Päällysteiden kunnn kuvaaminen RIDE-mallin tunnuslukujen käyttööntt 28.4.2017 Asiantuntijapalvelut, Infratiet Tiestötiet Esp 2017
PÄÄLLYSTEIDEN KUNNON KUVAAMINEN Työsuunnitelma SISÄLTÖ SISÄLTÖ 2 1 TAUSTA 1 2 TAVOITE 2 3 SISÄLTÖ 2 3.1 Tunnusluvut 2 3.1.1 Tunnuslukupatteristn valinta 2 3.1.2 Tunnuslukujen tulstusfrmaatti 2 3.2 Tunnuslukujen validinti 5 3.2.1 Laskennallinen validinti 5 3.2.2 Maastvalidinti 7 3.3 Tunnuslukujen massalaskenta 7 3.4 Tunnusluvun tuttamisen määrittely 8
1 TAUSTA Tien epätasaisuustunnuslukuja kehitettiin PYKE-hjelmaan liittyvässä prjektissa Päällysteiden kunnn kuvaaminen ja siitä tutetussa raprtissa n kuvattu tunnusluvun kehittämisen vaiheet ja listattu jatktimet. (Tien tasaisuustunnusluvun kehittäminen. RIDE-ajneuvmalli. Liikennevirastn tutkimuksia ja selvityksiä 46/2016). Työssä svellettiin epätasaisuustunnuslukujen käyttöön täysautmallia, jsta käytetään tässä nimitystä RIDE-malli. Tisaalta RIDE-malli viittaa myös 7 vapausasteen ajneuvmalliin, jlla pystytään tuttamaan ajmukavuuteen liittyviä ajneuvn liikkeitä (ertuksena HANDLING-mallista, jka n mnimutkaisempi). Täysautmalli kstuu kaksiakselisesta, jäykkäkrisesta ja passiivisella jusituksella varustetusta ajneuvsta, jnka parametrit vat valittavissa jk henkilöauta tai kurma-auta vastaaviksi. Aiemmassa työssä valittiin sellaiset parametrit, jtka vastaavat mahdllisimman hyvin Sumessa käytettyjä ajneuvja. Henkilöautmallissa n useita Tyta Yaris-ajneuvlle tyypillisiä parametreja ja kurma-autmallissa n useita tavalliselle kaksiakseliselle kurma-autlla tyypillisiä parametreja. Mallille syötettäviä lähtötietja mnipulistettiin siten, että kullekin pyörälle syötettiin maa tasaisuusprfiilia. Taka-akselille syötettävä prfiili n viivästetty etuakseleille syötettävään prfiiliin nähden akselivälin verran. Simulintinpeutena käytetään tiesalle tyypillistä npeusrajitusta. Simulintinpeus n vaki. Ratkaistavaksi jäi miten tulisi menetellä kun tiesalla n useita npeusrajituksia. Mnipulisempi malli tutti suurehkn määrän tulksia. Tunnuslukujen paremmuuksien vertailussa tdettiin, että klmen liikesuunnan tunnusluvuista pystykiihtyvyys, sivuheilahduskiihtyvyys ja nyökkimiskiihtyvyys livat parhaita tunnuslukuja. Erityisesti kiihtyvyyksien hajnnat livat selektiivisiä ja niillä pystyttiin tunnistamaan erilaiset epätasaisuudet kun tulstusväli li 10 m. Klmesta kmpnentista mudstettiin myös yhteiskiihtyvyyttä kuvaava tunnusluku, jsta parhaaksi versiksi tdettiin kknaiskiihtyvyyden RMS-arv. Tärkeiksi tunnusluvuiksi jäi siten neljä tunnuslukua, jista yksi