Menetelmäkuvaus TPPT 20

TIEN POHJA- JA PÄÄLLYSRAKENTEET TUTKIMUSOHJELMA 1994-2001 Menetelmäkuvaus TPPT 20 Espoo, 20.12.2001 PÄÄLLYSRAKENTEEN ELINKAARIKUSTANNUSANALYYSI Sami Petäjä Harri Spoof VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka

1 Alkusanat Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelman (TPPT) lopputulosten tavoitteena on entistä kestävämpien uusien ja perusparannettavien kestopäällystettyjen teiden rakentaminen siten, että myös rakenteiden vuosikustannukset alenevat. TPPT-ohjelmassa kehitettiin tierakenteiden mitoitusta (TPPT-suunnittelujärjestelmä). Suunnittelujärjestelmään kuuluvissa mitoitusohjeissa ja menetelmäkuvauksissa esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. TPPT-suunnittelujärjestelmään sisältyy myös päällysrakenteen elinkaarikustannustarkastelu, jonka suorittamiseksi esitetään menettelytapa. Suunnittelujärjestelmälle on ominaista, että tierakenteen mitoitus tapahtuu paikkakohtaisilla tiedoilla ja parametreilla (liikenne, ilmasto, pohjamaa, käytettävät rakennemateriaalit, vanhat rakenteet). Mitoituksessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Myös muiden mitoituksessa tarpeellisten lähtötietojen hankinnassa ja ongelmakohtien tai muutoskohtien paikannuksessa käytetään maastossa ja tiellä tehtäviä havaintoja ja mittauksia. Suunnittelujärjestelmään kuuluvat oleellisena osana sitä täydentävät suunnittelun ja mitoituksen lähtötietojen hankintaa käsittelevät menetelmäkuvaukset. Esitettävät menetelmät ja menettelytavat on todettu käyttökelpoisiksi käytännön havaintojen ja kokeiden perusteella. TPPT-ohjelman tuloksena laaditaan myös yhteenveto ohjelmaan sisältyneistä, mitoitusohjeiden laadinnassa hyväksikäytetyistä koerakenteista sekä yhteenveto tien rakennekerrosten materiaaleista ja niiden valintaan vaikuttavista tekijöistä. Tämän Päällysrakeneen elinkaarikustannusanalyysi menetelmäkuvauksen ovat laatineet tutkijat Sami Petäjä ja Harri Spoof VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikasta. Mukana projektissa vuoteen 1999 asti oli myös Antti Ruotoistenmäki. Laskentaesimerkkien laadintaan on osallistunut Ari Kalliokoski Tieliikelaitoksen konsultoinnista. Menetelmäkuvauksen sisältö on käyty läpi yhdessä Tiehallinnon ja Tieliikelaitoksen asiantuntijoiden kanssa. Joulukuussa 2001 Markku Tammirinne

2 Sisältö 1. ELINKAARIKUSTANNUSANALYYSIN PERUSTEET... 3 1.1 Yleistä... 3 1.2 Tienpitäjän kustannukset... 4 1.3 Tien käyttäjien kustannukset... 4 1.4 Rakenteen jäännösarvo... 5 1.5 Tien vaurioitumisprosessi... 5 2. ELINKAARIKUSTANNUSANALYYSI... 7 3. KUNNON ENNUSTEMALLIT... 14 3.1 Paksut AB-rakenteet... 14 3.1.1 Päällysteen urautuminen... 14 3.1.2 Vaurioituminen... 15 3.1.3 Tasaisuuden muuttuminen... 17 3.2 Ohuet PAB-rakenteet... 18 3.2.1 Päällysteen urautuminen / epätasaisuus... 18 3.2.2 Vaurioituminen... 19 3.2.3 Tasaisuuden muuttuminen... 20 4. TOIMENPITEIDEN KUSTANNUKSET... 20 5. TYÖMAAN AIHEUTTAMAT LISÄAJOKUSTANNUKSET... 21 6. LASKENTAESIMERKIT... 25 6.1 Valtatiekohde, AB-rakenne, KVL 10 000... 26 6.1.1 Tien kunnon muuttuminen elinkaaren aikana... 28 6.1.2 Vuosikustannus... 31 6.2 Paikallistiekohde, PAB-rakenne, KVL 950... 32 6.2.1 Tien kunnon muuttuminen elinkaaren aikana... 34 6.2.2 Vuosikustannus... 36 6.3 Moottoritiekohde, AB-rakenne, KVL 35 000... 38 6.3.1 Tien kunnon muuttuminen elinkaaren aikana... 39 6.3.2 Vuosikustannus... 40 7. KIRJALLISUUS... 42 8. LIITTEET... 43

3 1. ELINKAARIKUSTANNUSANALYYSIN PERUSTEET 1.1 Yleistä Elinkaarikustannusanalyysi on osa tierakenteen suunnittelua ja sen avulla voidaan laskea eri rakennevaihtoehdoille valitun elinkaaren aikaiset tienpitäjän ja tienkäyttäjän kustannukset ja valita vuosikustannuksiltaan taloudellisin ratkaisu. Tällä hetkellä (joulukuu 2001) laskentamenettely soveltuu AB- ja PAB-rakenteille, joille on kehitetty laskennassa tarvittavia kunnon ennustemalleja (kestoikämalleja). Sen sijaan tällä hetkellä laskenta ei sovellu maabetoni-, bitumistabilointi- ja muille uusille rakenteille, koska niille ei ole vielä olemassa laskennassa tarvittavia kunnon ennustemalleja (kestoikämalleja). Tulevissa hankintamenettelyissä tarjottujen ratkaisujen arviointi perustuu vuosikustannusten laskentaan. Jotta laskenta olisi riittävän luotettavaa, pitää arvioitaville rakenteille olla olemassa luotettavat kestoikämallit, joiden kehittäminen on jatkossa ensiarvoisen tärkeää. Tässä raportissa ei ole huomioitu ympäristövaikutuksia laskettaessa elinkaaren aikaisia kustannuksia. Ympäristövaikutukset tulee huomioida rakenteen valinnan yhteydessä. Tekesin johdolla vuosina 1994-99 toteutetussa ympäristögeotekniikka-ohjelmassa laadittiin menettelytapa maarakentamisen elinkaariarviointiin (Eskola, P. et al. 1999). Elinkaariarviointi (Life cycle assessment) käsittää tuotteen (tierakenteen) elinkaaren aikaisten ympäristövaikutusten arvioinnin materiaalien tuotannosta ja rakenteen valmistamisesta sen käytön aikaisten vaikutusten sekä purkamisen ja kierrätettävyyden arviointiin. Elinkaarikustannusanalyysi suositellaan tehtäväksi pohjarakenteille ja päällysrakenteille erikseen, koska pohjarakenteiden kustannukset ovat huomattavasti päällysrakennetta suuremmat. Tässä yhteydessä esitetään menettely ainoastaan päällysrakenteen elinkaaren aikaisten tienpitäjän ja tien käyttäjien kustannusten laskemiseksi. Päällysrakenteen elinkaarikustannusanalyysi on periaatteiltaan sama uudelle rakenteelle ja rakenteen parantamiselle. Se soveltuu tehtäväksi sekä kestopäällysteisille että kevytpäällysteisille rakenteille. Elinkaarikustannusanalyysiä on käsitelty mm. lähteessä (Kalliokoski 1995). Elinkaarikustannuslaskennan käytön kehittämistä tienpidossa on käsitelty raportissa tiehallinnon selvityksiä 23/2001 (Kalliokoski, A & al 2001). Tässä työssä on käytetty hyväksi myös Euroopan Komission IV puiteohjelmaan kuuluvan Pav-Eco projektin tuottamia tuloksia (PAV ECO 1999). Projekti toteutettiin vuosina 1997-1999. Tien eri osien elinikä tai elinkaari voi olla hyvin eri mittainen. Päällyste uusitaan vilkas liikenteisillä teillä kulumisurien vuoksi muutaman vuoden välein. Pohjarakenteiden tavoitteellinen elinikä voi olla 50-100 vuotta. Erilaisilla parantamis- ja ylläpitotoimenpiteillä on erilaiset kestoiät. Tien elinkaarella tarkoitetaan tässä yhteydessä tarkasteluajanjaksoa, jonka pituuden suunnittelija valitsee vaihtoehtoisten rakenneratkaisujen ja / tai tiehen kohdistuvien toimenpiteiden välistä kustannusvertailua varten. Tarkasteluajanjakso valitaan siten, että se päättyy seuraavaan raskaaseen rakenteen parantamistoimenpiteeseen tai tarkastelujakson pituus on vakio esim. 20, 30 tai 40 vuotta. Kevytpäällysteisillä teillä tarkastelujakson pituus on lyhyempi kuin paksupäällysteisillä teillä, koska päällysrakenteen kestoikä on yleensä PAB-teillä lyhyempi. Koska elinkaarikustannusten arvioinnin tarkoituksena on rakennevaihtoehtojen välinen vertailu, tarkastelussa on tarpeen huomioida ainoastaan ne kustannukset, joilla on eroja eri

