10 Rakenteiden kestävyys ja kunnossapito
Tiepäällysteiden kestävyys myytit ja todellisuus Terhi Pellinen, Aalto-yliopisto Ei kirjallista esitystä.
Raskaiden ajoneuvokuormitusten rasitusvaikutukset ohutrakenteisilla teillä Pauli Kolisoja, Ville Haakana & Antti Kalliainen Tampereen teknillinen yliopisto / Rakennustekniikan laitos / Maa- ja pohjarakenteet 1 Tausta Uusi raskaiden ajoneuvojen massoja ja mittoja säätelevä ajoneuvoasetus astui voimaan 1.10.2013. Asetuksen myötä rekkojen sallitut kokonaismassat kohosivat aiemmasta 60 tonnista jopa 76 tonniin. Yksittäisille akseleille sallittaviin massoihin uusi asetus ei suoranaisesti tuonut muutoksia, mutta kaksiakselisen telin sallittu enimmäismassa kohosi 19 tonnista 21 tonniin ja kolmiakselisen telin enimmäismassa 24 tonnista 27 tonniin. Edelleen uuden asetuksen yhteydessä annettiin nk. 65 % paripyöräsääntö, jonka mukaisesti korotettuja ajoneuvomassoja käytettäessä vähintään 65 % perävaunun massasta on välitettävä tiehen paripyörien avulla. Taustana tälle vaatimukselle on se, että tutkimusten perusteella paripyörien on jo pitkään tiedetty rasittavan tiestöä selvästi ajoneuvoteknologian kehityksen myötä voimakkaasti yleistyneitä yksittäispyöriä vähemmän. Tapahtumassa olevat muutokset ovat ymmärrettävästi herättäneet keskustelua muutosten vaikutuksesta tiestöömme kohdistuvaan rasitusvaikutukseen. Yhtäältähän ajoneuvojen hyötykuorman kasvu pienentää tietyn tavaramäärän kuljettamiseen tarvittavaa ajoneuvomäärää, mutta toisaalta taas aikaisempaa suuremmat teli- ja ajoneuvomassat tekevät liikennekuormasta aikaisempaa keskitetymmän. Erityisen paljon keskustelua on herättänyt myös 65 % paripyöräsääntö ja sen tarpeellisuus, koska yksittäispyörien käyttö olisi sekä ajoneuvotekniikan että rengas- ja polttoainekustannusten kannalta kuljetusteollisuuden näkökulmasta tarkoituksenmukaisempaa. Yllä kuvattu ongelmakokonaisuus oli taustana Liikenneviraston koordinoimalle tutkimushankkeelle, johon liittyen Tampereen teknillisen yliopiston Maa- ja pohjarakenteiden yksikkö toteutti syksyllä 2013 sarjan tierakenteen vastemittauksia Mt 2983:lla (Valkkistentie, Vesilahti) sijaitsevalla koekohteella. Tutkimuksen keskeisin tavoite oli tuottaa mitattua tietoa erilaisten rengastusyhdistelmien rasitusvaikutuksista rakennekerroksiltaan ohuilla teillä ja mahdollistaa näin erilaisten rengastustyyppien tierasitusvaikutusten keskinäinen vertailu. 2 Kenttämittausten toteutustapa Mt 2983:lla sijaitseva mittauskohde edustaa suomalaisittain varsin tavanomaista vähäliikenteisen tieverkon ohutpäällysteistä tierakennetta (kuva 1), jossa rakennekerrosten kokonaispaksuus on noin puolen metrin suuruusluokkaa. Mittauskohdalla tie on myös jonkin verran urautunut urasyvyyden ollessa noin 20 mm. Mittauskohteen tierakenteeseen oli aiemman tutkimushankkeen yhteydessä asennettu runsaasti erilaisia mittausinstrumentteja, joista tämän tutkimuksen yhteydessä hyödynnettiin lähinnä kolmelle eri syvyydelle (120 mm, 230 mm ja 390 mm) asennettuja pystysuuntaista jännitystä mittaavia maanpaineantureita (Luomala et al. 2008). Nyt tehdyn tutkimuksen yhteydessä mittausinstrumentointia täydennettiin kuudella päällysteeseen ajouraan nähden kohtisuoraan linjaan asennetulla kiihtyvyysanturilla sekä kahdella useiden metrien syvyydellä sijaitsevaan tiiviiseen pohjamaakerroksen tukeutuvalla, tien pinnan alle asennetulla siirtymäanturilla. Kaikkia näitä käytettiin tien
pinnan pystysiirtymien (taipumien) mittaamiseen. Lisäksi mittauskohteen ylittävien ajoneuvojen ajouran sivuttaissijaintia rekisteröitiin videokuvaamalla sekä lasertekniikkaan perustuvilla etäisyysantureilla. Kuva 1. Mt 2983:lla Vesilahdella sijaitseva kenttämittauskohde ja kohteella käytettyjen mittausinstrumenttien sijainnit. Kuormittavana ajoneuvona mittauksissa käytettiin neliakselisen kuorma-auton vetämää ilmajousitettua kaksiakselista perävaunua, jonka rengastusta ja akselipainoa vaihdeltiin mittausten aikana. Kuormituksissa käytettyinä rengastusvaihtoehtoina olivat paripyörärenkaat PP275/70R22.5 sekä neljä erilevyistä yksittäispyörää (385/65R22.5, 425/65R22.5, 455/45R22.5 ja 495/45R22.5) akselipainojen ollessa vastaavasti 8 ja 10 tonnia. Erinomaisena referenssinä kaikille mittauksille toimi vetoauto, jonka rengastus ja akselipainot pidettiin samoina koko mittausjakson ajan. Vetoauton pyörien aiheuttamia vasteita seuraamalla oli näin mahdollista arvioida mm. lämpötilaeroista tai mahdollisesta pohjamaan häiriintymisestä aiheutuvia muutoksia kolme päivää kestäneen mittausjakson aikana. 3 Mittaustulokset Kun kuormittavan ajoneuvon ajouran paikkaa poikkeutettiin hieman peräkkäisten mittauskohteen ylistysten välillä suhteessa paikallaan pysyviin maanpaineantureihin, oli mahdollista saada selville ajoneuvon pyöristä aiheutuvien pystysuuntaisten jännitysten jakautuminen tien poikkileikkaussuunnassa. Kuvassa 2 on esitetty yhteenveto näin saaduista mittaustuloksista vetoauton etupyörän (385/55R22.5) alapuolella ja etummaisen teliakselin paripyörän (PP275/60R22.5) alapuolella. Etuakselin varassa oleva massa oli tässä tapauksessa 7,4 tonnia ja etummaisen teliakselin varassa oleva massa vastaavasti 7,6 tonnia. Kuten kuvasta 2 havaitaan, yksittäispyörä aiheuttaa paripyörään verrattuna selvästi keskitetymmän ja intensiteetiltään suuremman jännityspiikin erityisesti tien päällysrakenteen yläosaan. Paripyörän aiheuttama muodoltaan kaksihuippuinen jännitysjakautuma on laakeampi ja jännityksen huippuarvo näyttää tässä tapauksessa jäävän noin 20 % yksittäispyörää pienemmäksi. Paripyörällä mitatun jännitysjakautuman epäsymmetrisen muodon selittää mittauskohteella havaittavissa ollut tien pinnan
urautuminen, mistä johtuen ajoneuvon paino on levännyt enemmän uran sisäreunan päällä kulkeneen pyörän varassa. Tasaisemmalla tien pinnalla tämä ilmiö ei todennäköisesti olisi ollut näin voimakas, jolloin myös paripyöräkuormituksella havaittu pystyjännityksen huippuarvo olisi oletettavasti jäänyt jonkin verran nyt mitattua pienemmäksi. Kuva 2. Pystysuuntaisen jännityksen jakautuma eri mittaussyvyyksillä vetoauton etuakselin yksittäispyörän ja etummaisen teliakselin paripyörän alapuolella. Yhteenveto eri rengastyypeillä mitatuista pystyjännitysten huippuarvoista 120 mm syvyydellä sekä näitä vastaavista tien pinnan mitatuista pystysiirtymistä on esitetty taulukossa 1. Taulukossa 2 mittaustulosten keskinäisiä eroja on puolestaan havainnollistettu vertaamalla mitattuja vasteita referenssitapauksena käytettyyn 10 tonnin massalla kuormitettuun paripyöräakseliin.
