XPS-LEVYN SOVELTUVUUS PEHMEIKÖLLE PERUSTETUN KADUN PÄÄLLYSRAKENTEESSA 1
DIPLOMITYÖ 2
ESITYKSEN RUNKO Työn tausta ja tavoitteet Päällysrakenteen mitoituksen periaatteet Mitä tehtiin Tulokset Johtopäätökset 3
TAUSTA Vantaan Viertolassa 4 kadun kunnostus Syvä ja pehmeä savikko pohjamaaluokka G Liikennemäärät vähäisiä, raskas liikenne satunnaista katuluokka 4 ja 5 InfraRYLin mukainen päällysrakenteen paksuus 1,24 m (katuluokka 4, pohjamaaluokka G) Rakennettu ympäristö tasauksen muutokset vähäisiä Vanha päällysrakenne 0,5-0,8 m+ ~ 0,3-0,5 m kusa 5-10 m pehmeää savea, w = 50-100 % InfraRYLin mukaisen rakenteen toteutus rakenteen alapinta pehmeään saveen painumat jatkuvat Putket kadun alle maanvaraisesti. 4
TYÖN TAVOITTEET Tutkia, voidaanko päällysrakenne toteuttaa ohuempana / kevyempänä ja mihin tämä johtaa päällysrakenteen mitoituksessa Kevennetty ja routasuojattu rakenne, joka täyttää kadulle asetetut vaatimukset 5
LINJAUKSET Kokonaispaksuus selvästi InfraRYLin mukaista rakennetta pienemmäksi Alusrakenne hyvin epähomogeeninen routanousuerot rakenne routimattomaksi Eristeen aiheuttama liukkausvaara peitesyvyys 0,5 m Eristeen alapuolelle kuivatuskerros Kokonaispaksuuden minimointi ohut kuivatuskerros eristemateriaali toisinaan veden kanssa kosketuksissa XPS F400, E = 24 MPa 6
VERTAILTAVAT RAKENTEET 7
PÄÄLLYSRAKENTEEN MITOITUS Odemarkin mitoitusyhtälö - 1949 Ladotaan kerroksia pohjamaan päälle kunnes tavoitekantavuus saavutetaan. Tavoitekantavuudet ja moduulit peräisin suuresta määrästä levykuormituskokeita tieverkolta InfraRYLin katujen päällysrakennetaulukot perustuvat Odemarkin mitoitusyhtälöön. Sitomattomat E 6 x EA 8
PÄÄLLYSRAKENTEEN MITOITUS APAS Analyyttinen päällysrakenteen suunnittelujärjestelmä Perustuu kimmoteoriaan ja kestoikäfunktioihin Voidaan korostaa eri asfalttien ominaisuuksia Laskennallis-kokeellinen liikennekuormituksesta aiheutuvat muodonmuutokset Asfaltin alapinnan vaakasuuntainen venymä Sitomattomien kerrosten- ja pohjamaan pystymuodonmuutos KuormitusKertaLuku-KKL KKL = standardiakselien ylityskertojen lkm. Standardiakseli = 10 tonnin paripyöräakseli Muut ajoneuvot skaalataan kertoimilla standardiakseleiksi (ha = 0) Kestoikä vauriomalleilla 9
Moduuli Moduuli PÄÄLLYSRAKENTEEN MITOITUS HAASTEET Liikennekuormituksen mallintaminen Dynaaminen Akselipainot Rengaspaine / rengastyyppi / akselisto Asfaltin viskoelastisuus Lämpötila Kuormitusaika (nopeus) ikä Pohjamaa Vaihtelevuus Kuormitusnopeus Lämpötila 10
PÄÄLLYSRAKENTEEN MITOITUS 11
PÄÄLLYSRAKENTEEN MITOITUS 12
XSP KATURAKENTEEN VAURIOITUMINEN Asfaltin kuluminen - Nastarenkaat KUNNALLISTEKNIIKKA ROUTANOUSUT SULAMISPEHMENEMINEN Asfaltin plastinen deformaatio - lämpötila - Hidas nopeus pitkä kuormitusaika - Raskaat ajoneuvot Asfaltin väsyminen - Liikennekuormitus Sitomattomien deformoituminen - Hienoainespitoisuus, kosteuspitoisuus - Mineralogia, jännitystila, tiiviystila Alusrakenteen deformoituminen -Maaperä - Päällysrakenne - paksuus 13