4 vaihtoehtojen välillä. Kustannukset diskontataan tarkastelujakson alkuhetkeen ja lasketaan vuosikustannus tarkastelujakson aikana. Tienpitäjän ja tien käyttäjien kustannukset voidaan laskea erikseen tai laskea niiden summa, joka pyritään minimoimaan. 1.2 Tienpitäjän kustannukset Tienpitäjän kustannusten laskemiseksi tarvitaan tieto rakentamiskustannuksista sekä tulevien toimenpiteiden kustannuksista ja kestoiästä. Tienpidon ohjauksessa ja ohjelmoinnissa käytetään neljää kuntomuuttujaa (mittaria), jotka ovat - vauriot (vauriosumma), - urat (urasyvyys), - tasaisuus (IRI) ja - kantavuus (kastavuusaste). Myös tienpidon hankinnassa käytettävän suunnittelujärjestelmän ja siinä tehtävän elinkaarilaskennan tulee perustua samoihin kuntomuuttujiin. Tien ylläpitotarvetta arvioidaan kuntomuuttujien arvojen ja ennustetun kehittymisen perusteella. Pintakuntomuuttujia ovat pituus- ja poikkisuuntainen epätasaisuus sekä osa vaurioista. Tien pituussuuntaista epätasaisuutta kuvataan tien pituusprofiilista laskettavalla tunnusluvulla (IRI, International Roughness Index, yksikkö mm/m). Tien poikkisuuntaista epätasaisuutta kuvataan yleensä urasyvyydellä (mm). Tien pinnalla havaittavat vauriot ovat seurausta liikenteen ja ilmaston sekä painumien kuormittavasta vaikutuksesta. Pituus- ja poikkisuuntaista epätasaisuutta mitataan palvelutasomittaus (PTM) -autolla. Vaurioinventointi tehdään yleensä näköhavaintoon perustuen ja kirjataan joko paperille tai automatisoidusti tietokoneelle (Päällystevaurioiden inventointiohje 1994). Tien rakenteellista kuntoa seurataan pudotuspainolaitteella, jolla mitattu tien pinnan taipuma on rakenteen vaurioitumista selittävä tekijä tietyllä liikennekuormituksella (Menetelmäkuvaukset TPPT 1 Pudotuspainolaitemittaus (PPL-mittaus) ja TPPT 2 Rakennekerrosmoduulien takaisinlaskenta sekä jännitysten ja muodonmuutosten laskenta). Kuntomuuttujien kehittymistä ennustetaan kenttähavaintoihin perustuvilla malleilla. Mallit perustuvat aineistoon, jossa on käytetty perinteisiä rakennemateriaaleja. Tien ylläpitotarvetta käytettäessä uusia materiaaleja ja rakenneratkaisuja on arvioitava ensi vaiheessa samoilla malleilla kuin referenssirakenteita. TPPT-koerakenteiden pitkäaikaisseurannalla on saatu tietoa uusien materiaalien ja rakenteiden käyttäytymisestä ja ylläpitotarpeesta todellisissa kenttäolosuhteissa (TPPT raportti: TPPT-koerakennuskohteet. Tulokset) Elinkaarikustannusten laskennassa on arvioitava toimenpiteiden vaikutusta kuhunkin kuntomuuttujaan erikseen. Rakenteen kuntoa kuvaavat muuttujat ja niiden mitoittaminen sekä kestoikäarvio ovat elinkaarikustannuksia määrääviä tekijöitä. Lisäksi tien pintakuntomuuttujat voivat olla toimenpiteen laukaisevana tekijänä. Kriittinen kuntomuuttuja voidaan usein arvioida etukäteen liikennemäärän perusteella. Vähäliikenteisillä ja kapeilla teillä on yleensä routanoususta aiheutuvaa epätasaisuutta ja kuormituskestävyyspuutteita, jotka aiheuttavat urautumista ja vaurioitumista. PAB-teillä urautumista mitataan harjanteen korkeutena ja poikittaisena epätasaisuutena. Vilkasliikenteisillä teillä yleinen vauriotyyppi on päällysteen kulumisesta ja deformaatiosta aiheutuva urautuminen. 1.3 Tien käyttäjien kustannukset Kestopäällysteisillä pääteillä käyttäjien kustannukset eivät hanketasolla muutu merkittävästi tien kunnon muuttuessa. Alemmalla tieverkolla tien kunnon heiketessä epätasaisuuden

5 lisääntyminen kasvattaa tien käyttäjien aika- ja ajoneuvokustannuksia. Suurilla liikennemäärillä ylläpitotyömaan aiheuttamat lisäkustannukset voivat olla hyvinkin merkittävät. Työmaan aiheuttama liikenteen ruuhkautuminen lisää tien käyttäjien aikakustannuksia. Lisäksi kiertotiet tai liikenteen siirtyminen mahdollisille vaihtoehtoisille reiteille lisää aika- ja ajoneuvokustannuksia. 1.4 Rakenteen jäännösarvo Rakenteen jäännösarvolla ymmärretään yleisesti sen kunnosta riippuvaa rakenteen nykyarvoa. Sitä voidaan myös käsitellä kustannuksena, joka tarvitaan rakenteen palauttamiseksi alkuperäiseen kuntotilaan. Elinkaarikustannusten laskennassa tarkastelujakso valitaan niin pitkäksi (yli 30 vuotta), että eri rakennevaihtoehtojen jäännösarvojen erolla ei tule olemaan merkitystä laskennan kannalta. Toisaalta voidaan olettaa, että kun tarkastelujakso on pitkä, rakenne vaatii uuden rakenteenparantamistoimenpiteen, jolloin rakenteen jäännösarvo on lähellä nollaa. Tarkastelujakson pituus voi olla erilainen eri vaihtoehdoilla, jos niillä on erilainen kestoikä tai ylläpitostrategia. Tällöin eri vaihtoehtojen välillä ei oleteta olevan eroa tien kunnossa tarkastelujakson lopussa. Tällöin rakenteen jäännösarvo voidaan jättää elinkaaritarkastelussa huomioimatta. 1.5 Tien vaurioitumisprosessi Kuvassa 1.1 on havainnollistettu tien vaurioitumisprosessia paksupäällysteisillä AB-teillä. Tien rakenteellinen mitoitus käsittää ajan ensimmäisestä toimenpiteestä (tien rakentaminen tai rakenteen parantaminen) ensivaurion syntymiseen. Paksupäällysteisillä teillä rakenteet mitoitetaan mekanistis-empiirisillä menetelmillä liikennekuormituksen perusteella (Menetelmäkuvaus TPPT 17 Kuormituskestävyysmitoitus - Päällysrakenteen väsyminen). Kevytpäällysteisillä teillä vaurioitumismekanismi poikkeaa paksupäällysteisistä teistä ja niille on käytettävä omia vaurioitumismalleja ja mitoitusmenetelmiä. Paksupäällysteisillä teillä ensivaurion jälkeen vaurioituminen etenee tietyllä nopeudella kunnes saavutetaan toimenpideraja. Toimenpideraja voidaan saavuttaa yhden tai useamman kuntomuuttujan (tasaisuus, vauriot, urasyvyys) perusteella. Toimenpiteen ajoitus ja rankkuus riippuu rakenteen vaurioitumisnopeudesta kestoiästä ja valitusta ylläpitostrategiasta (kuntomuuttujien raja-arvoista). Kuvan 1.1 mukaan paksupäällysteisillä teillä rakenteen vauriokehitystä ja siten toimenpiderajan saavuttamista arvioidaan kestoikämalleilla. Tulevien toimenpiteiden jälkeistä vauriokehitystä arvioidaan vaurioiden kasvunopeusmalleilla.