Taulukko 1. Vesilahden koekohteella mitatut pystyjännityksen ja tien pinnan pystysiirtymän huippuarvot eri rengastus- ja akselipainoyhdistelmillä. Taulukko 2. Vesilahden koekohteella mitattujen pystyjännityksen ja tien pinnan pystysiirtymän huippuarvojen vertailu suhteessa 10 tonnin massalla kuormitettuun paripyöräakseliin. Taulukon 2 perusteella on nopeasti todettavissa, että vanhemman sukupolven rengasteknologiaa edustavilla yksittäispyörätyypeillä 385/65R22.5 ja 425/65R22.5 mittauskohteen tierakenteeseen aiheutuvat vasteet ovat noin 20 30 % suurempia samansuuruisella massalla kuormitettuun paripyöräakseliin verrattuna. Huomionarvoista on myös se, että ero näyttäisi olevan merkittävä vielä silloinkin kun yksittäispyöräakselin
varassa oleva massa on 20 % paripyöräakselia pienempi. Uudemman sukupolven rengasteknologiaa edustavilla leveillä yksittäispyörillä mitattujen vasteiden ero suhteessa paripyörään on sen sijaan selvästi pienempi ja varsinkin rengastyypillä 495/45R22.5 ero näyttäisi olevan vain muutamia prosentteja. Toinen huomionarvoinen eri rengastustyyppien kuormitusvaikutuksiin liittyvä havainto koskee mitattuja tien pinnan pystysiirtymiä myös niissä ero paripyörän ja kapeimpien yksittäispyörien välillä näyttäisi olevan merkittävä. Koska mittauskohde sijaitsee pehmeähköllä pohjamaalla ja pohjamaan muodonmuutokset näin ollen muodostavat pääosan mitatusta tien pinnan pystysiirtymästä, on mittaustulosten perusteella tehtävissä se johtopäätös, että ohutrakenteisella tiellä pyöräkuorman rasitusvaikutus ei ehdi kunnolla jakautua tien päällysrakenteessa, vaan keskitetympänä tien pinnalla vaikuttava yksittäispyörän kuormitus vaikuttaa keskitetympänä vielä pohjamaan pinnan tasollakin. Tällä seikalla on merkitystä erityisesti ohutrakenteisen tien alla olevan pohjamaan urautumisriskin, nk. tyypin 2 urautuminen (Dawson el al. 2008), kannalta. 4 Eri rengastustyyppien rasitusvaikutusten vertailu Pelkkien vastemittausten perusteella ei ole mahdollista tehdä päätelmiä erilaisten rengastustyyppien eroista tierakenteen rasitusvaikutuksen eli käytännössä käyttöiän kannalta, vaan vastemittauksen tulos on muunnettava rakenteen kestävyysarvioksi jonkinlaisen kestävyysmallin avulla. Jos mittauskohteen rakennekerrosten jäykkyysmoduulit otaksutaan samansuuruiseksi kaikille mittauksissa käytetyille rengastustyypeille ja rengastustyyppikohtaisesti mitatut jännitykset muunnetaan tämän perusteella vastaaviksi suhteellisen kokoonpuristuman arvoiksi, voidaan käyttöikäarvion tekemiseen soveltaa Tierakenteen suunnitteluohjeessa (Tiehallinto 2004) annettuja kestävyysmalleja. Kantavan kerroksen osalta tulos on tällöin kuvan 3 mukainen. Siinä eri rengastusyhdistelmille lasketut kantavan kerroksen sallitut kuormituskertamäärät on normeerattu 10 tonnin massalla kuormitetulle paripyöräakselille lasketun sallitun kuormituskertamäärän avulla.
Kuva 3. Eri rengastus- ja akselipainoyhdistelmien kuormitusvaikutusten vertailu Vesilahden koekohteen kantavan kerroksen osalta. Kuvan 3 perusteella nähdään, että edellä kuvatulla tavalla arvioituna samansuuruisella massalla kuormitetun kapeilla yksittäispyörillä varustetun akselin rasitusvaikutus ohutrakenteisen tien kantavaan kerrokseen on noin kolmin nelinkertainen paripyöräakseliin verrattuna. Rengastyypillä 385/65R22.5 ero saattaisi 10 tonnin akselipainolla olla jopa tätäkin suurempi, mutta tällä yhdistelmällä tehtyjen vastemittausten yhteydessä mikään ajoneuvoylityksen ajolinja ei välttämättä osunut aivan tarkasti 120 mm syvyydellä olleen paineanturin suhteen siten, että pystyjännityksen maksimiarvo olisi saatu täysin luotettavasti mitattua. Edelleen kuvan 3 tarkastelusta nähdään, että kapeammilla yksittäispyörillä 8 tonnin massalla kuormitetun akselin rasitusvaikutus tien kantavaan kerrokseen on noin kaksinkertainen referenssinä käytettyyn 10 tonnin paripyöräakseliin verrattuna. Sama voidaan todeta myös kuvan oikeammanpuoleisen pylväästä, joka edustaa 7,4 tonnin massalla kuormitettua vetoauton etuakselia. Pelkän renkaan leveyden lisäksi oleellinen kuvan 3 eroja selittävä tekijä on renkaissa käytetty ilmanpaine. Erityisesti tämä koskee erilevyisten yksittäispyörien keskinäistä vertailua. Uudempaa rengasteknologiaa edustaville rengastyypeille 455/45R22.5 ja 495/45R22.5 suositellut rengaspaineet ovat nimittäin selkeästi vanhemman sukupolven yksittäispyöriä alempia, mikä omalta osaltaan selittää näiden rengastyyppien huomattavan keskinäisen eron. Erityisen korkea rengaspaine oli vetoauton etupyörissä, joiden rasitusvaikutus suhteessa pyöräkuormaan todettiin mittauksissa myös huomattavan suureksi. 5 Lopuksi Vesilahden ohutrakenteisella tiellä sijaitsevalta koekohteelta saadut mittaustulokset osoittivat selkeästi, että erot eri rengastustyyppien kuormitusvaikutuksessa ovat huomattavia. Samaan tulokseen tultiin tälle tutkimukselle rinnakkaisissa, toisen tutkimusryhmän rakenteiltaan huomattavasti järeämmällä Virttaan koekohteella niin