li kknaisvaikutusta kuvaava ja muut sen kmpnentteja. Työssä jäi avimeksi se, mitä muita tunnuslukuja lisi hyödyllistä tuttaa. Kska käyttökelpisemmaksi ajneuvmaliksi tdettiin kurma-aut, jka li kurmattu täyteen (18 t), sen tulksista lisi helpp tuttaa tierasitukseen liittyviä tunnuslukuja. Näitä vat mm. pyöräpaint, ajneuvn dynaaminen kurmitusvastaavuus (teriassa 2), sen vaihtelu, kurman sivusiirtymäsuhde jne Suurimman san kehitysvaiheen laskennassa levista tunnusluvuista vitaneen pistaa, mutta sitä ennen kannattaa miettiä, nk jukssa myös sellaisia, jtka kannattaa säilyttää. Työn lppuvaiheessa tehtiin maastkatselmus, missä haettiin tuntumaa kartalla näkyvien lukiteltujen arvjen maastvastaavuuteen. Katselmus li melk lyhyt ja katti vain muutamia tiesia Etelä-Sumesta. Vaikka kkemukset livat pääsin psitiiviset, tdettiin, että lisi hyvä pitää keväällä laajempi vastaava katselmus. Varsinkin kun malliin laitettiin sen jälkeen vähäliikenteisille ja gemetrialtaan pienimutisille teille vaikuttava sudatus, jnka vaikutus n käytännössä testaamatta. Työn lppuvaiheessa listattiin kk jukk timenpiteitä, jita tunnusluvun käyttööntt edellyttää. Ne timenpiteet n tarkitus tteuttaa tässä työssä.
2 TAVOITE Työn tavitteena li tteuttaa RIDE-ajneuvmallin käyttöönttamiseksi tarvittavat timet. Käyttööntt edellyttää, että tunnusluvut n valittu, määritetty ja validitu, niiden talletusmut n svittu, niiden laskenta kk tieverklle suritettu ja tulkset timitettu sekä laskenta n määritetty ja dkumentitu. 3 SISÄLTÖ 3.1 Tunnusluvut 3.1.1 Tunnuslukupatteristn valinta Simulinti tutti suurehkn määrän erilaisia tunnuslukuja. Ketun ajmukavuuden kanssa tdettiin parhaiten krrelivan eri liikesuuntien kiihtyvyyksien vaihtelu. Varsinaisiksi epätasaisuutta kuvaaviksi tunnusluvuiksi n valittu seuraavat 10 m väleille tutettavat tunnusluvut: Kurma-autn krin pystykiihtyvyyden hajnta (m/s2) Kurma-autn krin sivuheilahduskiihtyvyyden hajnta (astetta/s2) Kurma-autn krin nyökkimiskiihtyvyyden hajnta (astetta/s2) Kurma-autn krin yhdistetyn kiihtyvyyden RMS-arv Lisäksi n tdettu, että n hyvä tuttaa muutamia lisätunnuslukuja, jilla saattaa lla myöhemmin käyttöä. Tällaisiksi valittiin seuraavat tunnusluvut niinikään 10m välein laskettuna: Kurma-autn dynaamista tierasitusta kuvaava ESAL-arvn hajnta Kurma-autn sivuheilahdusta kuvaava pyöräpainsiirtymän hajnta Kurma-autn iskunvaimentimissa tapahtuva laskennallisen työ Henkilöautn iskunvaimentimissa tapahtuva laskennallinen työ Lisäksi tulstetaan npeus, jlla simulinti n kummallekin ajneuvtyypille suritettu. 