6 Tien rakenteellinen kunto / vauriot Tarkastelujakson pituus Toimenpideraja Mitoitusjakso (ensivaurio) väsymismalli Vaurion kehittyminen kestoikämalli Toimenpiteiden vaikutus kestoikämalli Aika Kuva 1.1. Tierakenteen kuormituskestävyysmitoitus ja tien kunnon hallinnan periaate paksupäällysteisillä teillä. Vaurioitumisprosessi kevytpäällysteisillä teillä Alemman tieverkon tiet ovat tyypillisesti kapeita, niiden päällyste ja rakennekerrokset ovat ohuita ja luiskat jyrkkiä. Kuormituskestävyyden kannalta tällaisissa kohteissa korostuu sitomattomien rakennekerrosten merkitys kulutuskerroksen väsymisen sijasta. Kevytpäällysteisillä teillä raskas liikenne aiheuttaa sitomattomaan kantavaan kerrokseen suuria rasituksia, jotka puolestaan aiheuttavat pysyviä muodonmuutoksia. Päällysrakenteen ollessa ohut myös alusrakenne deformoituu herkästi. Teiden kapeus ja jyrkät luiskat lisäävät pysyviä muodonmuutoksia. Kevytpäällysteisten teiden vaurioitumisen kannalta kriittisimpiä ja siten mitoituksen kannalta tärkeitä tekijöitä ovat roudan aiheuttamat halkeamat sekä tien pituus- ja poikkisuuntainen epätasaisuus. Tielaitos käynnisti kesällä 1999 Kevytpäällysteisten teiden vaurioitumismallien ja mitoitusmenetelmien kehittäminen-projektin, joka kestää vuoden 2001 loppuun. Projektin tavoitteena oli määrittää tärkeimmät rakenteellisen kunnon kehittymiseen vaikuttavat vauriomekanismit. Vaurioitumisprosessien ja -mekanismien perusteella kehitetään kevytpäällysteisten tierakenteiden mitoitusmenettely. Toisen tavoitteena oli kehittää kevytpäällysteisten teiden kunnon kehittymistä ennustavat mallit. Kevytpäällysteisten teiden vaurioitumista on käsitelty mm. raportissa "Kevytpäällysteiden vauriomallien ja mitoitusmenetelmien kehittämisen perusteet" (Belt et al. 2000) Roudan aiheuttamat halkeamat Roudan aiheuttamat halkeamat ovat pääosin pituussuuntaisia halkeamia. Pituushalkeamat johtuvat epätasaisista routanousuista tien poikkisuunnassa, jolloin päällysrakenteen yläosaan syntyy vetorasituksia. Pituussuuntainen epätasaisuus Pituussuuntainen epätasaisuus johtuu kevytpäällysteisillä teillä routanousujen epätasaisuudesta, alusrakenteen painumisesta ja liikennekuormituksesta. Keväällä, rakenteen sulaessa, routaepätasaisuudet aiheuttavat dynaamisia kuormituslisiä, jolloin

7 sulavaan päällysrakenteeseen syntyy helposti pysyviä muodonmuutoksia. Sulamisen edistyessä myös alusrakenteeseen alkaa muodostua pysyviä muodonmuutoksia (esim. TPPT raportti 23 Pohjamaan urautumisen ja sulamisen arviointi kevätkantavuusvaiheessa). Poikkisuuntainen epätasaisuus Tien poikkisuuntaisen epätasaisuuden lisääntymisen perussyynä on liikennekuormitus. Toissijaisina syinä ovat routanousujen epätasaisuus (dynaaminen kuormituslisä) ja hitaasti tapahtuva pohjamaan viruminen. Poikkisuuntainen epätasaisuus ilmenee ajolinjojen kohdalle syntyvänä urautumisena ja sitä kuvaa hyvin ajourien välisen harjanteen korkeus. [Belt et al. 2000] 2. ELINKAARIKUSTANNUSANALYYSI Elinkaaritarkastelun periaate on esitetty kaaviona kuvassa 2.1. Rakennevaihtoehtojen ja toimenpidestrategioiden vertailussa huomioidaan seuraavat tienpitäjän ja käyttäjän kustannukset, joilla on eroa eri rakennevaihtoehtojen välillä: Rakentamisen tai rakenteen parantamisen kustannukset eli investointikustannukset sisältäen myös suunnittelukustannukset Tulevien toimenpiteiden tienpitäjälle aiheuttamat kustannukset Tulevien toimenpiteiden tien käyttäjille aiheuttamat kustannukset Vuosittaiset hoitokustannukset Vuosittaiset käyttäjien kustannukset Kunakin vuonna toteutuvaksi arvioitavat kustannukset diskontataan nykyarvoon ja lasketaan yhteen. Rakenteiden vertailu tapahtuu tarkastelujakson ajalle lasketun vuosikustannuksen perusteella. Tienpitäjän ja tien käyttäjien kustannukset voidaan laskea erikseen tai laskea niiden summa, joka pyritään minimoimaan. Elinkaarikustannusten laskennalla voidaan optimoida: kahden eri ylläpitostrategian taloudellisuutta tai valitulle strategialle vaihtoehtoisten rakenneratkaisujen taloudellisuutta. Strategioiden vertailulla pyritään etsimään ylläpitotason optimia eli sitä, mille tasolle esimerkiksi tien vaurioituminen sallitaan laskea. Tarkastelussa voidaan vertailla esim. onko taloudellisempaa tehdä usein edullisempia ja kevyempiä toimenpiteitä vaiko harvemmin, mutta silloin kalliimpia ja raskaampia toimenpiteitä. Vaihtoehtoisten rakenneratkaisujen taloudellisuutta optimoidessa verrataan eri rakennevaihtoehtojen elinkaaren aikaisia vuosikustannuksia. Tarkastelujakson pituus Elinkaarikustannusten laskenta alkaa määrittelemällä tarkastelujakson pituus ja ylläpitostrategia. Tarkasteluajanjakson pituuden valintaan vaikuttaa useita tekijöitä, esim. vertailtavat rakennevaihtoehdot ja / tai ylläpitostrategiat. Tarkastelujakso valitaan niin pitkäksi, että eri rakennevaihtoehtojen jäännösarvojen erolla ei tule olemaan merkitystä laskennan kannalta. Tämä mahdollistaa eri pituisen kestoiän omaavien rakenteiden vertailemisen vuosikustannusperiaatteella.

8 Mitä pitemmäksi tarkasteluajanjakso valitaan, sitä epävarmemmaksi tulevien toimenpiteiden kustannusten arviointi muuttuu. Myös mitä kauempana tulevaisuudessa arvioitu toimenpide on, sitä pienempi sen vaikutus kokonaiskustannuksiin on, koska kustannukset muutetaan nykyarvoon diskonttaustekijän avulla. Vaikutus on sitä pienempi, mitä korkeampi valittu korkokanta on. Tiehallinnon ylläpitostrategia ja toimenpideraja Yleensä ylläpitostrategia on määritelty tieluokittain valmiiksi, jolloin kuntomuuttujilla on tietyt tieluokasta riippuvat toimenpiderajat. Taulukossa 2.1 on esitetty tienpidon ohjauksessa ja ohjelmoinnissa käytettävät kuntorajat eri kuntomuuttujille liikennemääräluokittain. Laskentamenetelmä mahdollistaa myös muiden toimenpiderajojen käytön ja erilaisten ylläpitostrategioiden välisen vertailun. Rakenteen kuntoa kuvaavat muuttujat ja niiden aiheuttamat toimenpiteet ovat elinkaarikustannuksia määrääviä tekijöitä. Lisäksi tien pintakuntomuuttujat voivat olla toimenpiteen laukaisevana tekijänä. Taulukko 2.1. Pintakuntomuuttujien valintaehtojen raja-arvot (PMSPro perusasetukset). Urasyvyys, mm < 80 km/h Tasaisuus, IRI mm/m < 80 km/h Vauriosumma AB m 2 PAB KVL (ajon./vrk) >6000 6000-1500 1500-350 <350 15 16 2,5 2,5 30 40 16 17 2,5 3,5 50 60 17 18 3,5 4,1 70 80 18 19 3,5 4,1 140 140 Vauriosumman puutteena on, että se ei erottele liikenneperäisiä ja ilmastoperäisiä vaurioita. Neljäs kuntomuuttuja on kantavuusaste (mitatun kantavuuden ja tavoitekantavuuden suhde), jonka toimenpideraja on 70 %. Kantavuusasteen on todettu huonosti selittävän tien rakenteellista kuntoa ja vaurioitumista. Elinkaarikustannusten laskentakaavion periaate Kuvan 2.1 mukaisen elinkaarikustannusten laskentajärjestelmän lähtötiedot saadaan valitun strategian sekä mitoituksen tuloksena. Mitoituksen tuottaman rakenneratkaisun investointikustannukset huomioidaan laskentakaavion kohdassa 1. Seuraavaksi tarkistetaan, että budjettirajoitusta ei ole ylitetty ja siirrytään kaaviossa alaspäin. Mikäli budjettikehys on ylittynyt, tulee mitoitusta muuttaa sallittujen rajojen sisälle. Tämän jälkeen kaavion keskellä olevaa silmukkaa lähdetään kiertämään vastapäivään tarkistamalla, ettei strategian määrittämiä toimenpiderajoja ole ylitetty ja kumuloimalla kohtien 2 ja 3 vuosittaisia hoitokustannuksia ja käyttäjän kustannuksia. Tämän jälkeen, mikäli tarkastelujakso ei ole loppu, ikään lisätään yksi vuosi, tarkistetaan liikenteen kasvu ja ennustetaan kuntomuuttujille uudet arvot. Tätä silmukkaa kierretään, kunnes joku strategian asettamista toimenpiderajoista ylittyy, jolloin oikaistaan silmukan keskeltä ja kumuloidaan toimenpiteen aiheuttamat kustannukset kohdassa 4 ja käyttäjän vuosittaiset sekä työmaan aiheuttamat lisäkustannukset kohdassa 5. Kun silmukkaa on kierretty niin kauan, että tarkastelujakso on loppu, määritetään kohteen jäännösarvo kohdassa 6, jonka jälkeen hankkeen elinkaarelle voidaan laskea vuosikustannus.