ikään syksyllä 2013 toteuttamissa vastemittauksissa. Molempien tutkimusten yksityiskohtaisemmat tulokset esittelevä raportti ilmestyy Liikenneviraston julkaisusarjassa kuluvan vuoden aikana. Samassa raportissa esitellään myös Vesilahden koekohteelle 3D PLAXIS -ohjelmiston avulla tehtyjen elementtimenetelmään perustuvien rakennemallinnusten tulokset, joita käytettävissä olleen rajallisen tilan vuoksi ei ole ollut mahdollista kuvata tässä yhteydessä. Uudemman sukupolven rengasteknologiaa edustavilla leveillä yksittäispyörillä tierakenteeseen kohdistuva rasitusvaikutus näyttäisi olevan vain lievästi perinteistä paripyörärengastusta suurempi. Koska näiden rengastustyyppien nopea yleistyminen ei kustannus- ja ajoneuvoteknisistä syistä kuitenkaan ole näköpiirissä, oli Vesilahden ja Virttaan koekohteilla tehtyjen mittausten käytännöllisenä lopputuloksena se, että 11.3.2014 antamassaan tiedotteessa Liikennevirasto totesi uuteen ajoneuvoasetukseen sisältyvän 65 % paripyöräsäännön olevan tarpeen tiestömme suojelemiseksi kohtuuttoman nopealta vaurioitumiselta. Paripyöräsääntö pysyy siis voimassa ja keskustelu sen tarpeellisuudesta on tältä osin päätöksessä. 6 Kirjallisuus Luoma, H., Ryynänen, T., Belt, J., Alatyppö, V. & Lampinen, A. (2008). Tierakenteen käyttöiän hallinta uuden teknologian avulla, Loppuraportti. Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennustekniikan laitos, Maa- ja pohjarakenteet, Tutkimusraportti 74. 164 s. Dawson, A., Kolisoja, P. & Vuorimies, N. (2008). Understanding Low-Volume Pavement Response to Heavy Traffic Loading, ROADEX III Project, Research report, 46 s. (www.roadex.org) Tiehallinto (2004). Tierakenteen suunnittelu, Suunnitteluohje. 69 s. (http://alk.tiehallinto.fi/thohje/pdf/2100029-v-04tierakenteensuunn.pdf )
Taustaa Tierakenteiden kestävyys koetuksella - haasteet kasvavat Katri Eskola, Liikennevirasto Ari Kalliokoski, Finnish Overseas Consultants (FinnOC) Oy Maantieverkkomme kunnon ylläpito on kasvavien haasteiden edessä. Päällystettyjen teiden ylläpidon rahoituksella ei uusita enää päällysteitä samaa tahtia kuin ennen. Kaikkia tarvittavia ylläpitotoimenpiteitä ei pystytä tekemään. Päätieverkko pyritään pitämään nykyisessä kunnossaan, mutta vähäliikenteisellä tieverkolla ylläpitotoimenpiteistä joudutaan tinkimään. Ilmasto- ja liikennerasitus muuttuu. Talvet voivat olla vesisateisia, mikä aiheuttaa päänvaivaa tienpitäjälle sekä lisääntyvän nastarengaskulutuksen että suuremman vaurioitumisriskin muodossa. Varsinkin ohutpäällysteisillä vähäliikenteisillä teillä keväällä roudan sulamisen aikaan tien vaurioitumisriski raskaan liikenteen alla on suuri. Tierakenteisiin kohdistuvat rasitukset kasvavat raskaiden ajoneuvojen kokonaismassojen noston myötä, ellei raskaiden ajoneuvojen määrä vastaavasti vähene. Tiestön kunnon heikkeneminen aiheuttaa häiriöitä tiellä liikkujille, elinkeinoelämän kuljetuksille ja kilpailukyvylle. Se kasvattaa sekä liikenneturvallisuusriskiä että autoilijoiden kustannuksia. On mahdollista, että tiestön huonosta kunnosta johtuen ajoneuvojen kokonaismassojen nostosta odotetut säästöt eivät toteudu. Tiestön kunnon heikkeneminen tapahtuu hitaasti mutta varmasti ellei jotain tehdä. Päällysteiden uusimisvauhti hiipuu Päällysteiden ylläpitoon käytettävä rahoitus on ollut suurin piirtein nykyisellä tasollaan viimeisen kymmenen vuoden ajan. Päällystystöiden kustannukset sen sijaan vaihtelevat suuresti vuosittain riippuen erityisesti öljypohjaisen raaka-aineen, bitumin, ja tarvittavien polttoaineiden hinnan muutoksista sekä kilpailutilanteesta. Tästä johtuen eri vuosina samalla rahalla saadaan hyvin eri määriä päällysteitä uusittua (ks. kuva 1).
Kuva 1. Päällystystöiden kustannusten ja päällystysohjelman pituuden kehitys vv. 2005 2013 (Liikennevirasto, 2014). Päällysteiden ylläpitoon on näinä vuosina ollut käytettävissä 120 130 miljoonaa euroa vuodessa. Päällystystöiden kustannuskehitystä on kuvattu Maarakennuskustannusindeksin Päällystysohjelman pituus lyheni (2005=100) 4500 kilometristä osaindeksin 2000 kilometriin "Päällysteet" vuodesta avulla. 2005 vuoteen 2012. Tällöin päällystysohjelma oli yhtä lyhyt kuin v. 1964. Silloin Suomen maanteitä vasta päällystettiin ja päällystettyjä maanteitä oli vuoden 1964 lopussa noin 12 300 km. Nyt niitä on noin 51 000 km. Rahoituksen pysyessä samalla tasolla toimenpiteitä joudutaan vuosittain karsimaan noin viidellä miljoonalla eurolla. Pääosa tienpidon rahoituksen leikkauksista kohdentuu ylläpitoon, minkä seurauksena pitkäjänteisestä ylläpidosta joudutaan tinkimään ja rahoitus käyttämään vilkkaimmin liikennöidyille pääteille. Vähäliikenteinen tiestö jää ilman tarvitsemaansa rahoitusta ja sen kunto heikkenee vääjäämättä. Huonokuntoisiksi määriteltyjen tieosuuksien määrä lisääntyy vuosittain useilla sadoilla kilometreillä ollen tällä hetkellä arviolta noin 5000 km. Vaikeasti määriteltävä tiestön korjausvelka jatkaa kasvamistaan, kun päällystettyjen teiden kunnon ylläpitämiseksi tarvittavia toimenpiteitä joudutaan siirtämään tulevaisuuteen. Lisäksi uusia korjaustarpeita syntyy jatkuvasti lisää. Vaikutukset näkyvät kuvassa 2, jossa ennustetaan päällysteiden keskimääräistä käyttöikää seuraavan 10 vuoden aikana, mikäli rahoitustaso säilyy nykyisellään.
Kuva 2. Päällysteiden keskimääräisen iän kehitys eri osaverkoilla seuraavan 10 vuoden aikana (Pöyry CM Oy, 2014). Kuvasta nähdään, että vilkkaiden teiden kunto pystytään säilyttämään nykyisellään, mutta ns. keskivilkkaiden ja varsinkin vähäliikenteisten teiden päällysteiden käyttöikää on venytettävä selvästi. Ilmaston muuttuminen ja liikennerasituksen kasvu Suomessa ilmaston keskilämpötilan arvioidaan nousevan vuoteen 2040 mennessä yli 2 C ja sademäärän lisääntyvän 5-10 %. Talvisin paljaat tienpinnat yleistyvät. Lämpimämmät ja sateisemmat talvet nopeuttavat teiden urautumista. Nastarenkaat kuluttavat märkää asfalttia vilkasliikenteisillä teillä jonkin verran enemmän kuin normaalina pakkastalvena. Tierakenteiden ollessa heikoimmillaan keväällä roudan sulamisen aikaan on suuri riski myös raskaan liikenteen aiheuttamalle urautumiselle ohutpäällysteisillä teillä. Sulamisjäätymissyklien lisääntyminen rapauttaa päällysteitä ja niiden reikiintyminen lisääntyy. Pohjavedenpinnan tasot nousevat, mikä heikentää erityisesti vähäliikenteisen tiestön kantavuutta. (Tiehallinnon selvityksiä 8/2009). Liikennesuorite kasvaa keskimäärin 2 % vuodessa. Tierakenteisiin kohdistuvat rasitukset kasvavat raskaiden ajoneuvojen kokonaismassojen noston myötä, ellei raskaiden ajoneuvojen määrä vastaavasti vähene kuormien kasvaessa. Teiden rakenteellisen kunnon ja tilan hallinnan osaamisen tarve kasvaa.
