Tietoa tiensuunnitteluun nro 71A Julkaisija: Tiehallinto, tie- ja geotekniikka luonnos 26.9.2003 TIEN PÄÄLLYSRAKENTEEN MITOITUKSESSA KÄYTETTÄVÄT MODUULIT JA VÄSYMISFUNKTIOT 1. Ohjeen sisältö ja kohde Tämä ohje korvaa ohjeessa Teiden suunnittelu IV, 5. Päällysrakenne (= vanha suunnitteluohje) esitetyn taulukon 52:3 (Päällysrakennemateriaalien E-moduulit). Tämä ohje sisältää Tiehallinnon kohteissa käytettävät - Odemarkin mitoituskaavaan sijoitettavat päällysrakennemateriaalien staattiset moduulit - Analyyttisessä mitoituksessa käytettävät alus- ja päällysrakennemateriaalien dynaamiset moduulit ja väsymisfunktiot. Tiehallinto päättää hankekohtaisissa tuotevaatimuksissa, kumpaa menetelmää käytetään uuden tierakenteen suunnittelussa. Analyyttistä mitoitusta voidaan käyttää uusien teiden päällysrakenteen mitoitukseen, jos bitumilla sidotun päällysteen paksuus on vähintään 80 mm. Normaalisti käytetään vanhan ohjeen mukaista mitoitusta. Tässä julkaisussa esitetyt dynaamiset moduulit ja väsymisfunktiot on sisällytetty valmiiksi APAS 3.0 mitoitusohjelman yleiseen tietokantaan. Uusille kerrosmateriaaleille valmistaja voi pyytää tyyppihyväksyntää, jossa määritetään mitoituksessa käytettävät parametrit. Ohjeen versio 71A on tarkoitettu tässä vaiheessa tutustumiseen Analyyttisen mitoituksen osalta ja koekäyttöön Odemarkin mitoituksen osalta. Palautteiden perusteella julkaistaan myöhemmin versio 71B, johon voidaan viitata uusia hankekohtaisia tuotevaatimuksia laadittaessa. Tiehallinto voi sallia tämän ohjeen mukaisten parametrien käytön myös käynnissä olevissa urakoissa. Tämä julkaisu tai sen uudempi korvaava versio (71B jne.) on aikanaan saatavissa tiehallinnon internet-sivulta www.tiehallinto.fi/tlohje. Ohjeen tästä versiosta pyydetään palautteita.
2 2. Odemarkin mitoituksen E-moduulit Taulukossa 1 on esitetty Odemarkin mitoituskaavaa käytettäessä eri rakennekerrosmateriaaleille käytettävät E-moduulit. Jos materiaalille on taulukossa esitetty useampi laatuluokka, niistä on valittava käyttöön se, jonka vaatimukset työssä pystytään täyttämään ottaen huomioon mm. käytettävä työmenetelmä, suhteitus, materiaalit, alusta ja olosuhteet. Taulukko 1. Odemarkin mitoituksessa käytettävät sidottujen päällysrakennemateriaalien moduulit. Päällysrakennemateriaalien E- moduulit Materiaali Lyhenne E, MPa Huomautukset Asfalttibetoni AB 2500 Pehmeä asfalttibetoni PAB-B 1650 Pehmeä asfalttibetoni PAB-V 1400 Kantavan kerroksen asfalttibetoni ABK 2500 Remixerstabilointi 1 REST 1 900 Laiha tai paksu (140 200 mm) < 15xE A Remixerstabilointi 2 REST 2 1250 Normaali < 20xE A Komposiittistabilointi 1 KOST 1 900 Laiha tai paksu (200 250 mm) < 15xE A Komposiittistabilointi 2 KOST 2 1250 Normaali < 20xE A Vaahtobitumistabilointi 1 VBST 1 700 Laiha tai paksu (200 250 mm) < 10xE A Vaahtobitumistabilointi 2 VBST 2 1050 Normaali < 15xE A Bitumiemulsiostabilointi 1 BEST 1 700 Laiha tai paksu (200 250 mm) < 10xE A Bitumiemulsiostabilointi 2 BEST 2 1050 Normaali < 15xE A Masuunihiekkastabilointi 1 MHST 1 600 Aktivoimaton, masuunihiekan < 10xE A osuus vähintään 5% Masuunihiekkastabilointi 2 MHST 2 1200 Sementillä aktivoitu, 28 d:n puristuslujuus 3 MPa < 20xE A Sementtistabilointi 1 SST 1 1500 7 d:n puristuslujuus 3 5,9 MPa < 20xE A Sementtistabilointi 2 SST 2 3500 7 vrk:n puristuslujuus 6...9 MPa < 40xE A E A = Laskennallinen Odemarkin mitoituskaavalla laskettu rakennekerroksen alustan kantavuus, MPa. Laiha = Bitumipitoisuus 1 %-yksikön pienempi kuin kokemusperäisessä suhteituksessa vähintään osuuden joka toisessa näytteessä, mutta routimaton. Paksu = Kerralla tehtävä paksuus suluissa esitetyn mukainen. Normaali = Stabilointiohjeen mukainen sideainepitoisuus, paksuus pienempi kuin tapauksessa 'Paksu'. Esitettyjen moduulien käyttö edellyttää päällystekerrosten osalta, että ne täyttävät TYLT/Päällysteet (TIEH 2200004) ja Asfalttinormien vaatimukset. Stabiloitujen kerrosten on vastaavasti täytettävä TYLT/Kantavan kerroksen stabilointi (TIEH 2200006) vaatimukset ja ne on suunniteltava ja toteutettava noudattaen Stabilointiohjetta (TIEH 2100009).