9 MITOITETTU RAKENNE 1. INVESTOINTIKUSTANNUKSET ei BUDJETTI RAJOITUS YLITETTY kyllä ei TOIMENPIDERAJA SAAVUTETTU? 2. VUOSITTAISET HOITO- KUSTANNUKSET 3. VUOSITTAISET KÄYTTÄJÄN KUSTANNUKSET kyllä 4. YLLÄPITO- Kuva 2 TOIMENPITEIDEN KUSTANNUKSET 5. VUOSITTAISET HOITO- KUSTANNUKSET UUSI LIIKENNE UUSI KUNTO IKÄ = 1 IKÄ + 6. KÄYTTÄJÄN VUOSITT. & LISÄKUST. TARKASTELU JAKSO LOPPU ei kyllä VUOSIKUSTANNUS = VUOSIKUST.KERROIN * (1+ 2 + 3 + 4 + 5 +6) TIEN PITÄJÄN / KÄYTTÄJIEN KUSTANNUKSET Kuva 2.1 Elinkaarikustannusten laskentajärjestelmä (TPPT suunnittelujärjestelmä).

10 Investointikustannukset (1) Investointikustannukset sisältävät rakentamiskustannukset tai rakenteen parantamiskustannusten lisäksi myös suunnittelukustannukset. Päällysrakenteen investointikustannuksiin lasketaan mukaan yleensä suodatinkerros, jakava kerros, kantava kerros ja kulutuskerros. Investointikustannuksiin ei sisälly alusrakenteesta aiheutuvia kustannuksia eikä tiehen liittyviä rakenteita ja laitteita. Mukaan laskentaan otetaan kaikki kustannukset, joilla on eroa tarkasteltavien päällysrakennevaihtoehtojen välillä. Rakentamiskustannukset lasketaan hankekohtaisesti. TPPT:n yhteydessä ole laadittu erillistä kustannustiedostoa rakentamiskustannuksista. Ajantasaista kustannustietoa on saatavissa esim. urakkatarjouksista. Alueellinen kilpailutilanne pitää huomioida kustannuksia laskettaessa. Vuosittaiset hoitokustannukset (2) (5) Vuosittaiset hoitokustannukset sisältävät mm. rutiinikunnossapidon ja talvihoidon kustannukset. Ne voidaan huomioida tarkastelussa, mikäli ne ovat eri vaihtoehtojen välillä erilaiset. Nykyisellä kunnossapidon korkealla tasolla niillä ei kuitenkaan ole merkittävää eroa eri rakenneratkaisujen välillä ja tässä yhteydessä ne jätetään huomiotta. Tien käyttäjien vuosittaiset kustannukset (3) Tien käyttäjien kustannuksia ovat mm. matka-aikakustannukset ja ajoneuvokustannukset Lisäksi onnettomuuksista aiheutuu kustannuksia sekä suoraan tien käyttäjille että yhteiskunnalle. Tien käyttäjien kustannuksia voidaan tarkastella tien käyttäjien vuosittaisina kustannuksina, jolloin ne riippuvat tien kunnosta toimenpiteistä käyttäjälle aiheutuvina lisäkustannuksina (kiertotie, lisääntynyt matka-aika) Matka-aikakustannukset riippuvat reitin pituudesta ja tien geometriasta, mutta PÄÄTIEVERKOLLA eivät Suomen olosuhteissa (korkea kunnossapidon taso) yleensä merkittävästi tien kunnosta. Päätieverkolla ne eivät yleensä ole vuositasolla erilaisia eri rakennevaihtoehtojen välillä, eikä niitä tarvitse ottaa huomioon. ALEMPILUOKKAISELLA VERKOLLA tien epätasaisuus voi kehittyä eri nopeudella rakenneratkaisusta johtuen. Tällöin pitää vuosittaiset matka-aikakustannukset laskea eri vaihtoehdoissa. Ajoneuvokustannukset käsitellään usein erillään aikakustannuksista. Ajoneuvokustannuksia ovat mm. ajoneuvon hankinnasta ja ylläpidosta aiheutuvat kustannukset. Ajoneuvokustannukset voidaan yleisellä tasolla jakaa kahteen osaan: vakio-osaan, joka koostuu pääoma- ja huoltokuluista ja joka on vakio ajoneuvoluokittain, sekä polttoaineenkulutuksesta riippuvaan osaan. Myöskään ajoneuvokustannukset eivät PÄÄTIEVERKOLLA merkittävästi riipu tien kunnosta, joten niitä ei oteta tässä yhteydessä huomioon. ALEMPILUOKKAISELLA VERKOLLA pitää huomioida eri rakennevaihtoehtojen vaikutus tien tasaisuuteen ja sitä kautta ajoneuvokustannuksiin. Onnettomuuskustannukset voidaan huomioida esimerkiksi tieluokan mukaisena keskimääräisenä onnettomuusriskinä (onnettomuuksien lukumäärä / ajokilometrit) sekä työmaiden aiheuttaman onnettomuusriskin kasvun perusteella. Tosin onnettomuuskustannusten arviointi on epätarkkaa ja kustannukset suuria, joten ne jätetään toistaiseksi elinkaarikustannustarkastelun ulkopuolelle. Käyttäjien vuosittaisten kustannusten huomiointi elinkaarikustannusten laskennassa on merkittävää tienpidon ohjauksessa ja ohjelmoinnissa, missä niillä saattaa olla merkittäviä