Miten haasteita ratkotaan? Liikennevirastossa ja ELY-keskuksissa haasteisiin tartutaan niillä keinoilla, joita on käytettävissä. Prosessit ja hankintamenettelyt tutkitaan ja niitä kehitetään toiminnan tehostamiseksi. Uusia ratkaisuja etsitään aktiivisesti sekä tutkimuksilla että uusia sopimusmalleja kokeilemalla ja käyttöön ottamalla. Tietopuutteita pyritään paikkaamaan sekä tutkimus- että kehittämishankkeiden avulla. Toimintaa kehitetään uuden tiedon perusteella. Kaikki päällysteiden kunnon ylläpidon keinot käyttöön Päällysteiden käyttöiän pidentäminen vähäliikenteisillä teillä tarkoittaa päällystepaikkausten lisäämistä. Tien uudelleenpäällystämisen sijaan vain pahimmat vauriot korjataan päällystepaikkauksin. Näin pyritään pitämään tie ajokuntoisena ja siirtämään varsinaista päällystystoimenpidettä tulevaisuuteen. Liikenneviraston tuoteryhmittelyssä päällysteiden paikkaukset ovat kuuluneet tiestön hoitoon ja hoitourakoihin. Kun tämä tuoteryhmittely 2000-luvun alussa luotiin hoitourakoita muodostettaessa, paikkauksia tehtiin vain vähäisiä määriä. Paikkaustöiden osuus hoidon alueurakan kokonaisvolyymistä oli pieni eikä kiinnostusta paikkausmenetelmien ja - materiaalien kehittämiseen ollut. Tiedonkulussa hoidon ja ylläpidon välillä on ollut puutteita, minkä takia paikkausten toteuttaminen alueurakoissa ei aina ole tukenut päällysteiden kunnon ylläpitoa oikeilla materiaaleilla, menetelmillä tai aikataululla, vaan on välillä jopa haitannut sitä. Toisaalta taas ylläpito ei ole kyennyt riittävän ajoissa tiedottamaan päällystysohjelmista vaan paikkaukset on ehditty jo toteuttaa hoitourakassa vaikka yleensä niiden toteuttaminen päällystysurakassa on edullisempaa ja johtaa kestävämpään tulokseen. Tämä päällysteiden paikkaamiseen liittyvä esimerkki kuvaa tienpidon toimintamallien kriittistä tarkastelua, jota on viime vuosien aikana tehty Liikenneviraston ja ELY - keskusten asiantuntijoiden voimin hoidon ja ylläpidon sopimusten rajapinnassa. Rajapintatarkasteluissa on arvioitu piilevän runsaasti tiestön kunnossapidon tehostamispotentiaalia. Paikkausten osalta toiminnan tehostaminen on näkynyt nopeasti erillisten ylläpidon paikkausurakoiden kehittämisenä. Ne on toteutettu kumppanuusmallilla, jossa urakoitsijoiden osaaminen pyritään saamaan tehokkaaseen käyttöön uusien menetelmien kehittämisessä sekä menetelmä-, materiaali- ja kohdevalinnoissa. Niissä on otettu myös paikkauksiin liittyvät tietopuutteet haltuun ja ratkaistu tiedonvälitykseen liittyviä ongelmia. Toinen esimerkki hoidon ja ylläpidon rajapintaan liittyvästä tehostamispotentiaalista on päällystettyjen teiden kuivatuksen parantamistyöt, joita on hoidon alueurakoissa yleensä tietty kilometrimäärä vuodessa. Useissa eri tutkimuksissa on todettu, että kuivatuksen kunnolla on suuri vaikutus päällysteiden kestoikään, mutta koordinoinnin puuttumisen takia kuivatustyöt eivät aina kohdistu päällysteiden ylläpidon kannalta optimaalisiin kohteisiin. Tähän pyritään vaikuttamaan prosessin ohjauksella ja paremmalla ohjeistuksella. Tien rakenteellisen kunnon hallintaan uutta tietoa Tierakenteiden kestävyys ja rakenteellisen kunnon arviointi nousivat julkiseen keskusteluun vuonna 2013, kun Suomessa astui voimaan uusi asetus, joka nostaa raskaan
liikenteen ajoneuvojen enimmäismassan 60 tonnista 76 tonniin ja enimmäiskorkeuden 4,2 metristä 4,4 metriin. Kolmiakselisen telin suurimmat sallitut kokonaisakselipainot nousivat 24 tonnista 27 tonniin. Yksittäispyörien määrää rajoitettiin niin että 65 % perävaunun kuormituksesta tulee kohdistua paripyörin varustetuille akseleille. Muutoksen vaikutusten arviointi Suomen tierakenteisiin ei ole ollut aivan yksinkertaista. Kaikki teoriat eivät välttämättä toimi meillä kaikissa tapauksissa. Niinpä Liikennevirasto selvitti raskaiden ajoneuvojen vaikutuksia tierakenteissa syntyviin rasituksiin täysimittakaavaisilla koemittauksilla instrumentoiduilla koeteillä syksyllä 2013. Uudet tulokset tukivat vanhoja mittaustuloksia, mutta toivat myös uutta kaivattua tietoa esim. erilaisten renkaiden vaikutuksista erityisesti ohutpäällysteisillä teillä syntyviin muodonmuutoksiin ja jännityksiin eri rakennekerroksissa. Lisäksi uusien raskaiden rekkojen vaikutuksia on tutkittu useilla erilaisilla laskentamenetelmillä. Tierakenteiden lisääntynyt ilmasto- ja liikennekuormitus sekä niukka rahoitustaso on johtamassa siihen, että tienpitäjä joutunee jatkossa asettamaan painorajoituksia myös päällystetylle tieverkolle. Painorajoitustarpeen arvioimiseksi kehitettiin uusi menetelmä. Tien rakenteellinen kunto tunnetaan huonosti. Toisaalta erilaiset ainetta rikkomattomat mittausmenetelmät ovat kehittyneet viime vuosina voimakkaasti. Liikennevirasto teetti vuonna 2013 mittavan pilottimittausohjelman, jossa testattiin uusia mittausmenetelmiä ja niiden käytettävyyttä verkkotason analyyseihin sekä rakenteen parantamissuunnittelun lähtötiedoksi. Aivan uutena menetelmänä testattiin jatkuvaa taipumamittausta tanskalaisvalmisteisella laitteistolla, joka oli Suomessa ensimmäistä kertaa. Tien rakenteellisen kunnon arviointiin etsitään näistä uusista mahdollisuuksista parhaimmat tunnusluvut, jotka pyritään saamaan käyttöön teiden rakenteellisen kunnon ja tilan arviointiin ja seurantaan. Päällysteiden ominaisuuksien optimointi käyttöiän ja koko elinkaaren pidentämiseksi Aalto-yliopistolla käynnissä olevassa tutkimuksessa Liikenneviraston tavoitteena on hankkia alalle uutta tutkimustietoa päällysteen ominaisuuksien optimointia varten niin että sen uusiokäyttöä voidaan lisätä, sen ominaisuudet hallitaan nykyistä paremmin ja sen käyttöikää voidaan lisätä nykyisestä. Uusien päällysteiden laadun mittaamisen menetelmiä pyritään kehittämään, jotta uusien päällysteiden laatu varmistetaan. Lopuksi Näillä edellä mainituilla keinoilla pyritään vähällä rahalla saamaan enemmän aikaiseksi. On kuitenkin todettava, että jos tiestön ylläpitoon osoitetun rahoituksen ja kustannusten välinen kuilu jatkaa kasvamistaan eivätkä uudet ratkaisut riitä, on huonokuntoisimpia päällysteitä purettava jatkossakin sorateiksi. Painorajoituksia tarvitaan paikoitellen tierakenteiden vaurioitumisen ehkäisemiseksi keväisin. Nopeusrajoituksia joudutaan laskemaan huonokuntoisilla teillä liikenneturvallisuuden takia. Päällysteiden kunnon heikkeneminen johtaa palvelutason laskuun ja elinkeinoelämän kilpailukyvyn heikkenemiseen. Äärimmäisenä keinona voi olla edessä vähäliikenteisen tieverkon laajuuden supistaminen.
