä vaimennusmateriaalilla. Teknisiä ratkaisuja ovat mm. pilaristabiloinnilla maahan tehtävät jäykistävät seinämät sekä maahan asennettava nk. vaimentava kuplaseinämämatto. Molemmat ovat teknisesti hankalia mitoittaa ja kustannuksiltaan kalliita. Karkeasti arvioiden tärinää voitaisiin eo. tekniikoilla alentaa noin 50 %. Tehokkain tapa alentaa tärinää olisi tärinälähteeseen puuttuminen, jossa voitaisiin teoreettisesti ajatella seuraavia ratkaisumalleja: Raskaiden junien nopeuden olennainen alentaminen. Ratarakenteen vahvistaminen siten, että rata perustettaisiin paalulaatalle tai radan alla oleva pehmeä maa stabiloitaisiin. Näillä ratkaisuilla jäykistetään radan alla olevaa maapohjaa siten, että mitatun kaltaista R-aaltoa pehmeään maakerrokseen ei synny tai se jää heikoksi. 5.4 Rakenteellisia suosituksia Mikäli alueelle rakennetaan uusia rakennuksia, tulee tärinät ottaa suunnittelussa ja toteutuksessa erityisesti huomioon. Mm. seuraavat tekijät ovat oleellisia: Rakenneosien ominaistaajuudet tulee tarkastella ja suunnitella ne siten, että ne eivät osu maaperätärinän taajuusalueelle 4 6 Hz, joka on pehmeän maakerroksen ominaistaajuus. Tällä estetään resonanssin syntyminen. Rakenteissa tulisi olla mahdollisimman paljon materiaalivaimennusta, jolla rajoitetaan mahdollisessa resonanssitilanteessa tärinän vahvistumista. Materiaalivaimennusta voidaan lisätä käyttämällä esimerkiksi paikalla valettuja betonirakenteita ja jäykkiä liitoksia rungossa. Geobotnia Oy Olli Nuutilainen, DI Tero Kuitto, RI Liite: Sijaintikartta ja anturien sijoittelu, 1 s.
Muhoksen Kunta LIITE