3 Sitomattomien kerrosten materiaalien on täytettävä vastaavasti TYLT/Pengerkerrosrakenteet (TIEL 2212460) vaatimukset. Taulukko 2. Odemarkin mitoituksessa käytettävät sitomattomien päällysrakennemateriaalien moduulit. Materiaali Lyhenne E, MPa Huomautukset Routimaton kalliomurske rton KaM 200... 280 Routimaton soramurske rton SrM 200... 280 Routimaton sora rton Sr 150... 280 Routimaton hiekka rton Hk 30... 100 Routiva murske tai soramoreeni - penkereessä - leikkauksessa rva M/SrMr 150 100 < 6x E A Betonimurske, laatu 1 BEM 1 700 < 10x Betonimurske, laatu 2 BEM 2 500 < 6x Betonimurske, laatu 3 BEM 3 280 E A Masuunihiekka Mh 600 < 10x Masuunikuonamurske KuM 430 < 6x Kappalekuona Ku 350 E A E A Jakavan tai kantavan kerroksen rakeisuusalue. Vanhan suunnitteluohjeen kuvasta 52:3 rakeisuuden perusteella Suodatinkerroksen rakeisuusalue. Vanhan suunnitteluohjeen kuvasta 52:3 Vanhan suunnitteluohjeen kuvasta 52:3 rakeisuuden perusteella, kuivatus 5.123 mukaisesti TIEL 3200594 luokitus Alusrakenteen kantavuusluokitus Alusrakenteen kantavuusluokitus tehdään edelleen vanhan suunnitteluohjeen taulukon 52:4 mukaisesti. Alusrakenteen kantavuus sekä rakennekerrosten paksuudet ja moduulit ovat lähtöarvoja laskettaessa Odemarkin mitoituskaavalla tien pinnan laskennallinen kantavuusarvo.
4 3. Analyyttinen mitoitus (monikerroslaskenta) Monikerroslaskennassa käytetään taulukoiden 3 6 mukaisia moduuleja ja väsymissuoria. Sidotut Taulukko 3. Sidottujen ja hydraulisesti lujittuvien päällysrakennemateriaalien moduulit ja väsymisfunktiot analyyttiseen mitoitukseen. Materiaali Lämpötila, Moduuli M Väsymisfunktio ºC (20º C), MPa Asfalttibetoni (BIT50/70) 20 4 174 AB1 Asfalttibetoni (BIT70/100) 20 3 648 AB1 Asfalttibetoni (BIT100/150) 20 2 911 AB1 Asfalttibetoni (BIT150/220) 20 2 455 AB1 Kivimastiksiasfaltti (BIT50/70) 20 4 139 AB1 Kivimastiksiasfaltti (BIT70/100) 20 3 578 AB1 Kivimastiksiasfaltti (BIT100/150) 20 2 806 AB1 Sidekerr. asf.bet. (B50/70+Gils. 17%) 20 7 366 AB1 Sidekerr. asf.bet. (B70/100+Gils. 17%) 20 7 015 AB1 Kantavan asfalttibetoni (BIT20/30) 20 5 472 AB1 Kantavan asfalttibetoni (BIT35/50) 20 4 630 AB1 Kantavan asfalttibetoni (BIT50/70) 20 4 314 AB1 Kantavan asfalttibetoni (BIT70/100) 20 3 893 AB1 Pehmeä asfalttibetoni PAB-B 20 2 400 AB1 Pehmeä asfalttibetoni PAB-V 20 2 000 AB1 Remixerstabilointi 1 20 1 300 REST1 Remixerstabilointi 2 20 1 800 REST2 Komposiittistabilointi 1 20 1 300 REST1 Komposiittistabilointi 2 20 1 800 REST2 Vaahtobitumistabilointi 1 20 1 000 VBST1 Vaahtobitumistabilointi 2 20 1 500 VBST2 Bitumiemulsiostabilointi 1 20 1 000 VBST1 Bitumiemulsiostabilointi 2 20 1 500 VBST2 Masuunihiekkastabilointi 1 20 600 MHST1 Masuunihiekkastabilointi 2 20 1 800 MHST2 Sementtistabilointi 1 20 2 200 SST1 Sementtistabilointi 2 20 5 100 SST2 BEM 1 20 700 BEM BEM2 20 500 BEM Stabilointien ja hydraulisesti lujittuvien materiaalien laatuluokat on määritelty taulukossa 1.