11 eroja eri vaihtoehtojen välillä ja ne saattavat kokonaan ratkaista elinkaarikustannusanalyysin lopputuloksen. Tienpidon hankinnassa (yksittäisessä kohteessa projektitasolla) erot eri rakennevaihtoehtojen välillä käyttäjän kustannuksissa saattavat olla hyvin pieniä, mutta sen sijaan niiden absoluuttinen summa suuri, jolloin ne hallitsevat kokonaiskustannuksia. Tällöin myös erot eri rakennevaihtoehtojen välisissä kokonaiskustannuksissa saattavat muodostua mitättömiksi. Näistä syistä vuosittaiset käyttäjien kustannukset jätetään tässä yhteydessä tarkastelun ulkopuolelle. Sen sijaan korkeilla liikennemäärillä erot työmaiden aiheuttamissa käyttäjien lisäkustannuksissa saattavat olla perusteena liikennehaittojen välttämiselle ja pidemmän kestoiän omaavien ratkaisujen käytölle. Uusi kunto Kunnon ennustemalleilla lasketaan vuosittainen muutos tien tasaisuudessa, urautumisessa ja vauriomäärässä. Valittu ylläpitostrategia määrää sen, milloin toimenpideraja saavutetaan. Vaurioituminen jaetaan kahteen jaksoon: ennen ensimmäistä ylläpitotoimenpidettä olevaan mitoitusjaksoon ja sitä seuraaviin ylläpitosykleihin. Paksupäällysteisillä teillä ensivauriomallissa pääasiallisena selittäjänä vaurioitumisen alkamisille on päällysteen alapinnan vetomuodonmuutos (Menetelmäkuvaus TPPT 17 Kuormituskestävyysmitoitus. Päällysrakenteen väsyminen). Ylläpitotoimenpiteen jälkeen tuleva vaurioitumisnopeus arvioidaan tehdyn ylläpitotoimenpiteen, rakenteen ja liikennemäärän mukaan. Tasaisuuden vuosittaista muutosta selittää liikennemäärä. Kesto- ja kevytpäällysteille on omat tasaisuusmallinsa. Urautuminen jaetaan kulumiseen ja deformaatioon. Kulumiseen vaikuttavat pääasiassa henkilöautojen määrä, nopeusrajoitus, tien leveys, massatyyppi, kiviaines ja sideaine. Deformaatioon vaikuttavat raskaiden ajoneuvojen lukumäärä ja paino, massatyyppi ja sideaine. Kevytpäällysteisillä teillä on tärkeä merkitys myös sitomassa kantavassa kerroksessa ja alusrakenteessa tapahtuvilla muodonmuutoksilla. Luvussa 3 on esitetty yksityiskohtaisemmin uuden kunnon laskentamenettely. Uusi liikenne Liikennetietoja tarvitaan lähtötietoina mm. kestoikämalleissa sekä tien käyttäjien kustannusten laskennassa. Kunkin tarkasteluvuoden alussa liikennetieto tarkistetaan vastaamaan (ennustettua) liikennettä. Raskaalle liikenteelle ja henkilöliikenteelle on valittava eri kasvuprosentti, jos raskaan liikenteen kasvu poikkeaa henkilö- ja pakettiautojen liikennemäärän kasvusta. Ylläpitotoimenpiteiden kustannukset (4) Tulevat ylläpitotoimenpiteet huomioidaan kustannuslaskennassa toimenpideluokkina, joilla on tyypillinen hinta ja kestoikää lisäävä vaikutus. Toimenpiteiden kustannustietoja on kerätty TPPT:n tarpeisiin tiehallinnon keskimääräisinä kustannustietoina sekä esimerkkikohteiden toteutuneina kustannuksina. Jäljempänä esitetyssä laskentaesimerkeissä käytetyt kustannustiedot eivät kuitenkaan ole yleistettävissä, vaan kunkin käyttäjän on hankittava tarkemmat tiedot itse. Laskentaesimerkkejä varten TPPT:ssä tuotettu kustannustietous on yleisellä tasolla (vrt. tiehallinnon keskimääräiset kustannustiedot). Tarkka kustannustieto vaihtelee maan eri osissa niin, että täydellisen kustannustietopankin kokoaminen TPPT:n yhteydessä ei ole ollut mahdollista. Kustannuksiin on sisällytettävä kaikki toimenpiteen aiheuttamat kustannukset esim. uudelleenpäällystämisen yhteydessä ajoratamaalaukset.

12 Toimenpiteiden aiheuttamat lisäkustannukset käyttäjille (6) Ylläpitotoimenpiteet aiheuttavat käyttäjien kustannusten lisääntymistä ruuhkautumisena ja pidentyneenä matka-aikana ajettaessa työmaa-alueen läpi sekä kiertotien aiheuttamina kohonneina ajoneuvokustannuksina ja pidentyneenä matka-aikana. Tien käyttäjän lisäkustannusten laskentaa on käsitelty luvussa 5. Jäännösarvo Tarkastelujakso valitaan niin pitkäksi että, eri vaihtoehtojen välillä ei oleteta olevan eroa tien kunnossa tarkastelujakson lopussa. Koska eri vaihtoehtojen jäännösarvojen nykyarvot poikkeavat toisistaan varsin vähän, rakenteen jäännösarvo voidaan yleensä jättää elinkaaritarkastelussa huomioimatta. Vuosikustannukset Rakenteiden vertailu tapahtuu tarkastelujakson aikaisten vuosikustannusten perusteella. Kunakin vuonna toteutuvaksi arvioitavat kustannukset diskontataan nykyarvoon kertomalla ne diskonttaustekijällä ja lasketaan yhteen. Tarkastelujakson aikaiset kokonaiskustannukset lasketaan seuraavalla kaavalla (2.1). K = c c k n k 1 = (1 + i) * (kus tannus n tien pitäjä + kus tannus tien käyttäjä ), (2.1) missä K = tarkastelujakson aikaisten kokonaiskustannusten nykyarvo c k = diskonttaustekijä i = korkokanta, esim. 4% => i = 0,04 n = aika vuosina Näin lasketut kokonaiskustannukset kerrotaan vuosikustannuskertoimella vuosikustannusten laskemiseksi. Vuosikustannukset lasketaan kaavalla (2.2). V = c c n = n * K n i * ( 1+ i) n ( 1+ i) 1 (2.2) missä V c n = vuosikustannus = vuosikustannuskerroin Laskentakorkokanta Tarkastelujakson aikana eri vuosina tehtävien toimenpiteiden kustannukset diskontataan tarkastelun alkamisajankohtaan (yleensä nykyhetkeen) nykyarvomenetelmällä. Kustannusten

13 laskennassa käytetään laskentakorkoa, jolla eri vuosina tehtävien toimenpiteiden kustannukset muutetaan nykyhetkessä vertailukelpoisiksi. Valittu korkotaso vaikuttaa oleellisesti elinkaarilaskelmien tuloksiin. Mitä korkeampi korkotaso valitaan, sitä suurempi on vuosikustannuskertoimen arvo. Korkea korkotaso suosii kustannuksiltaan takapainotteisia vaihtoehtoja ja matala korkotaso päinvastoin etupainotteisia vaihtoehtoja, ts. mitä suurempi laskentakorko valitaan, sitä merkittävämmäksi muodostuu rakennuskustannusten osuus koko tarkastelujakson kustannuksista. Tämän raportin esimerkeissä käytetään 4% reaalikorkoa. Reaalikorko on käytännössä nimelliskoron ja inflaation erotus. Jos kymmenen vuoden obligaation tuotto on 6 % ja vuotuinen hintojen nousu on keskimäärin 2 %, reaalikorko on vuodessa noin 4 %. Kun laskelmissa käytetään reaalikorkoa, tulevaa hintojen nousuvauhtia ei tarvitse ennustaa. Reaalikoron on todettu teollistuneissa maissa olevan pitkällä aikavälillä ( yli 10 vuotta ) suhteellisen vakio ja vaihtelevan 2 % ja 5 % välillä. Elinkaarikustannuslaskennan osavaiheet 1. Rakenteiden valinta ja mitoitus - Lähtötietojen perusteella lasketaan paksuilla päällysteillä päällysteen alapinnan vetomuodonmuutos ja ohuilla päällysteillä taipumaero SCI450. 2. Ylläpitostrategian valinta - Asetetaan eri kuntomuuttujille toimenpiderajat. - Valitaan toimenpideketjut eri kuntomuuttujien mukaan ts. tehdään erilaisia toimenpiteitä perustuen siihen mikä kuntomuuttuja (ura, tasaisuus tai vauriot) aiheuttaa toimenpiteen. 3. Urautumisen kehittyminen - AB-päällysteillä urautumisen (kuluminen ja deformaatio) laskenta. - PAB-päällysteillä harjanteen kasvunopeus lasketaan rappeutumismallilla. 4. Tasaisuuden muuttuminen - Pituussuuntaisen tasaisuuden muuttuminen lasketaan PMSPro:n kaavoilla. - Kesto- ja kevytpäällysteille käytetään omaa kaavaa. 5. Vauriosumman kehittyminen - AB-rakenteilla lasketaan ensivaurion syntymishetki omalla mallilla. - Ilmastoperäisten vaurioiden määrä lasketaan routanousun perusteella. - Ylläpitotoimenpiteiden jälkeinen kasvunopeus lasketaan kuntorekisteristä saaduilla malleilla. 6. Ylläpitotoimenpiteiden ajankohdat - Urautumisen, tasaisuuden ja vauriosumman kehittymisen perusteella lasketaan, milloin joku kuntomuuttuja saavuttaa toimenpiderajan ja määrää ylläpitotoimenpiteen tehtäväksi. 7. Ylläpitotoimenpiteiden aiheuttamat lisäajokustannukset - Lisäajokustannukset lasketaan edellä esitettyjen taulukoiden perusteella. 8. Vuosikustannus - Lasketaan vuosikustannus nykyarvoon diskontattujen kustannusten avulla. - Laskennassa tarvitaan kustannustiedot kaikille toimenpiteille. - Määritetään laskennassa käytettävä reaalikorko.