3.1.2 Tunnuslukujen tulstusfrmaatti Tunnuslukujen tulstusfrmaatti n tierekisterin tietuyekuvauksessa ja PTM-uarakan liitteessä 2 seuraava: 705 PTM-10m-tiedt (3.4.2017) Tiedn lunne: Välikhtainen 10 m pituisissa jaksissa Ajratata- suunta- ja kaistakhtainen Tarkennuksena ajrata: 0 = 1-ajratainen tie 1 = 2-ajrataisen tien ykkössuunta 2 = 2-ajrataisen tien kakkssuunta Suunta: 1= tierekisterisitteen kasvusuunta 2= tierekisterin kasvusuuntaa vastaan Kaista: 1= pääkaista 2=hituskaista 3-5 = muut kaistat
Inventinti: Tälle tietlajille mitataan palvelutasmittauksen tuttamat tiedt sekä lasketaan niistä tunnuslukuja. Mittauksessa mitataan päällysteen pintaa 3,2 m leveydeltä jatkuvana mittauksena, ja tulksista lasketaan pituus- ja pikkisuuntaisia tunnuslukuja. Taulukk 1. Tierekisterin tietlajin TL 705 frmaattikuvaus. PTM-mittaus_10 Tierekisterin taulukuvaus 3.4.2017 metriä, TL705 Kentän nimi Tyyppi Desimaaleja Selite Tietlajinr Char 5 tl705 Karttapvm Num 8 Tiesitteen pvm VVVVKKPP Tie Num 5 Tien numer - etunllat Alkusa Num 3 Alkupisteen tiesa - etunllat Alkuetäisyys Num 5 Alkupisteen etäisyys - etunllat Lppusa Num 3 Lppupisteen tiesa - etunllat Lppu-etäisyys Num 5 Lppupisteen etäisyys - etunllat Ajrata Num 1 Ajrata Kaista Num 2 Kaistanumer - etunllat Puli Num 1 Jätetään tyhjäksi. 1 blank. Piiri Num 2 ELY-keskuksen L-alueen tunnus - etunllat Alkupvm Num 8 Alkupvm: VVVVKKPP mittausaika Lppupvm Num 8 Jätetään tyhjäksi. 8 blanka. suunta705 Num 1 0 mittaussuunta kausi705 Num 1 0 1 = kevätmittaus 2 = kesä/syysmittaus ura_10 Num 4 1 Urasyvyys iri_10 Num 4 2 Iri-tasaisuus
iri_ik Num 4 2 Iri-tasaisuus, ikea iri_vas Num 4 2 Iri-tasaisuus, vasen ura_max Num 4 1 Urasyvyys, max ura_ik Num 4 1 Ura, ikea ura_vas Num 4 1 Ura, vasen vesiura_ik Num 4 1 Jätetään tyhjäksi. 4 blank. vesiura_vas Num 4 1 Jätetään tyhjäksi. 4 blank. pikkeama_max Num 4 1 Jätetään tyhjäksi. 4 blank. pikkeama_ka Num 4 1 Jätetään tyhjäksi. 4 blank. pik_epatas_max Num 4 1 Jätetään tyhjäksi. 4 blank. pik_epatas_ka Num 4 1 Jätetään tyhjäksi. 4 blank. harjanne_max Num 3 1 Pikkiprf, harj.krkeus, max harjanne_ka Num 3 1 Pikkiprf, harj.krkeus, ka kalt1_alku Num 5 2 Sivukaltevuus_0, regressisur kalt1_lppu Num 5 2 Sivukaltevuus_50, regressis kaart_alku Num 6 2 Kaarteisuus_0 kaart_lppu Num 6 2 Kaarteisuus_50 pitkalt_alku Num 5 2 Pituuskaltevuus_0 pitkalt_lppu Num 5 2 Pituuskaltevuus_50 rms_mega_ik Num 5 2 RMS, megakarkeus, ikea rms_mega_keski Num 5 2 RMS, megakarkeus, keski rms_karkea_ik Num 5 2 RMS, karkea, ikea rms_karkea_kesk Num 5 2 RMS, karkea, keski rms_hien_ik Num 5 2 RMS, hien, ikea rms_hien_keski Num 5 2 RMS, hien, keski rms1_ik Num 5 2 RMS 0.5-1m, ikea rms1_vas Num 5 2 RMS 0.5-1m, vasen rms3_ik Num 5 2 RMS 1-3m, ikea rms3_vas Num 5 2 RMS 1-3m, vasen rms10_ik Num 5 2 RMS 3-10m, ikea rms10_vas Num 5 2 RMS 3-10m, vasen rms30_ik Num 5 2 RMS 10-30m, ikea rms30_vas Num 5 2 RMS 10-30m, vasen ph_riski Num 2 0 Jätetään tyhjäksi. 