5 Taulukko 4. Sidottujen päällysrakennemateriaalien väsymisfunktiot kerroksen alapinnan venymän suhteen. Taulukon 3 tunnus Väsymisfunktio 2 Sallittu ε =f(m, K), µstrain ) Käänteisfunktio 3) Sallittu K = f(m, ε) AB1 ((1.149*10^-10*(M/3650)^-2.0)/K)^(1/4.5) 1.149*10^-10*(M/3650)^-2.0*(1/ε)^4.5 REST1 ((9.665*10^-11*/K)^(1/4.5) 9.665*10^-11*(1/ε)^4.5 REST2 ((9.096*10^-11/K)^(1/4.5) 9.096*10^-11*(1/ε)^4.5 VBST1 ((9.488*10^-11/K)^(1/4.5) 9.488*10^-11*(1/ε)^4.5 VBST2 ((7.970*10^-11/K)^(1/4.5) 7.970*10^-11*(1/ε)^4.5 MHST1 (5.115*10^-15/K)^(1/5.68) 5.115*10^-15*(1/ε)^5.68 MHST2 (1.491*10^-15/K)^(1/5.68) 1.491*10^-15*(1/ε)^5.68 SST1 (7.419*10^-30/K)^(1/9.22) 7.419*10^-30*(1/ε)^9.22 SST2 (3.967*10^-31/K)^(1/9.22) 3.967*10^-31*(1/ε)^9.22 BEM (3.257e-5/K)^(1/3) (3.257e-5)/(E^3) ε = M = K = vetomuodonmuutos sidotun kerroksen alapinnassa, m/m (strain) E-moduuli 20 asteen vertailulämpötilassa, MPa 10 tonnin standardiakseleiden ylityskertojen määrä kestoiän aikana ajokaistalla
6 Sitomattomat Taulukko 5. Materiaali 1) Sitomattomien materiaalien ja pohjamaiden moduulit ja väsymisfunktiot analyyttiseen mitoitukseen. H1 0 100 100 100 0,7 70 1 H2 0 71 71 71 0,7 50 1 H3 0 50 50 50 0,7 35 2 H4 0 35 35 35 0,7 25 2 Si 0 35 35 35 0,7 25 2 Kuivakuorisavi 0 35 35 35 2 Sitkeä savi 0 25 25 25 1 25 2 Pehmeä savi -0,25 18 16 13 1 18 2 turve märkä -0,25 13 11 9 1 13 2 M hyvä 0,25 248 285 350 1 248 3 M normaali 0,25 200 228 280 1 200 3 M huono 0,25 142 163 200 0,7 99 3 S1hyvä 0,25 200 228 280 1 200 4 S1normaali 0,25 142 163 200 0,7 100 4 S1huono 0,25 100 115 140 0,7 70 4 S2kuiva ja homog. 0,25 100 115 140 2 S2normaali 0,25 71 82 100 0,7 50 2 S3 0 50 50 50 0,7 35 2 S4 0 35 35 35 0,7 25 2 SiMr 0 35 35 35 0,7 25 2 BEM3 0,25 200 228 280 1 3 Masuunihiekka 0,25 455 509 600 1 6 Masuunikuonamurske 0,25 304 350 430 1 3 Kappalekuona 0,25 248 285 350 1 3 Jännitys Normaalit olosuhteet, Märät olosuhteet eksponentti eri jännitystasot (kpa) 1) M(40) M(70) M(160) Märkyy M(40) skerroin Väsymisfunktio 2) Materiaalien laatuluokitus on esitetty taulukossa 7. M(S) = M(40)*(S/40)^jännityseksponentti = jännitystilasta riippuvan moduulin laskentamalli, jossa M(S) = kokonaisjännitystilaa S [kpa] vastaava moduuli, MPa sall. ε =f(k), µstrain, ε = pystymuodonmuutos sitomattoman kerroksen tai pohjamaan alapinnassa Jännitystila 40 kpa esiintyy tyypillisesti pohjamaassa, 70 kpa jakavassa kerroksessa ja 160 kpa noin 100 mm paksuisen päällysteen alla.