MITÄ TEHTIIN Päällysrakenteen mitoitus Odemark APAS PLAXIS 2D axisymmetric + APAS kestoikäfunktiot Painumalaskenta Vesipitoisuusmenetelmä-kokonaispainumat Routamitoitus Roudan tunkeutumissyvyys, VTT Talonrakennuk 2007 Routanousu, Tiehallinto 14
MITÄ TEHTIIN Lisäksi Plaxiksella mallinnettiin XPS-rakenteen variaatioita 15
PLAXIS Pyörähdyssymetrinen geometria Materiaalimallit: Linear Elastic - Hardening Soil Liikennekuorma Super-single, 50 kn, 800 kpa Linear elastic Hardening soil 16
PLAXIS Mallinnus koostui 16 laskuvaiheesta Kerrosten rakentaminen 100 kpa tiivistyskuorma 5 kuormituskertaa Kestoikä mitoitus 5 kuormituksesta KKL katuluokan liikennemäärästä, 5 % raskasta liikennettä Muodonmuutokset Plaxiksesta APAS kestoikäfunktio Laskennallinen kestoikä 17
ROUTA Roudan tunkeutumissyvyys VTT / talonrakennuksen routasuojausohjeet Routanousu Tiehallinnon menetelmä / routaturpoamakerroin RN lask = (S a 1 R 1 a 2 R 2 - - a n R n ) t /100 RN lask on laskennallinen routanousu, mm S on mitoitusroudansyvyys, mm R i on routimattoman kerroksen paksuus, mm a i on materiaalin vastaavuus eristävyyden kannalta t on alusrakenteen routaturpoamakerroin, % Maalaji Turpoamakerroin t, % Kuivana Märkänä Si, SiMr, Sa/Si* 12 16 KuSa - 6 Sa, Lj - 6 18
InfraRYL Rakennekerrokset TULOKSET-ODEMARK Lähtötiedot Pohjamaaluokka G - Pohjamaan kantavuus 5 MPa Tavoitekantavuus, päällysteen päältä 250 MPa Tavoitekantavuus, sitomattoman päältä 148 MPa E mat, E lasku E P, Materiaali MPa MPa h, m MPa Asfalttibetoni AB 2500 2500 0,09 268 Kalliomurske 0 45, Kantava KaM 0/45 300 300 0,150 162 Kalliomurske 0 63, Jakava KaM 0/63 200 200 0,250 119 Kalliomurske 0 63, Jakava KaM 0/63 200 171 0,250 68 Kalliomurske 0 63, Jakava KaM 0/63 200 72 0,250 29 Kalliomurske 0 63, Jakava KaM 0/63 200 30 0,250 12 XPS Rakennekerrokset Materiaali Sitomattomat E 6 x EA E mat MPa E lasku MPa h, m E P, MPa E i /E (i- 1) n Asfalttibetoni AB 2500 825 0,09 72 60,6 20 Kalliomurske 0 45, Kantava KaM 0/45 300 140 0,150 41 12,9 6 Kalliomurske 0 63, Jakava KaM 0/63 200 87 0,125 23 13,7 6 Kalliomurske 0 63, Jakava KaM 0/63 200 55 0,125 15 22,0 6 Suulakepuristettu polystyreeni XPS 400 24 24 0,100 9 3,4 10 Hiekka Hk 50 30 0,100 7 10,0 6 Tulokset Rakennekerroksien kokonaispaksuus, mm 1240 Kantavuuus sitomattoman päältä, MPa 162 OK Kantavuus asfaltin päältä MPa 268 OK Tulokset Rakennekerroksien kokonaispaksuus, mm 690 Kantavuuus sitomattoman päältä, MPa 41 Riittämätön Kantavuus asfaltin päältä MPa 72 Riittämätön
TULOKSET-APAS Katuluokka 4 KVL_päivä 2500 KVL_päivä / kaista 1250 Rask osuus (%) 5 Yhdistelmien osuus raskaista (%) 10 L 2.0 KKL = 46 000 10 tn akseli / 10 min Muodonmuutokset InfraRYL XPS asfaltin alapinnan venymä, μm/m 299 330 Kantavan kerroksen pystymuodonmuutos, μm/m 983 1006 Jakavan kerroksen pystymuodonmuutos, μm/m 789 838 Kuivatuskerroksen pystymuodonmuutos, μm/m - 548 Pohjamaan pinnan pystymuodonmuutos, μm/m 380 1297 XPS kerroksen pinnan puristusjännitys, kpa - 15 Laskennallinen kestoikä, vuotta InfraRYL XPS Asfaltin kestoikä 14 9 Kantavan kerroksen murskeen kestoikä 69 60 Jakavan kerroksen murskeen kestoikä 265 183 Hiekan kestoikä - 84 Pohjamaan kestoikä 69 1