2 blank. sh_riski Num 2 0 Jätetään tyhjäksi. 2 blank. suurin_heitt Num 4 2 Jätetään tyhjäksi. 4 blank. l_riski Num 2 0 Jätetään tyhjäksi. 2 blank. delta Num 4 1 Peräkkäisten kymmenmetristen ikean uran ertuksen itseisarv (mm) sim_np_ka Num 3 0 Kurma-autsimulinnissa käytetty npeus (km/h) pysty_ki_std Num 4 2 Kurma-autn krin pystykiihtyvyyden hajnta (m/s2) sivuhei_ki_std Num 3 0 Kurma-autn krin sivuheilahduskiihtyvyyden hajnta (astetta/s2) nyökkimis_ki_std Num 3 0 Kurma-autn krin nyökkimiskiihtyvyyden hajnta (astetta/s2)
yhdistetty_ki_rms Num 4 2 Kurma-autn kknaiskiihtyvyyden RMS (m/s2) esal_std Num 4 2 Kurma-autn tierasituksen hajnta ltr_std Num 4 2 Kurma-autn pyöräpainsiirtymän hajnta (%) Ityö_ka Num 5 0 Kurma-autn iskunvaimentimien tekemä työ (J/10m) sim_np_ha Num 3 0 Henkilöautsimulinnissa käytetty npeus (km/h) Ityö_ha Num 5 0 Henkilöautn iskunvaimentimien tekemä työ (J/10m) 3.2 Tunnuslukujen validinti 3.2.1 Laskennallinen validinti Laskennallisen validinnin phjaksi haettiin vastaavia esimerkkejä kirjallisuudesta. Esimerkeissä tuli lla klme asiaa: 7 vapausasteen ajneuvmalli ja sen parametrit Dkumentitu tien prfiili ja simulintinpeus Tulkset (jk referenssitulkset tai muut tulkset) Esimerkkejä li saatavana lukuisia, mutta niiden raprtinnissa li yleensä jkin puute. Validintiin valittiin lähde Mitra et al.: A.Mitra, N.Benerjee, H.A. Khalane, M.A.Snawane, D.R.Jshi ja G.R.Bagul: Simulatin and Analysis f Full Car Mdel fr varius Rad prfile n a analytically validated MATLAB/SIMULINK mdel. IOSR Jurnal f Mechanical and Civil Engineering (IOSR- JMCE) ISSNE: 2278-1684. Lähteessä li käytetty henkilöautmallia seuraavin parametrein: M s =1200 kg, M w =60 kg, k w =30000 N/m, K s =25000 N/m, c s =4000 Ns/m, I xx =4000 kgm 2, I yy =950 kgm 2, a=b=1,5m, c=d=1,0m. Tien prfiilina li käytetty IRC-99-1988 standardissa esitettyä 10 cm krkeaa ja 3,7 m pituista pulisiniaallnmutista pmppua. Simulintinpeutena käytettiin 40 km/h. Tulksina li raprtitu pystyliike, sivuheilahdusliike ja nyökkimisliike. Kska tieprfiili li mlemmille pyörille symmetrinen ei sivuheilahdusvastetta käytännössä synny. Vertailtavina vasteina livat siten pystyliike ja nyökkimisliike.