Taipumanmittauksen uusi tuleminen ja sen tarjoamat mahdollisuudet tierakenteen kestävyyttä kuvaaville tunnusluvuille Pertti Virtala, Destia Oy Taustaa Kuormituksen aiheuttama tien pinnan pystysuora taipuma kuvaa tien rakenteen ja sen eri kerrosten materiaalien käyttäytymistä liikennekuormituksen alaisena. Taipumaa mitataan simuloimalla liikennekuormitusta mittauslaitteen kuormituksella, esim. pudotuspainolaitteessa kuormituslevyn päälle pudotettavalla painolla. Tiehen kohdistuva voima aiheuttaa pinnan taipuman, joka on hyödyllinen tieto arvioitaessa tien rakenteellista tilaa. Taipuma mitataan useista eri kohdista, kuormituslevyn alta sekä usealla eri etäisyydellä kuormituslevystä kulkusuuntaan päin. Pudotuspainomittauksessa paino pudotetaan halkaisijaltaan 300 mm:n suuruiselle pyöreälle levylle vaimentimen välityksellä. Pudotuskorkeus ja painon suuruus ovat säädettävissä, jolloin tiehen kohdistuvan kuorman suuruutta voidaan vaihdella. Yleisimmin käytetään 50 kn:n suuruista voimaa, joka vastaa levyn alla kuorma-auton 5 tonnin pyöräpainoa. Kuormitusaika on laitteesta riippuen noin 20-60 ms. Tuloksena saadaan useasta taipumasta koostuva taipumasuppilo. Mittauksen yhteydessä mitataan myös ilman ja päällysteen pinnan lämpötilat, joita käytetään taipumatiedon korjaamisessa 20 C:n referenssilämpötilaan. Yleisin nykyisin käytetty taipumanmittauslaite on pudotuspainolaite. Pudotuspainolaitteella tapahtuva mittaus on pistekohtainen ja on tiestötiedon mittaustapana suhteellisen hidas. Tien taipumatietoa voidaan käyttää kolmella eri tasolla kun määritetään [1]: Taipumaindeksejä Rakennekerrosten jäykkyysominaisuuksia Tierakenteen kestävyyttä Taipumaindeksit ovat tiedon jalostamisen kannalta yksinkertaisin taso, jossa tieto on yksittäistä ilman suhdetta muuhun tietoon. Taipumaindekseillä kuvataan tierakenteen tai sen osien ominaisuuksia. Kerrosten jäykkyysominaisuudessa on mukana mitatun taipuman lisäksi mitattu tieto kerrospaksuuksista ja hitunen teoriaa tierakenteen käyttäytymisestä kuormituksen alla. Tulos kuvaa mittaushetkellä vallitsevaa olosuhteista riippuvaa uniikkia tilannetta. Tierakenteen kestävyystieto pitää sisällään koko problematiikan liikenne- ja ilmastokuormituksen alaisen tierakenteen toimimisesta elinkaarensa aikana ja sen hallinta edellyttää syvää tietekniikan ydinosaamista. Suomessa alettiin kerätä taipumatietoa 1970-luvulla. Mittausmenetelmänä oli kuormaautossa oleva Benkelman-palkki (Alvin C. Benkelman, 1952). Tuloksena saatiin päätaipuma. Taipumatiedosta laskettiin kantavuus, jota korjattiin kevätolosuhteita kuvaavalla kevätkantavuuskertoimella. Tätä tietoa käytettiin tieverkon rakenteellisen tilan arvioinnissa, ylläpitoon tarvittavien resurssien perusteluissa ja jakamisessa sekä toimenpiteiden valinnassa.
1990-luvulla Suomessa siirryttiin pudotuspainolaitteiden käyttöön. Käytössä oli Dynatestin, Kuabin ja Phoenixin laitteita. Yhden mittauksen mittaustuloksena saatiin koko taipumasuppilo eli 7 taipumaa eri kohdista tietä. Uusi mittausmenetelmä lisäsi taipumatiedon käyttömahdollisuuksia, koska tierakenteiden kerrosten jäykkyyksien laskenta tuli mahdolliseksi. Verkkotasolla tehtyjen taipumamittausten mittauspisteiden väli oli yleensä harva. Kultakin tieosalta tehtiin kymmenen mittausta, keskimääräisen mittauspistevälin ollessa noin 500 m. Taipumatiedon käyttöön liittyvät vaikeimmat ongelmat ovat olleet sen suuri vaihtelu sekä pituussuunnassa että eri vuodenaikoina. Niiden hallinta olisi edellyttänyt tiheämmin ja useammin toistuvia mittauksia. Tieverkon ylläpidossa siirryttiin 1980-luvun lopussa mittaustietoon pohjautuvien hallintajärjestelmien käyttöön. Tiedontallennuksen havaintoväliksi valittiin tuolloin 100 m. Yksittäisen tiepiirin toiminnansuunnittelussa käsiteltiin noin 70000-80000 rivin kuntotietoaineistoja, joiden suuruutta rajoitti silloisen tietotekniikan kapasiteetti. Pintakuntotietoa kerättiin tuolloin 100 m jaksoille. Kantavuustietoa kerättiin pistekohtaisesta ja hitaasta mittaustavasta johtuen n. 500 m välein. Väliin jääville puuttuville satametrisille laskettiin kantavuusindeksit interpoloimalla, mikä ei luonnollisestikaan poistanut pituussuuntaista epähomogeenisuusongelmaa. Taipumatiedon mittaamisessa, kehittämisessä ja käytössä on kaiken kaikkiaan ollut useita vaiheita ja ongelmia, joita voidaan luonnehtia seuraavasti: Hitaasti etenevä pistekohtainen mittaus, liian harva mittausväli ja liian harva mittauskierto Kantavuuden kausivaihtelua ei hallittu. Kesällä tehdyt kantavuusmittaukset antoivat kesäaikaan liian hyviä arvoja teillä, joissa oli käytetty huonolaatuisia tiemateriaaleja Historiatietoa kantavuuksista ei kerätty vaan sitä pidettiin yleistiedon luonteisena vakiotietona Taipumamittauksia ei synkronoitu pintakuntomittausten kanssa vaan kaikkien mittauslajien mittauskierrot elivät omaa elämäänsä ja se johti mallinnusaineistojen epähomogeenisuuteen Kantavuustieto korreloi pintakunnon kanssa huonosti, mikä johtui mallinnusaineistojen epähomogeenisuudesta ja siitä, että mitattuja pintakuntotietoja jouduttiin vertaamaan interpoloituihin, ei-mitattuihin, kantavuustietoihin Taipumasuppiloa ja siitä saatavia indeksejä ei juuri osattu käyttää Tierakenteen kerrosten kimmomoduuleja ei voitu laskea, koska kerrospaksuustietoa ei ollut verkkotasolla käytettävissä. Toisaalta kerrospaksuustietoa ei lähdetty verkkotasolla mittaamaan, koska ei ollut käytettävissä jatkuvaa taipumatietoakaan Tierakenteiden kestävyyttä ja jäljellä olevaa kestoikää ei voitu laskea, koska kimmomoduuleja ei ollut käytettävissä eikä kerrosten jäykkyyden kausivaihtelua hallittu Tien pinnasta mitattavien tunnuslukujen mittaustekniikka kehittyi nopeammin kuin taipumanmittaustekniikka. Päähuomio kiinnitettiin pintakuntoa kuvaaviin tunnuslukuihin (2003-) Teiden rakenteellista kuntoa ajateltiin hallittavan päällystevaurioiden kautta, mikä johti siihen, että ylläpitotoimet alkoivat ajoittua liian myöhään Väyläomaisuuden hallinnan tutkimusohjelman kehityshankkeissa yritettiin kehittää tunnuslukuja rakenteellisen kunnon hallintaan, mutta edellä luetellut asiat