14 3. KUNNON ENNUSTEMALLIT 3.1 Paksut AB-rakenteet Elinkaarikustannusten arvioimiseksi tarvitaan tieto paitsi tulevien toimenpiteiden kustannuksista, myös niiden ajoituksesta, ts. alkuperäisten rakenteiden ja rakenteiden parantamistoimenpiteiden kestoiästä. Se arvioidaan kestoikämalleilla (monenko vuoden kuluttua rakenne saavuttaa etukäteen sovitun toimenpiderajan). Menetelmäkuvauksessa TPPT 17 "Kuormituskestävyysmitoitus - Päällysrakenteen väsyminen" on esitetty kestopäällysteisille teille liikenneperäisen vaurioitumisen alkamista (mitoitusjakso) ennustavat mallit. Malleissa selittävänä rakenteellisena tekijänä on asfaltin alapinnan muodonmuutos. Lisäksi selittävänä tekijänä malleissa on vuotuinen kuormituskertaluku. Vaurioitumisen kehittymistä arvioidaan keskimääräisen vaurioitumisnopeuden perusteella tai vaurioinventoinnin ja tien iän perusteella. Pituussuuntaisen epätasaisuuden mallintamiseen käytetään tienpidon ohjauksessa ja ohjelmoinnissa (HIPS/PMS) käytettäviä malleja liikennemääräluokittain. Päällysteen urautumista nastarengaskulutuksen ja deformoitumisen takia arvioidaan ASTO (Asfalttipäällysteiden tutkimusohjelma) -projektissa kehitetyillä malleilla ja / tai HIPS/PMS - malleilla. 3.1.1 Päällysteen urautuminen Raportissa Asfalttipäällysteiden urautumisen mallintaminen (Tielaitoksen selvityksiä 13/1998) on esitetty laskentamenetelmä kokonaisurautumisnopeudelle. Menetelmä perustuu ASTO-koeteiden tulosten 1990-1997 analysointiin. Urautuminen voidaan jakaa kahteen osaan: henkilöautojen nastarenkaiden aiheuttamaan päällysteen kulumiseen ja raskaiden ajoneuvojen aiheuttamaan päällysteen deformoitumiseen kesällä. Urautumisen laskentaa varten on tehty MS Excel sovellus, PCAD. Kulumista laskettaessa lähtötietoina tarvitaan : Henkilöautojen ja raskaiden ajoneuvojen lukumäärä Tien leveys, nopeusrajoitus Ilmastoalue Päällysteen massatyyppi Kiviaineksen kuulamyllyarvo Päällystemassan sideainetyyppi Deformaatiota laskettaessa lähtötietoina tarvitaan : Raskaiden ajoneuvojen lukumäärä Päällysteen massatyyppi Päällystemassan sideainetyyppi PMS:n toimenpiderajat urasyvyydelle on esitetty taulukossa 3.1. Toimenpideraja riippuu liikennemäärästä ja nopeusrajoituksesta.

15 Taulukko 3.1. Toimenpiderajat urasyvyydelle ( mm ). Nopeusrajoitus KVL 60 km/h 80 km/h 100 km/h 120 km/h 350 1500 19 18 17-1500 6000 18 17 16 15 Yli 6000 17 16 15 15 3.1.2 Vaurioituminen Mitoituksessa kriteerinä päällysteen vaurioitumiselle on ensivaurio ajourassa. Menetelmäkuvauksessa TPPT 17 " Kuormituskestävyysmitoitus. Päällysrakenteen väsyminen" on esitetty, miten ensivaurion ajankohta lasketaan. Mallissa muuttujina ovat asfaltin alapinnan muodonmuutos (EPS) ja vuosittainen kuormituskertaluku (kaava 3.1). 1 7.29 0.00372*(EPS) 5840000* = EPS*N10Y N 10 10 (3.1) missä, N 10 = kumulatiivinen kuormituskertaluku päällysteen vaurioitumisen alkamisajankohtaan, 100 kn EPS = päällysteen alapinnan sallittu muodonmuutos, µm/m N 10 Y = mitoitusjakson keskimääräinen vuotuinen kuormituskertaluku, 100 kn Ensivauriomalli ennustaa ainoastaan ajouraan tulevan liikennekuormituksesta aiheutuvan vaurion. Mallilla ei voi ennustaa ajouran ulkopuolisia ilmastorasituksesta aiheutuvia esim. pituussuuntaisia halkeamia eikä ns. pakkaskatkoja. Tiehallinnon nykyinen päällysteiden vaurioinventointi PVI summaa yhteen kaikki päällystevauriot 100 metrin jaksoissa. Vaurioitumiselle käytetty yksikkö on m 2 /100 m. Taulukossa 3.2 on esitetty eri vaurioiden painokertoimet laskettaessa vauriosummaa : Taulukko 3.2. Painokertoimet vauriosumman laskennassa. Pituushalkeama, kapea ( m ) 0,3 Pituushalkeama, leveä 1 Saumahalkeama, kapea 0,1 Saumahalkeama, leveä 0,5 Poikkihalkeama, pakkaskatko 0 Poikkihalkeama, muu kapea 2,5 Poikkihalkeama, muu leveä 5 Verkkohalkeama ( m 2 ) 1 Purkauma 1 Reikä ( kpl ) 1 Reunapainuma ( m ) 1 Vauriot inventoidaan vaurioituvilta teiltä kolmen vuoden välein. Vilkkaasti liikennöidyiltä teiltä vaurioita ei yleensä inventoida. Taulukossa 3.3 on esitetty AB-teiden vaurioitumisnopeuksia KVL-luokittain. Kaikkein vilkkaimmin liikennöityjä teitä ei yleensä inventoida, koska näitä teitä

päällystetään tiheään kulumisurien takia ja näkyviä vaurioita ei näinollen pääse yleensä syntymään. 16

17 Taulukko 3.3. Vauriot ja vaurioitumisnopeus AB-teillä vuonna 1999. KVL > 6000 KVL 3000-6000 KVL 1500-3000 Vauriosumma keskimäärin vuonna 1999 9 m 2 11 m 2 15 m 2 Keskimääräinen vaurioitumisnopeus 1,5 m 2 / a 1,8 m 2 / a 2,0 m 2 / a Toimenpideraja ( PMS ) 30 m 2 50 m 2 50 m 2 Vaurioitumisnopeudet eri toimenpiteiden jälkeen Tiehallinnon tiestötietoyksikkö on ottanut vuoden 2000 aikana käyttöönsä uuden kuntotietorekisterin. Uuteen kuntotietorekisteriin kerätty tieto on parempilaatuista ja luotettavampaa kuin vanhassa rekisterissä. Uudelle rekisterille on tehty mittavia laaduntarkastuksia. Tämän elinkaarikustannuslakentamenettelyn kehittämisen yhteydessä ylläpitotoimenpiteen vaikutusta vaurioitumisnopeuteen tutkittiin kuntotietorekisteristä valitusta otoksesta. Analyysissä pyrittiin selvittämään miten erilaiset rakenteelliset tekijät ja ilmasto- ja liikenneperäiset tekijät vaikuttavat vaurioitumisnopeuteen toimenpiteen jälkeen. Vaurioitumista selittävinä muuttujina olivat mm. SCI300, päällysteen leveys ja kuormituskertaluku. Tulokseksi saatiin, että mikään tutkittava rakenteellinen tekijä eikä kuormitustekijä selittänyt vaurioitumisnopeutta ylläpitotoimenpiteen jälkeen. Kohteilla, joissa oli tehty ohut pintaus, vaurioitumisnopeus oli noin 25 % suurempi kuin kohteilla, joissa toimenpiteenä oli uudelleenpäällystys. Paksupäällysteisille AB-teille käytettävät vaurioitumisnopeudet on esitetty taulukossa 3.4. Taulukko 3.4. Vaurioitumisnopeus liikennemääräluokittain ylläpitotoimenpiteen jälkeen. Toimenpide KVL yli 6000 KVL 3000-6000 KVL 1500-3000 Ohut pintaus 1,9 m 2 /a 2,2 m 2 /a 2,5 m 2 /a Uudelleenpäällystys 1,5 m 2 /a 1,8 m 2 /a 2,0 m 2 /a Mitoitusjakson aikana syntyvät ilmastoperäiset vauriot Luvussa 3.2.2 on esitetty miten vauriosumman vuotuista kasvua voidaan arvioida, kun tunnetaan mitoittava routanousu. Routanousun suuruus lasketaan pohjamaan routimiskertoimen, rakenteen paksuuden ja mitoittavan pakkasmäärän perusteella (Menetelmäkuvaus TPPT 18 Tierakenteen routamitoitus). 3.1.3 Tasaisuuden muuttuminen Tiepiirit mittaavat tien tasaisuuden ja urat päätieverkolta joka vuosi ja muilta teitä joka toinen vuosi PTM-autolla. Taulukossa 3.6 on esitetty AB-teiden tasaisuuden muutosnopeuksia KVLluokittain. Huono tasaisuus ei yleensä yksin johda toimenpiteeseen vaan tasaisuus huomioidaan yhtä aikaa urien ja vaurioiden kanssa. Tasaisuuden yksikkönä on IRI, International Roughness Index ( mm/m ).