Mitra et al. Destia 73 mm 63 mm Kuva 1. Vertikaalisiirtymän validintitulkset. Mitra et al. Destia ±2.3 degrees ±1.9 degrees Kuva 2. Sivuheilahduskulman validintitulkset. Yhteenvet validinnista n esitetty taulukssa 2. RIDE-malli tutti samanmutiset ja lähes samansuuruiset vasteet kuin Mitran malli. Pystyliike li amplitudiltaan 14 % pienempi ja sivuheilahdusliikkeen amplitudi li 17 % pienempi. Muita vasteita ei verrattu. Syitä pienempiin vasteisiin saattivat lla seuraavat: Mitra ei kertnut lähteessää miten jusituksen alkupainuma li tettu humin. RIDEmallissa se li tettu humin. Vaikutus vi pienentää vasteita. Mitran mallissa ei llut renkaan parametreja, mutta RIDE-mallissa li renkaan jusivaki. Se saatti pienentää vasteita. Taulukk 2. Yhteenvet validinnista. Mitra et al. Destia Difference VERT_s 73 63-14 % PITCH_s 2.3 1.9-17 %
3.2.2 Maastvalidinti Maastvalidintia varten tunnusluvut laskettiin Uudenmaan ELY-alueelta viimeisimmistä mittauksista. Maastvalidintia varten lutiin katseluhjelma, jlla lukiteltuja tulksia vidaan katsella khteille sitteistettuna. Esimerkki katselusvelluksesta n esitetty seuraavassa kuvassa: Tulsten maastvalidinti (8 tpv) ->Pauli Suunnitelma, jta nudatetaan ja tiukempi hjaus miten edetään. Maastkeikan suunnittelu (khteet) Maastkeikan valmistelu (laskennat, katselukäyttöliittymä) Maastkatselmus (eri tunnuslukujen maastvastaavuus ja raja-arvt). Vähintään 7-8 h maastssa. (Juh, Kimm, Tim, n. 5 henkeä). Kkemuksia: välikatselmus. asteikk vaeltaa. vis miettiä miten kannattaa ajella, pysähdellä, keskustella, yms. Karttatiet li tärkeää. (DesMap applicatin by Stavrs) Tilanteita missä yksi töyssy vs. useita peräkkäisiä töyssyjä vs. tuntuma. painuma tai rutatöyssy yksi khta vs. mnta peräkkäistä khtaa epätasaisuustyypit (sivuheilahdus, nyökkiminen, pystyliike) Jhtpäätökset (1 tpv)->/pertti 3.3 Tunnuslukujen massalaskenta Tunnuslukujen massalaskenta sisällytettiin PTM-prjektiin ja se suritettiin maalis-huhtikuussa heti laskennallisen validinnin jälkeen. Massalaskenta n suritettu sekä henkilöautmallilla että kurma-autmallilla käyttäen kaikkia npeusrajituksia, jita kullakin tiesalla n llut. Timitettavat 10 metriset n timitettu niiltä simulintinpeuksilta, jita kunkin kymmenmetrisen khdalla n llut. Ajneuvparametreinä n käytetty taulukssa esitettyjä parametrejä.
Taulukk 3. RIDE-mallin ajneuvparametrit. RIDE-sim parametrit 13.3.2017 Nr Muuttuja Yksikkö HA KA 1 Kknaismassa kg 1557 18000 2 Akseliväli L (m) m 2.7 5.0 3 Taka-akselin et. Painpisteestä L f m 1.4 2.0 4 Etuakselin et. Painpisteestä L r m 1.3 3.0 5 Etupyörien raideväli W f m 1.5 2.1 6 Takapyörien raideväli W r m 1.5 2.0 7 Etupyörän massa m uf kg 48 388 8 Takapyörän massa m ur kg 50 792 9 Krin massa m s kg 1361 15640 10 Renkaan jusivaki k t N/m 183097 1788750 11 Renkaan vaimennuskerrin c t Ns/m 400 5516 12 Etujusen jusivaki k sf N/m 25044 574340 13 Takajusen jusivaki k sr N/m 24544 950000 14 Etuiskarin vaimennuskerrin c sf Ns/m 2182 23600 15 Takaiskarin vaimennuskerrin c sr Ns/m 2311 20600 16 Inertia J X kgm 2 963 20328 17 Inertia J Y kgm 2 2359 33333 18 Painpisteen krkeus h CG m 0.55 1.05 19 Heilahduskeskiön krkeus h ROLL m 0.53 0.72 3.4 Tunnusluvun tuttamisen määrittely Tunnuslukujen laskennan määrittely n dkumentitu englanniksi massa määrittelydkumentissaan (RIDE-mdel).