haittasivat kehitystyötä eikä haluttuja tuloksia saavutettu (2005). Rakenteelliseen kuntoon liittyvälle tunnuslukujen kehitystyölle ei nähty enempää mahdollisuuksia Kantavuustunnusluku poistettiin tien huonokuntoisuuden määritelmästä (2005) Rakenteellisen kunnon hallinta jäi päällysteiden ylläpidon toimintalinjoista luotettavan tunnusluvun puuttuessa hyvin vajaaksi (2006) Verkkotasolla tehtävät taipumamittaukset lopetettiin (2009) Tutkimusta palvelevan havaintotieverkon taipumamittaukset lopetettiin (2010) Edellä luetellut ongelmat johtivat siihen, että tierakenteiden tilan hallinta verkkotasolla on päällysteen pinnasta mitatun tiedon varassa. Tilan hallinta on teiden rakenteiden näkökulmasta puutteellista ja sen puolestaan voidaan olettaa aiheuttaneen ne trendit, joihin ylläpidon toiminnansuunnittelussa on kuvan 1 mukaisesti päädytty. Päällysteiden pintakunnon painoarvo on kasvanut teiden rakenteellisen kunnon kustannuksella ja sen seurauksena ylläpidon rahoitus, toimenpiteiden volyymi ja rankkuus ovat kaikki vähentyneet. Kuva 1. Pelkistetty esitys rakenteellisen kunnon painotuksesta ylläpidon toiminnansuunnittelussa noin 20 vuoden aikajänteellä. Tänä aikana on priorisoitu asiakaslähtöisyyttä, mikä osaltaan on ohjannut pintakunnon tarkasteluun. Suomessa taipumatietoa on käytetty verkkotasolla vain indeksinä, päätaipumasta laskettuna kantavuutena tai kantavuusasteena. Taipumasuppilossa on tavallisesti 7 taipumaa, joiden hyödyntäminen rakennekerrosten kimmomoduulien ja liikennekuorman aiheuttamien vasteiden ja sitä kautta tien kestävyyden laskentaan on rajoittunut vain yksittäisten rakenteen parantamiskohteiden suunnitteluun ja mitoittamiseen. Verkkotasolla taipumatiedon käyttöpotentiaalista on jätetty suurin osa käyttämättä. Tämä on johtanut kierteeseen, missä rakenteellisen kunnon hallintaan ei ole tarpeeksi resursseja, koska sen tilaa ei tunnuslukujen puuttuessa kunnolla tunnisteta. Toisaalta sen tilaa ei kunnolla tunnisteta, koska tunnuslukujen kehittämiseen ei ole resursseja. Teiden
rakenteellinen kunto huolestuttaa useita tahoja ja tarve ongelman ratkaisemiseen on edelleen olemassa. Uusi mittaustekniikka Mittaustekniikan kehitys on mennyt eteenpäin ja nyt on saatavissa tien taipumamittausta jatkuvana tietona. Ruotsissa ja Yhdysvalloissa on ollut merkittäviä kehitysprojekteja. Tanskalainen Greenwood Ltd. (http://www.greenwood.dk/) lienee pisimmällä jatkuvatoimisten taipumanmittauslaitteiden (TSD=Traffic Speed Deflectometer) valmistajana. Muita käytössä olevia on mm Curviometer (Espanja, Belgia) ja Profilograph, jossa on liikkuva Lacroix palkkki. Mittaavat anturit on asennettu puoliperävaunulliseen kuorma-autoon siten, että niitä on kuormittavasta pyörästä noin 1,8 metrin matkalla. Antureilla rekisteröidään tunnetun pyöräpainon aiheuttama taipuma päällysteessä vertaamalla sitä kuormittamattomaan tilanteeseen. Päällysteen pinnan taipumanopeuden määrittämisessä käytetään Doppler-tekniikkaa. Tieto prosessoidaan taipumiksi käyttämällä tietoa ajoneuvon liikkeistä ja tierakenteen taipumanopeudesta. Tähän mennessä on valmistettu ja otettu käyttöön kahdeksan TSD-laitetta eri puolilla maailmaa: Tanskassa (2000), Englannissa (2000), Italiassa (2010), Puolassa (2011), Etelä-Afrikassa (2012), Kiinassa (2013), Yhdysvalloissa (2013) ja Australiassa (2013). Laitteilla on tehty pilottimittauksia mm. Suomessa (2013) ja Ruotsissa (2013). Kuva 2. Greenwoodin valmistamia TSD-laitteita. Pilottimittaukset Suomessa Puolalaisen Road and Bridge Research Instituten TSD-laite saatiin syksyllä 2013 Suomeen ja sillä mitattiin noin 250 km Kaakkois-Suomen tiestöä. Mittaukset sujuivat ongelmitta ja erittäin sujuvasti kahdessa päivässä. Laitteen toiminnasta saatiin mm. seuraavia kokemuksia: Laite soveltuu päällystettyjen teiden taipumien mittaamiseen ja mittaus tapahtuu liikenteen nopeudella (38-90 km/h). Vaihtelut mittausnopeudessa eivät vaikuta mittaustuloksiin. Päällysteen tulee olla mittaushetkellä kuiva. Tulosteina saadaan paikkatieto, taipumasuppilon 8 taipumaa, päällysteen pinnan ja ilman lämpötilat, tasaisuustunnusluku IRI sekä muita ajoneuvon liikkeitä kuvaavia gyroskoopin tuottamia tietoja. Laite kuormittaa tierakennetta kuten akselipainoltaan 10 tonnin raskas ajoneuvo. Laite tuottaa kahdeksan taipumaprofiilia jatkuvana metritietona, mutta ne suositellaan keskiarvoistettaviksi 10 m välein. Taipumien toistettavuus on suhteellisen hyvä (toistokorrelaatio n. 90 %) ja se todennäköisesti paranee kun mittaukseen saadaan lisättyä tieosoitteen hallinta. Päätaipuma on hiukan pienempi kuin pudotuspainolaitteella saatava taipuma.
Taipumista laskettava taipumaindeksi, SCI300, on yhtenevä pudotuspainolaitteen vastaavan indeksin kanssa. Laitetta valmistetaan eri kokoonpanoilla. Taipumanmittaussensoreita voi olla vaihteleva määrä ja niitä on helppo lisätä mm. kuormittavan pyörän jälkeen, jolloin kerrosmoduulien tarkkuus takaisinlaskennassa paranee. Epätasaisuus aiheuttaa Doppler lasereille haasteita. Siksi mittausnopeutta on epätasaisilla teillä vähennettävä. Pyöräpainon mittaamiseen on mahdollista lisätä anturi, jolla se otetaan huomioon. TSD-laite ei sovellu tällä hetkellä liian jäykille teille. TSD:n tulosten on todettu korreloivan hyvin pudotuspainolaitteen tulosten kanssa. Kuvassa 3 on esitetty TSD-laitteen ja KUAB-laitteen välisen Suomessa tehdyn vertailun tuloksia. TSD tuottaa hiukan pienempiä taipumakeskiarvoja kuin KUAB-laite. Vertailua häiritsee kuitenkin erisuuruinen mittausväli. Myös TSD:n toistettavuutta on pidetty eri puolilla maailmaa tehdyissä vertailuissa hyvänä. Kuvassa 4 on esitetty TSD:n päätaipumien profiilit yhdeltä tieosalta kolmesta eri mittauksesta. Profiilit seuraavat melko hyvin toisiaan. Kuva 3. TSD:n ja pudotuspainolaitteen päätaipumien vertailua kuudella eri kohteella. Kohteiden tunnistuskoodi koostuu tienumerosta, ajorata-, suunta- ja kaistakoodeista sekä tieosanumerosta.