18 PMS:n rappeutumismalleja on viimeksi tarkistettu vuonna 1999 raportissa Kurren ja PMS:n mallien tarkistus (Männistö 1998). Projektin tuloksena suositeltiin otettavaksi käyttöön kestopäällysteisille teille uusi tasaisuusmalli : diri = 0,016 + 0,0524*IRI(t), (3.2) missä diri = tasaisuuden muutos vuodessa IRI(t) = IRI vuonna t Taulukossa 3.5 on laskettu keskimääräinen IRI:n kasvunopeus käyttäen yllä olevaa kaavaa. Malli sisältää kaikki AB-tiet, joten se todennäköisesti yliarvioi kasvunopeutta vilkkaasti liikennöidyillä teillä. Taulukko 3.5. Tasaisuus AB-teillä vuonna 1999. KVL > 6000 KVL 3000-6000 KVL 1500-3000 Tasaisuuden ka. (IRI) 1,41 mm/m 1,44 mm/m 1,59 mm/m Keskimääräinen tasaisuuden kasvunopeus 0,09 mm/m /a 0,09 mm/m /a 0,10 mm/m /a Toimenpideraja ( PMS ) 2,5 mm/m 3,5 mm/m ( 80 km/h ) 2,5 mm/m ( 100 km/h ) 2,5 / 3,5 mm/m 3.2 Ohuet PAB-rakenteet 3.2.1 Päällysteen urautuminen / epätasaisuus Poikkisuuntaista epätasaisuutta (päällysteen urautuminen) on yleisesti kuvattu PTM-autolla määritetyllä ulkouran syvyydellä. Kevytpäällysteisille teille on tyypillistä, että päällystetty piennar on kapea tai sitä ei ole lainkaan, minkä vuoksi liikennekuormitus välittyy rakenteeseen lähinnä tien reunaa aiheuttaen tien reunaosassa painumista. Tällöin urautuminen ei ilmene kokonaisuudessaan ulkouran syvyydessä. PTM-autolla määritetyt ulkouran syvyydet ovat osoittautuneet pieniksi tai negatiivisiksi. Ajourien välinen harjanteen korkeus on osoittautunut kapeilla teillä paremmaksi poikittaisen epätasaisuuden tunnusluvuksi kuin ulkouran syvyys. Erityisesti kapeilla teillä levenemis- ja urautumismekanismit eivät havaittavasti hidastu iän myötä, vaan harjanteen kasvu jatkuu vuosittain lineaarisesti. (Belt et al 2000) Harjanteen korkeuden vuosittaisen kasvun mallintamisessa käytettiin selittäjinä projektin tietokantaan kerättyjä muuttujia, joita olivat : - rakenteelliset muuttujat : Päällysteen ja kantavan kerroksen paksuus, tien ja päällysteen leveys, luiskan kaltevuus, maalajitiedot, rakentamistiedot - PPL-mittauksen vastetiedot : kaikki taipumat ja niistä lasketut tunnusluvut esim. SCI450 - liikenne-, ilmasto- ja päällystetiedot Harjanteen kasvunopeuden mallit ovat (Spoof 2001): PAB-rakenteet, Etelä-Suomi (F 10 < 40000 Kh ) Har_Nop = 1,82 0,31*PLev+ 0,0033*SCI450 + 0,00053*KVL (3.3)

19 PAB-rakenteet, Pohjois-Suomi (F 10 > 40000 Kh ) Har_Nop = 0,56 0,17*PLev+ 0,0045*SCI450 (3.4) Ohuet AB-päällysteet, Etelä-Suomi Har_Nop = 3,03 0,46*PLev + 0,0019*SCI450 + 0,00041*KVL (3.5) missä, Har_Nop = harjanteen kasvunopeus, mm/vuosi PLev = päällysteen leveys SCI450 = taipumaerotus d0 - d450 KVL = keskimääräinen vuorokausiliikenne Harjanteen korkeudelle ei ole olemassa "virallista" toimenpiderajaa, koska sitä ei käytetä kuntomuuttajana Tiehallinnon ohjausjärjestelmissä. Tässä raportissa rakenteen parantamiskohteilla ylläpitotoimenpiteiden harjanteen korkeuden raja-arvona on käytetty 25 mm. 3.2.2 Vaurioituminen Kevytpäällysteisten tierakenteiden kunnon kehittymisen ennustemallit -projektissa vauriosumman mallinnuksessa on käytetty samoja muuttujia kuin harjanteen kasvun mallinnuksessa. Käytettävissä olevan aineiston ei saatu kehitettyä malleja, joissa olisi selittäjänä jokin tien rakenteellista ominaisuutta tai rasitustekijää kuvaava muuttuja. Sen sijaan vauriosummalle saatiin kehitettyä tienpidon ohjausjärjestelmiin ennustemalli, kun tien nykykunto tunnetaan. Mitoitusjakson aikana syntyvät ilmastoperäiset vauriot Routimisen vaikutusta tien vaurioitumiseen ja elinkaareen on käsitelty TPPT-raportissa 45 Routanousuvaurioriskin arviointi. Taulukossa 3.7 on esitetty suurin keskimääräinen routavaurionopeus (m 2 /a), kun otaksutaan, että tarkastelujaksolla routanousun ja vauriosumman välillä on taulukon 3.6 mukainen yhteys. Taulukko 3.6 perustuu valtaosaltaan TPPT:ssä ja kevytpäällystehankkeessa käsiteltyyn aineistoon, jossa tiekohteiden vauriot on kartoitettu TIEH:n käytännön mukaan: mukana on vain > 5 mm halkeamat. Taulukko 3.6. Vauriosumman riippuuvuus routanousun suuruudesta. Routanousu mm Vauriosumma m 2 /100 m 50 15 100 20 150 25 Taulukko 3.7. Routamitoitettujen tierakenteiden suurin vaurioitumisnopeus (m 2 /v) erilaisilla alusrakenteen routimiskertoimilla (SP=5, 10 ja 15 mm 2 /Kh) ja mitoitusroutanousuilla (h 10 = 100 mm ja 150 mm). Vauriosumman riippuuvuus routanousun suuruudesta taulukon 3.5 mukaan. F 10, Kh SP= 5 mm 2 /Kh SP= 10 mm 2 /Kh SP= 15 mm 2 /Kh h 10 =100 mm 150 mm 100 mm 150 mm 100 mm 150 mm 30 000 6,5 10,5 4 7,5 3 5,5 40 000 7,5 10,5 4,5 8 3 6,5 50 000 8 10,5 5 9 3,5 7 60 000 8 10,5 5,5 9 4 7,5

20 Taulukossa 3.7 esitetty vaurioitumisnopeus vastaa tarkastelujaksolla esiintyvää suurinta nopeutta. Mitoitusroutanousun ollessa 50 mm on suurin vaurioitumisnopeus pohjamaasta ja ilmasto-olosuhteista riippumatta vakio 1,5 m 2 /a. Todennäköisyysjakaumasta johtuen suurin vaurioitumisnopeus ilmenee noin 50 mm:n routanousutasolla. Jos mitoitus on tehty 100 mm:n mukaan, niin 50 mm:n routanousun esiintyminen jaksolla on sitä lukuisampi, mitä pienempi routimiskerroin on. Taulukon mukaan suurin vaurioitumisnopeus on lievästi routivilla pohjamailla suurempi kuin voimakkaasti routivilla pohjilla. Edelleen vaurioitumisnopeus kasvaa, kun mitoitusroutanousu on suurempi, jolloin rakenne on ohuempi. Taulukossa esitetyt suurimmat vaurioitumisnopeudet on määritetty tarkastelemalla 100 mm ja 150 mm mitoitusroutanousun määrittämän rakennepaksuuden omaavan tien eri suuruisten routanousujen toistuvuutta. Jos tie on mitoitettu 50 mm routanousulla ja pakkasmäärällä F10, se todennäköisesti saavuttaa routanousun h=50 mm (tai suurempi) kerran kymmenessä vuodessa pohjamaan routimiskertoimesta ja paikkakunnasta riippumatta. Tällöin vaurioitumisnopeus on 15 m 2 /10a=1,5 m 2 /a. 3.2.3 Tasaisuuden muuttuminen Myöskään tasaisuuden muuttumiselle ei ole onnistuttu kehittämään sellaisia kunnon muuttumisen ennustemalleja, joissa olisi selittäjänä jokin tien rakenteellista ominaisuutta tai rasitustekijää kuvaava muuttuja. Projektin Kurren ja PMS:n mallien tarkistus tuloksena saatiin kevytpäällysteisille teille tasaisuuden muuttumista ennustava uusi malli : diri = 0,036 + 0,0560*IRI(t), (3.6) missä diri = tasaisuuden muutos vuodessa IRI(t) = IRI vuonna t Laskentaesimerkeissä on käytetty IRI:n alkuarvona paksupäällysteisillä AB-rakenteilla 1,0 mm/m, ohutpäällysteisillä AB-rakenteilla 1,3 mm/m ja PAB-rakenteilla 1,5 mm/m. 4. TOIMENPITEIDEN KUSTANNUKSET Rakentamisen tai rakenteen parantamisen kustannukset (investointikustannukset) lasketaan kuten nykyisinkin. Tulevien toimenpiteiden kustannukset huomioidaan kustannuslaskennassa toimenpideluokkina, joilla on "tyypillinen" hinta. Tienpidon ohjelmoinnissa käytetään päällystysohjelmien laatimisen apuvälineenä PMSPro-ohjelmaa (aiemmin PMS91). TPPT-suunnittelujärjestelmän elinkaarikustannusten laskennassa käytetään samoja toimenpideluokkia. Taulukossa 4.1 on esitelty PMSPron vaikuttavat AB- ja PAB-tyyppiset toimenpiteet ja niiden keskimääräiset kustannukset. Hintatiedot on koottu vuoden 2000 toteutuneista keskimääräisistä kustannuksista.