Syvyys asfaltin pinnasta, mm -0,20-0,15-0,10-0,05 0,00 0,05 0,10 TULOKSET-PLAXIS Pystymuodonmuutos InfraRYL-XPS ε y [%] 0 Asfaltti 200 Kantava 400 Jakava XPS 600 XPS Hiekka Kuormitus 1XPS Kuormitus 5 XPS Kuormitus 1 InfraRYL Kuormitus 5 InfraRYL 800 1000 Jakava InfraRYL 1200 1400
TULOKSET-PLAXIS Kerros Asfaltti Kantava murske Jakava murske Kuivatus hiekka Pohjamaa Rakenne ε x, µs Kestoikä ε y, µs Kestoikä ε y, µs Kestoikä ε y, µs Kestoikä ε y, µs Kestoikä InfraRYL 170 173 800 308 480 >1000-305 164 XPS 180 134 770 244 400 >1000 104 >1000 830 3 XSP_15 185 118 760 334 412 >1000 90 >1000 821 3 XPS_KuSa* 175 152 755 347 390 >1000 111 >1000 408/700 52/ 6 XPS_Kallio 90 3025 890 127 560 >1000 - - - - XPS_kesä 165 >1000 795 253 550 >1000 165 >1000 840 3 pystyjännitys yläpinnassa kokonaismuodonmuutos Pinnan muodonmuutos Kokonais muodonmuutos Rakenne σ y, Kpa u y, mm ε y, µs ε y, % XPS 42 0,055 700 0,055 XSP_15 38 0,066 865 0,066 XPS_KuSa 48 0,055 720 0,055 XPS_Kallio 90 0,14 1576 0,14 XPS_kesä 66 0,076 980 0,076
TULOKSET-ROUTA Lähtötiedot Vuoden keskilämpötila, Tm 4 C Pakkaskauden keskiläpötilatc -7,8 C Mitoitusroudansyvyys Mitoituspakkasmäärä 1,9 m 25000 h C Tiehallinto - routaturpoama Turpoamakerroin, % Laskennallinen Routanousu, mm InfraRYL XPS 50 mm XPS 100mm (Sa, Lj, KuSa) 6 41 21 0 (Kuiva Si, SiMr, Sa/Si) 12 81 42 0 (Märkä Si, SiMr, Sa/Si) 16 124 56 0 VTT- Talonrakennuksen routasuojausohjeet -roudan syvyys Rakenne InfraRYL XPS λf [W/mK] q, Wh/m2 d [m] Pakkasmäärä h C Pakkasmäärä h C Parametrit d [m] Päällyste 2,0 5168 0,09 10 0,09 10 Kantavan kerroksen murske 2,4 14630 0,15 167 0,15 167 Jakavan kerroksen murske 2,8 16063 1,0 4595 0,25 611 XPS 0,050 1031 - - 0,1 123 Kuivatuskerros hiekka 1,3 11970 - - 0,1 2676 Pohjamaan jäätymiseen käytettävissä oleva pakkasmäärä, Kh 20227 21412 Jäätyvän pohjamaan paksuus, m 0,43 0,11 Roudan kokonaistunkeutumissyvyys, m 1,67 0,80
JOHTOPÄÄTÖKSET Katuluokassa 4 pienet liikennemäärät (raskas liikenne) Asfaltin väsyminen ei ole mitoittava XPS-levyn pinnan jännitykset kimmoisalla alueella Ei pysyviä muodonmuutoksia Pehmeä pohjamaa ja ohut päällysrakenne Pohjamaan pystymuodonmuutokset mitoittava tekijä. Yllätys? Pohjamaan kestoikäfunktiosta ei tietoa tarpeeksi. Sama kestoikäfunktio hiekalle ja savelle. XPS-rakenteessa liikennekuormitus aiheutti 12,5 kpa 25 kpa eli 100% lisäyksen pohjamaan pinnan pystyjännitystilaan. Kuivakuorisaven plastiset muodonmuutokset? Kuivakuorisaven poiskaivaminen ja korvaaminen murskeella ei ole järkevää.
JOHTOPÄÄTÖKSET XPS-RAKENTEEN EDUT HAITAT Routasuojattu päällysrakenne XPS-levyn yläpuolisten kerrosten tiivistettävyys? Ei alusrakenteen routanousueroja Päällysrakenteen kestävyys? Kevyempi pienemmät painumat Musta jää? Vähemmän kaivumassoja Kunnossapito Vähemmän kuljetusta / läjitettävää
LOPUKSI