Taulukko 6. Sitomattomien materiaalien väsymisfunktiot pystysuuntaisen muodonmuutoksen suhteen. 7 Taulukon 5 numero Väsymisfunktio Sallittu ε =f(k), µstrain Käänteisfunktio Sallittu K = f(ε) 1 2.2*((4.05e-3*K^(-0.1633))) 2.2^(1/0.1633)*(4.05e-3/ε)^(1/0.1633) 2 1.73e-2*K^(-0.255) (1.73e-2/ε)^(1/0.255) 3 2.8*((4.05e-3*K^(-0.1633))) 2.8^(1/0.1633)*(4.05e-3/ε)^(1/0.1633) 4 2.5*((4.05e-3*K^(-0.1633))) 2.5^(1/0.1633)*(4.05e-3/ε)^(1/0.1633) 5 (3.257e-5/K)^(1/3) (3.257e-5)/(E^3) 6 (4e-8*10^(0.062*25-1.79)/K)^(1/4.0) (4e-8*10^(0.062*25-1.79))/(E^4.0) puristusmuodonmuutos sidotun kerroksen yläpinnassa, 10 tonnin standardiakseleiden ylityskertojen määrä kestoiän aikana ajokais- ε = K = talla Taulukko 7. Sitomattomien materiaalien kelpoisuusluokitus. Materiaali Seula ja läpäisyprosentti 0,02 0,063 2 H1 0-7 70-100 H2 8-17 70-100 H3 > 5 1) 18-29 70-100 H4 30-50 70-100 S1 0-7 <70 S2 >3 2) 8-17 <70 S3 18-29 <70 S4 30-50 <70 1) Kuuluu luokkaan H2, jos 0,02 mm läpäisy on alle 5 % 2) Kuuluu luokkaan S1, jos 0,02 mm läpäisy on alle 3 % Rakeisuus määritetään pesuseulonnalla. Käsitteet S1 hyvä, S1 normaali ja S1 huono sekä M (murske) hyvä, normaali ja huono määritellään myöhemmin. Samoin märän olosuhteen määritelmä.
8 Laskentaohjelma Analyyttisessä mitoituksessa käytetään laskentaohjelmaa, joka toteuttaa seuraavat ehdot: 1. Laskee tierakenteen eri kerroksiin liikennekuormasta ja maan painosta aiheutuvat jännitykset ja muodonmuutokset ja laskennallisen kestoiän sidotun kerroksen alapinnan muodonmuutoksen ja sitomattomien kerrosten muodonmuutosten perusteella. 2. Kuormana on 50 kn kaksoispyörä. 3. Säätää kerroksen moduulia pääjännitysten summan ja alustan kantavuuden perusteella. 4. Jakaa kerrokset 50 lamelleiksi ja lisää jakojäännöksen alimman kerroksen paksuuteen. 5. Tulostussivulla näkyvät tulosten lisäksi syötetyt arvot siten, että tulokset eivät voi vahingossa tulostua väärien lähtötietojen kanssa. 6. Tulosteessa lisätään huomautus niiden väsymissuorien, moduulien ja materiaalinimikkeiden kohdalle, jotka eivät perustu tähän ohjeeseen. Markkinoilla on tällä hetkellä yksi monikerroslasekntaohjelma, jonka kelpoisuuden Tiehallinto on varmistanut: APAS 3.0. Siihen on syötetty tämän ohjeen mukaiset parametrit. Jos materiaalille on taulukossa esitetty useampi laatuluokka, niistä on valittava käyttöön se, jonka vaatimukset työssä pystytään täyttämään ottaen huomioon käytettävä työmenetelmä, suhteitus ja materiaalit. Esitettyjen moduulien käyttö edellyttää päällystekerrosten osalta, että ne täyttävät TYLT/Päällysteet (TIEH 2200004) ja Asfalttinormien vaatimukset. Stabiloitujen kerrosten on vastaavasti täytettävä TYLT/Kantavan kerroksen stabilointi (TIEH 2200006) vaatimukset ja ne on suunniteltava ja toteutettava noudattaen Stabilointiohjetta (TIEH 2100009). Sitomattomien kerrosten materiaalien on täytettävä vastaavasti TYLT/Penger- kerrosrakenteet (TIEL 2212460) vaatimukset. Lisäksi eri materiaaleista tehtyjen rakennekerrosten tulee täyttää taulukossa esitetyt minimipaksuusvaatimukset.