21 Taulukko 4.1. PMSPron vaikuttavat AB- ja PAB-tyyppiset toimenpiteet (PMSPro perusasetukset ). Lyhenne Toimenpide Työmenetelmä HJYR ABPIN1 Urapaikkaus jyrsimällä ilman lisämateriaalia Pintaus Keskimääräinen kustannus Jyrsintä 6,5 mk/m 2 REM REM + 18,6 mk/m 2 27,2 mk/m 2 ABPIN2 Pintaus vilkasliikenteisillä teillä REM 18,6 mk/m 2 ABMP1 Uudelleen päällystys, AB MP, LTA, MPKJ 28,0 mk/m 2 ABMP2 PAMPO PABMPP Uudelleen päällystys vilkasliikent. teillä, SMA Ohut päällystys : PAB tai PAB-V, < 100 kg/m 2 MP, LTA, MPKJ 32,2 mk/m 2 MP, LTA REMO 16,9 mk/m 2 11,8 mk/m 2 Paksu päällystys, PAB-B tai 2 MP 21,4 mk/m2 PAB-V, >= 100 kg/m Taulukossa käytettyjen työmenetelmien lyhenteiden selitykset (Päällysteiden suunnittelu 1997, Päällystystyöt 1997): REM Remix-pintaus REM+ 2-kerroksinen Remix-pintaus MPKJ Massapintaus kuumalle, kuumajyrsitylle alustalle MP Massapintaus MPK Kuumennuspintaus LTA Paksuudeltaan vakio laatta tasatulle alustalle REMO PAB-V/O-kerroksen remix-pintaus 5. TYÖMAAN AIHEUTTAMAT LISÄAJOKUSTANNUKSET Edellä luvussa 2 on esitetty, että elinkaarikustannusten laskennassa tien käyttäjien kustannuksista huomioidaan ylläpitotoimenpiteiden aiheuttamat lisäkustannukset käyttäjille. Ylläpitotoimenpiteet aiheuttavat käyttäjien kustannusten lisääntymistä pidentyneenä matkaaikana ajettaessa työmaa-alueen läpi sekä mahdollisen kiertotien aiheuttamina kohonneina ajoneuvokustannuksina ja pidentyneenä matka-aikana. Laskennassa voidaan huomioida sekä ensimmäisen toimenpiteen aiheuttamat käyttäjien lisäkustannukset, erityisesti vilkasliikenteisissä rakenteen parantamiskohteissa, että tulevien toimenpiteiden arvioidut tien käyttäjille aiheuttamat lisäkustannukset. Matka-aika lisääntyy ajonopeuden putoamisen ja liikenteen ruuhkautumisen takia. Mikäli ainoastaan nopeudet putoavat, mutta liikenne ei ruuhkaudu, voidaan lisääntynyt matka-aika laskea alentuneen keskinopeuden perusteella. Kertomalla yhden ajoneuvon (raskas / kevyt) ylimääräinen matka-aika keskivuorokausiliikennemäärällä (KVL) ja aikakustannuksen yksikköhinnalla (Tieliikenteen ajokustannukset) voidaan määrittää lisäaikakustannukset vuorokaudessa. Yleensä työmaa aiheuttaa liikenteen ruuhkautumista erityisesti niinä vuorokaudenaikoina (aamu/iltapäivä), jolloin tuntiliikennemäärät ovat korkeimmillaan ja tien kapasiteetti ylittyy.

22 Tien kapasiteetti riippuu mm. tietyypistä (kaistojen / ajoratojen lukumäärä), kysynnästä tunneittain sekä työmaan liikennejärjestelyistä. Ajoneuvokustannukset voidaan yleisellä tasolla jakaa kahteen osaan: - vakio-osaan, joka koostuu pääoma- ja huoltokuluista ja joka on vakio ajoneuvokilometriä kohden ajoneuvo-luokittain, sekä - polttoaineenkulutuksesta riippuvaan osaan. Mikäli tietyömaan vuoksi joudutaan valitsemaan kiertotie, lisääntyneet ajoneuvokustannukset vuorokaudessa voidaan laskea kertomalla ajoneuvon (raskas / kevyt) keskimääräinen lisääntynyt ajoneuvokustannus keskivuorokausiliikennemäärällä (KVL). Kiertotie on yleensä pidempi kuin työn alla oleva reitti, jolloin ajoneuvokustannukset lisääntyvät vastaavasti (kilometreistä riippuva vakio-osa). Tieliikenteen aika- ja ajoneuvokustannusten yksikköhinnat on esitetty taulukossa 5.1. Taulukko 5.1 Aika- ja ajoneuvokustannusten yksikköhinnat sis. ALV (Tiehallinto, tieliikenteen ajokustannukset 2000 ). Aikakustannus (mk / h ) Ajoneuvokustannus (mk / km) Henkilöauto Pakettiauto Linja-auto Kuorma-auto 63,1 90,3 462,8 113,2 0,71 1,37 3,94 4,33 Taulukossa 5.2 on esitetty edellä taulukossa 4.1 lueteltujen toimenpiteiden keskimääräiset kestoajat (aikayksikköä/km). Näiden ja työmaan pituuden (km) avulla voidaan määrittää työmaan kestoaika. Kertomalla vuorokaudessa syntyvät ylimääräiset aika- ja ajoneuvokustannukset työmaan kestoajalla, saadaan määritettyä työmaan tien käyttäjille aiheuttamien lisäkustannusten kokonaismäärä. Tämä diskontataan nykyarvoon ja lisätään tien käyttäjille aiheutuviin kokonaiskustannuksiin. Taulukko 5.2 Toimenpiteiden keskimääräiset kestoajat (Virtala 1998, PMSPro perusasetukset 1999). Toimenpide HJYR ABPIN1 ABPIN2 ABMP1 PABMP Keskimääräinen työmäärä 3-4 tuntia / kaista-km 3-4 tuntia / kaista-km Merkinnät on selitetty luvun 4 yhteydessä. Keskimääräiset lisäajokustannukset 3-4 tuntia / kaista-km 3-4 tuntia / kaista-km 2-3 tuntia / kaista-km Tietyömaiden aiheuttamia tien käyttäjien lisäkustannuksia on käsitelty Tiehallinnon selvityksessä "Tietyömaiden liikennehaittojen arviointi". Selvityksessä on käyty läpi tieverkon ohjausjärjestelmissä käytettävät työmaatilanteet. Työmaatilanteet on simuloitu Teknillisen korkeakoulun liikennelaboratoriossa HUTSIM-ohjelmalla. Selvityksessä lähtötietoina on käytetty työmaiden pituuksia asiantuntijahaastattelun perusteella, liikennemääriä tierekisteristä, nopeusrajoituksia työmaan aikana ja vapaissa olosuhteissa sekä vapaiden olosuhteiden nopeusjakaumia LAM-pisteistä. Kesto- ja kevytpäällysteillä on erilaisia ylläpitotoimenpidevaihtoehtoja ja -menetelmiä. Työmaan aiheuttamia lisäajokustannuksia laskettaessa toimenpiteet ja menetelmät jaetaan neljään luokkaan taulukon 5.3 mukaisesti.