Kuva 4. TSD:n päätaipuman toistettavuus maantiellä 3662 tieosalla 2. Keväällä 3. 4.4.2014 pidettiin TSD-laitteen käyttökokemuksista seminaari Saksassa Darmstadtissa. Seminaariesitelmissä painotettiin mm. sitä, ettei päällysteiden ylläpitoa tule perustaa pelkästään pintakuntoon ja että TSD-laite on kauan kaivattu lisä tieverkon rakenteellisen kunnon hallinnassa. Esitelmät käsittelivät TSD:n ja pudotuspainolaitteiden välisiä vertailuja, joissa niiden todettiin korreloivan hyvin toistensa kanssa. Samalla todettiin kuitenkin, että tutkimusta tarvitaan lisää. Uuden mittaustekniikan tarjoamat mahdollisuudet Uuden mittaustekniikan tarjoamat merkittävimmät parannukset ovat mittaamisen nopeus ja jatkuva mittaus. Jatkuva taipumanmittaus mahdollistaa taipumatiedon yhdistämisen ja käytön muiden jatkuvatoimisesti mitattujen tunnuslukujen kanssa. Erityisen arvokas mahdollisuus on kytkeä taipumatieto ja kerrospaksuustieto yhteen, jolloin päästään määrittämään tierakenteen kerrosten jäykkyysominaisuuksia. Rakennekerrosten kuormansietokyky riippuu kerrosten jäykkyydestä, joka vaihtelee sään ja ilmaston muuttuessa. Vasta jatkuvan taipumatiedon myötä myös kerrospaksuuksien mittaaminen tulee tarpeelliseksi. Kun jäykkyystieto saadaan määritettyä jatkuvana ja vuoden eri ajankohtina, ovat kummatkin taipumatiedon käyttöön liittyneet pituussuuntaisen vaihtelun ja kausivaihtelun ongelmat poistuneet. Kun kerrosten jäykkyysominaisuudet pystytään määrittämään jatkuvina, on myös tierakenteiden kestävyyteen liittyvä määrittämisen ongelma huomattavasti pienentynyt. Se puolestaan nostaa tietämystä teiden rakenteellisesta kunnosta ja siihen vaikuttavista tekijöistä. Uuden tiedon avulla pystytään hallitsemaan tieverkon ylläpidon koko toiminnansuunnittelun ketju; nykytilan hallinta, resurssitarpeiden perustelut ja resurssien hankinta, resurssien kohdistaminen sekä lopulta vuosityöohjelmien laatiminen ja toimenpiteiden valinta ja kohdistaminen, myös teiden rakenteellisen kunnon kannalta. Pintakuntovetoisen ja tieomaisuuden säilymisen kannalta kevyen ylläpitopolitiikan rinnalle ja vastapainoksi on mahdollista luoda kokonaistaloudellinen teiden ylläpidon ohjaus, missä rakenteellisen kunnon painoarvo on nykyistä suurempi. Jatkuva taipumatieto toisi mahdollisuuksia myös valmistuvien teiden laadunvarmistukseen. Liikennevirastossa on ollut käynnissä projekti, jossa on toteutettu ajoneuvojen massoihin ja mittoihin liittyviä selvityksiä sekä kehitetty tien rakenteellisen kunnon hallintaa. Eräs selvitys oli tien rakenteellisen kuntoon liittyvän tunnusluvun kehittäminen. Siinä yhdistettiin tiehen kohdistuva kuormitus ja tien kuormituskapasiteetti yhteen. Ajoneuvosimuloinnilla laskettiin tiehen kohdistuvaa jatkuvaa dynaamista kuormitusta, jota käytettiin sekä rakennekerrosten jäykkyysmoduulien että kuormituksen aiheuttamien
jännitysten ja muodonmuutosten laskemisessa. Tiensuunnittelusta tuttua mitoituslaskentaa sovellettiin olemassa olevaan tierakenteeseen yhdessä muiden mitattujen tietojen kanssa kokonaisille tieosille. Uusi taipumanmittausmenetelmä ja uusi Response-In-Motion vastelaskentamenetelmä muodostavat kokonaisvaltaisen tavan hallita tien tilaa ja ne tuovat mm. seuraavia mahdollisuuksia: 1. Jatkuva taipumatieto mahdollistaa tierakenteiden paksuustiedon hyödyntämisen 2. Sen avulla tierakenteen kerrosten jäykkyydet pystytään laskemaan 3. Rakennekerrosten jäykkyyksien kausivaihtelu on helpommin selvitettävissä 4. Tierakenteen kuormitusten aiheuttamia vasteita pystytään laskemaan kaikille teille 5. Tierakenteiden vaurioitumismekanismeista saadaan parempi ote 6. Tierakenteen toimimattomuuden syyt ja kohdistuminen löytyvät aiempaa paremmin 7. Tien jäljellä olevaa kestoikää voidaan laskennallisesti arvioida 8. Tien rakenteelliselle kunnolle saadaan verkkotasolla toimiva tunnusluku 9. Rakenteellisen kunnon tilan hallinta ylläpidossa paranee 10. Ylläpidon resurssitarve on paremmin perusteltavissa ja ylläpitotoimet paremmin ajoitettavissa ja kohdistettavissa Jatkuvan taipumatiedon puuttuminen on toiminut pullonkaulana maanteiden ylläpidon kehittämisessä Suomessa. Ikääntyneen ja huonokuntoisen tien rakenteellisen kunnon problematiikka on vaikea asia ja edellyttää pitkäjänteistä ja monipuolista kehittämistä. Mittaustekniikat jatkuvatoimisille taipumien ja kerrospaksuuksien mittaamiselle ovat olemassa. Laskentatekniikat kokonaisvaltaisen tiestötiedon käytölle kunnon hallinnan alueella ovat nekin kehittyneet paljon. Jatkuvan taipumanmittauksen käyttöönotto kahdeksassa eri maassa sekä kokemukset Suomessa tehdystä pilotista antavat positiivisen signaalin sille, että kehitysaskeleita teiden rakenteellisen kunnon hallinnassa olisi nyt syytä ottaa.
Ajoneuvo anturina tienpinnan liukkauden tunnistamisessa Renne Tergujeff & Raine Hautala, Teknologian tutkimuskeskus VTT Tiivistelmä VTT on kehittänyt menetelmän, jolla liukkaat keliolosuhteet voidaan havaita nopeasti, tarkasti ja vähäisin kustannuksin hyödyntämällä tieverkolla liikkuvia ajoneuvoja antureina. Menetelmä perustuu ajoneuvon CAN-väylästä saatavien tietojen jatkuvatoimiseen mittaamiseen ja analysointiin. Ratkaisu on ohjelmistopohjainen, joten ajoneuvoon ei tarvitse asentaa havaintolaitteita, eikä kuljettajan tarvitse tehdä mitään erillisiä toimenpiteitä. Tämän ansiosta menetelmä on otettavissa hyvin käyttöön suuressa ajoneuvojoukossa kustannusten pysyessä kohtuullisina. Ajoneuvojen tuottamaa liukkaustietoa voidaan koota ja hyödyntää talvihoidon tarpeisiin sekä esittää tienkäyttäjille halutussa muodossa esimerkiksi suorina liukkausvaroituksina ajoneuvoihin tai visualisointina karttakäyttöliittymässä. Kattavaa liukkaustietoa voidaan hyödyntää myös tiedotuspalveluissa sekä kaupallisissa lisäarvopalveluissa. Tarve tienpinnan liukkaustiedolle EU:n alueella raportoidaan tieliikenteessä vuosittain noin 30 000 kuolemantapausta ja 1,5 miljoonaa loukkaantumista, joista aiheutuu noin 130 miljardin euron kustannukset. WHO:n mukaan tieliikenneonnettomuudet ovat 5-29-vuotiaiden yleisin kuolinsyy (WHO European Region). [0, 0] Turvallisuuden parantamiseen ja kuolemantapausten ja vakavien vammautumisten vähentämiseen on selkeä yhteiskunnallinen tarve, ja EU onkin asettanut jäsenvaltioilleen tavoitteen vähentää liikenneonnettomuuksia 50% välillä 2010-2020 (COM(2010) 389). [0] Suomessa huonot sääolosuhteet ja tienpinnan liukkaus ovat vaikuttava tekijä 20-25 % liikennekuolemista ja noin 260 miljoonaan euroon nousevissa vuotuisissa kustannuksissa (kuolemantapaukset ja loukkaantumiset). [0, 0] Onnettomuusriskin on todettu olevan lumisissa tai jäisissä olosuhteissa yli nelinkertainen verrattuna normaaleihin kuivan päällystetyn tien olosuhteisiin. Kuolemaan johtaneissa onnettomuuksissa irtolumisella tai sohjoisella tiellä onnettomuusriskin on arvioitu olevan lähes viisinkertainen. [0] Euroopassa on asetettu tärkeäksi kehityskohteeksi huonoista olosuhteista johtuvien onnettomuuksien merkittävä vähentäminen. Vireillä onkin voimakkaita lainsäädännöllisiä toimia, kuten Euroopan komission asetus C(2013) 2550, joka edellyttää ajantasaisten paikkakohtaisten varoitusten jakamista tienkäyttäjille liukkaan tien olosuhteista. [0] Edellä esitetyt haasteet ja kehityssuunnat osoittavat tärkeäksi kehittää ja ottaa laajasti käyttöön uusia kustannustehokkaita tapoja tienpinnan liukkauden tunnistamiseen. Liukkaudentunnistus Yleiskäyttöisimpiä keinoja tienpinnan liukkauden arviointiin ovat lämpötilamittaukset ja säämallinnus, joiden tarjoama tarkkuus on kuitenkin rajallinen. Paikallisesti tietoa voidaan kerätä tehokkaasti tienvarsisensoreilla, kuten infrapuna-alueella toimivilla optisilla mittalaitteilla. Kiinteästi asennettavien laitteiden kalleus mahdollistaa kuitenkin vain harvan mittausverkon.