9 Edelliset numerot v.1991 2. Lumitilan tarve meluesteiden, välikaistojen ym. kohdalla v.1993 8. Tieympäristön pehmentämisen turvallisuusvaikutukset v.1994 11. Ekologinen ympäristöluokitus v.1995 15. Töhrimisen minimointi (Teiden suunn. V 3. Meluesteet, korvaa ositt.) 17. Jyrkkäluiskaiset meluvallit 20. Tarkistettu versio HCM:sta 22. Työnaikaiset kaiteet v.1996 23. Kiertoliittymien mitoitus v.1997 27. Kasvillisuuden ja linnuston seuranta tiehankkeissa 29. Tienpito arvoympäristöissä 30. Läpinäkyvien meluesteiden käyttö 31. Liikennejärjestelmäsuunnittelu: kokemuksia, yht. maankäytön suunn. 32. Kevyttä liikennettä koskevat säädösmuutokset 1.6.1997 33. Ohituskaistojen turvallisuus v.1998 35. KLOTS paikallisen liikenneturvallisuustyön tietotuki 36. Taajamateiden suunnittelun kehittäminen 37. Tiedote tiensuunnitteluasioista 39. Ekologinen ymp.luokitus: Menetelmän käytön arviointi v.1999 40. Tien häikäisysuojat 41. Tiehankkeen vuoropuhelun suunnittelu ja arviointi 42. Tien reunaympäristön pehmentäminen vanhoilla teillä 43. Loivaluiskaisten teiden kuivatus 44. Esimerkki ketomaisen kasvuston perustamisesta tienvarsialueella 45. Asiakastyytyväisyysselvitys suunnitteluprosessista: Vt 4 Kemi 46. Ohitusnäkemät tiensuunnittelussa v.2000 47. Perusverkon eritasoliittymien turvallisuus 48. Liikennemerkkien ja opastustaulujen törmäysturvallisuus ja kuormat 51. Raskaat ajoneuvot kiertoliittymissä 52. Joukkoliikenteen toimintaedellytysten parantaminen v. 2001 53. Pääteiden turvallisuus 54. Taajamien seurantaselvitys 55. Silmukkakäännös ohituskaistan kohdalla 56. Taajamakeskustatien poikkileikkaus ja raskas liikenne v.2002 57. Kaksiajorataisten teiden keskikaistojen kulkuaukot 58. Ohituskaistojen uudet suunnitteluperiaatteet 59A. Pakkasenkestävyysluokkaan 1 hyväksytyt päällysteen saumaus aineet 60. Meluesteen runkomateriaalin vaikutus kustannuksiin. 61A. Tiekaiteiden laatuvaatimukset ja kaidetyypin valinta 62A. Hyväksyttyjä kaidetuotteita kesällä 2002 63. Kaiteiden ja valaisinpylväiden parantamisen turvallisuusvaikutuksia 64A. Markkinoilla olevia meluestetuotteita kesällä 2002 65. Moottorikelkkailureitin ja tien risteäminen 66. Hevoset ja yleiset tiet 2003 67A. Törmäysturvalliset opastustaulut vuonna 2002 68. Heijastimet ja merkinantolaitteet Linja-autopysäkeillä 69A. Törmäysturvalliset opastustaulut vuonna 2002 70A Uusien päällysteiden laatumittauksiin hyväksytyt mittaajat 2003 Numerot 1, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 16, 18, 19, 21, 24, 25, 26, 28, 34, 38 ja 50 on poistettu
10 Tietoa tiensuunnitteluun nro 71A Teiden päällysrakenteiden mitoituksessa käytettävät moduulit ja väsymissuorat Kohderyhmä: Teiden rakenteen suunnittelijat, investointien hankinta Jakelu: Tiepiirit, H, TP, kirjasto, tiekonsultit, oppilaitokset, Suomen Kuntaliitto, kaideurakoitsijat Lisäjakelu Kopioimalla, www.tiehallinto.fi/tlohje (pdf) Lisätietoja: Tuomo Kallionpää, Tiehallinto/ tie- ja geotekniikka puh. 0204 222144, E-mail: tuomo.kallionpaa@tiehallinto.fi, faksi 0204 222312