Liikuteltavia ratkaisuja ovat erityisissä kitkatrailereissa käytettävät mittapyörät sekä tien kunnossapitäjien tuntemat, kiihtyvyysantureihin perustuvat jarrutuspidon mittauslaitteet. Nämä ratkaisut soveltuvat erikoiskäyttöön, mutta laajamittaiseen tiedonkeruuseen ne ovat epäkäytännöllisiä. Ajoneuvoihin voidaan myös asentaa optisia ja muita tienpintaa lyhyen etäisyyden päästä analysoivia sensoreita, joiden etuna on jatkuvatoimisuus. Jälkiasennettavina ja kalliina laitteina myös näillä ratkaisuilla on haasteellista saavuttaa kustannustehokkaasti riittävän laaja mittausverkosto. Ajoneuvo anturina VTT:n menetelmässä Teknologian tutkimuskeskus VTT on kehittänyt jatkuvatoimisen menetelmän, jolla liukkaat keliolosuhteet voidaan havaita nopeasti, tarkasti ja vähäisin kustannuksin hyödyntämällä tieverkolla liikkuvia ajoneuvoja antureina. Tämä mahdollistaa täsmällisen liukkaustiedon toimittamisen tienkäyttäjille halutussa muodossa, esimerkiksi suorina liukkausvaroituksina ajoneuvoihin (Kuva 1). Tietoa voidaan myös hyödyntää muun muassa talvihoidon apuna ja lisäarvopalveluissa. Kuva 1. Konseptikuva kuljettajalle annettavasta liukkausvaroituksesta. VTT:n menetelmä perustuu ajoneuvon CAN-väylässä saatavilla olevien matalan tason tietovirtojen analysointiin. Menetelmän perusteet on patentoitu. [0] Menetelmässä mitataan ja analysoidaan reaaliaikaisesti vetävien ja vapaasti pyörivien akselien pyörimisnopeuksien ero ja ajonaikaiset moottorin käyttötiedot (pääasiassa moottorin käyntinopeus ja vääntö) eri ajotilanteissa. Ratkaisu on ohjelmistopohjainen, joten ajoneuvoon ei tarvitse asentaa erillisiä antureita tai muita havaintolaitteita eikä kuljettajan tarvitse tehdä mitään ajoa hankaloittavia toimenpiteitä. Ohjelmisto toimii ajoneuvotietokoneessa, jollaiset ovat jo yleisiä raskaan ajoneuvon kalustossa. Menetelmä on herkkä jo pienille muutoksille tienpinnan liukkaudessa, toisin kuin menetelmät, jotka seuraavat kuljettajan sähköisten avustusjärjestelmien (ABS, ESC, TCS) aktivoitumista. Avustusjärjestelmät reagoivat olosuhteiden muutoksiin viiveellä ja vasta kun kuljettajan ajosuoritus tarvitsee jo korjausta. Tienpinnan liukkaus on tärkeää tunnistaa jo sen alkuvaiheessa. Alhaisten käyttöönotto- ja ylläpitokustannusten ansiosta menetelmä on otettavissa käyttöön suurissa ajoneuvojoukoissa. Tämä mahdollistaa kerättävän liukkaustiedon laajan maantieteellisen kattavuuden ja erinomaisen aika- ja paikkatarkkuuden.
Menetelmän pilottitoteutukset Edellä kuvattu menetelmä on toteutettu ohjelmistona erityyppisissä ajoneuvotietokoneissa. Ohjelmisto huolehtii ajonaikaisesta CAN-tiedon lukemisesta sekä samanaikaisten GPS-paikannustietojen tallentamisesta. Tiedon prosessointi ja analysointi tapahtuu reaaliaikaisesti. Mittaustulokset lähetetään taustajärjestelmän ajoneuvotietokoneen tarjoamien yhteyspalveluiden (GPRS, 3G) välityksellä. Menetelmän mittaustarkkuudesta ja luotettavuudesta on saatu hyviä tuloksia raskaan kaluston ajoneuvoilla tehdyissä noin 40 ajoneuvon kenttäkokeissa, joissa menetelmän havaittiin korreloivan selvästi kuljettajien näkemysten ja virallisten kitkamittausten kanssa, erityisesti hyvin liukkailla osuuksilla. [0] Menetelmän demonstroimiseksi on kehitetty joukko sitä tukevia järjestelmiä, joista oleellisin on taustajärjestelmä havaintojen keräämiseen, tiedonhallintaan ja havaintojen kalibrointiin. Lisäksi on testattu erillistä varoitusjärjestelmää vaarallisen liukkaita tienkohtia lähestyville kuljettajille, hyödyntäen yksinkertaista LED-merkkivaloon perustuvaa tiedotusjärjestelmää rekan ohjaamossa. Lisäarvopalveluita varten suunnitellaan liukkaustietojen tarjoamista ohjelmallisten rajapintojen kautta. Kertyvän liukkaustiedon havainnollistamiseksi on kehitetty myös tilannekuvan tarjoava karttavisualisointi. Esimerkkikuvassa (Kuva 2) on menetelmän tuottama liukkaustieto Etelä-Suomen tieverkolla 2.12.2013. Liukkaustaso osoitetaan värikoodilla, ja merkkipallon koko osoittaa alueelta saatujen havaintojen lukumäärää. Kuva 2. Tienpinnan liukkaushavaintojen tilannekuva. Menetelmän hyödyntäminen ja jatkokehitys Viime aikoina VTT on kehittänyt muun muassa menetelmän optimointia kaupallista käyttöä varten. Eri ajoneuvotyypeistä kertyvän datan automaattinen kalibrointi parantaa liukkausanalyysin luotettavuutta. Kaikkiaan on valmiina hyödynnettäväksi toimiva,
raskaalle kalustolle kehitetty liukkaudentunnistusjärjestelmä ja siihen liittyvät prototyyppipalvelut. Oikeaa ja yksityiskohtaista tienpinnan liukkaustietoa voi tuottaa menetelmän avulla laajalla maantieteellisellä alueella kustannustehokkaasti ja skaalautuvasti eri tarpeisiin. Hahmotellun liukkaustietopalvelun mahdollisiksi hyödyntäjiksi on tunnistettu muun muassa julkishallinto (turvamääräykset), kunnossapito-operaattorit (talvihoidon optimointi), tiesääpalvelujen tarjoajat, navigointipalvelujen tarjoajat, ajoneuvovalmistajat, kuljetusoperaattorit ja vakuutusyhtiöt. Kuva 3 esittää rajatun yleiskuvan liukkaustiedon keräämisestä ja jakelusta tiedon tarvitsijoille. Kuva 3. Liukkaustietopalvelun yleiskuva. Kehitetyn ratkaisun laajassa käyttöönotossa on eräänä haasteena varmistaa liukkaustiedon yhdenmukainen ja vertailukelpoinen tuottaminen. Menetelmä itsessään ei ole osoittautunut herkäksi ajoneuvojen välisille eroille, mutta eroja löytyy ajoneuvotietokoneiden ja tietoväyläliitäntöjen välillä ohjelmointiympäristöissä, ominaisuuksissa, suorituskyvyssä ja tietoväylästandardien noudattamisessa. Huomiota on kiinnitettävä myös tiedon laadun ja yksityisyyden suojan varmistamiseen. Menetelmän testikäyttöä on äskettäin laajennettu joukkoon Helsingin seudun liikenteen (HSL) busseja, ja lisäksi valmistellaan yhteistyötä Helsingin kaupungin rakennusviraston (HKR) sekä FIRWE-projektin (Finnish Road Weather Excellence) kanssa. Tuleviin kehityskohteisiin lukeutuvat myös menetelmän soveltaminen ja pilotointi henkilöautoissa, sekä tehokkaat tavat viestittää kuljettajille huomionarvoisista muutoksista keliolosuhteissa. Tavoitteena on myös vertailla VTT:n liukkaudentunnistusmenetelmää samoissa olosuhteissa muiden menetelmien kanssa. Tunnistamalla eri menetelmien edut ja parhaat soveltamiskohteet voidaan suunnitella myös menetelmien yhteiskäyttöä.