Teiden käyttöikäsuunnittelu lähtökohtia tavoitetilan määrittelyyn

TUTKIMUSRAPORTTI VTT R 09486 06 Teiden käyttöikäsuunnittelu lähtökohtia tavoitetilan määrittelyyn Kirjoittajat: Luottamuksellisuus: Jouko Törnqvist, Leena Korkiala Tanttu, Markku Tuhola, Rainer Laaksonen, Markku Juvankoski, Markku Pienimäki, Kyösti Laukkanen, Erkki Vesikari ja Harri Spoof Julkinen

2 (57) Alkusanat Tutkimus Infrarakenteiden käyttöikäsuunnittelu (Infra servicelife), Tierakenteet Tietuotteet kokonaisuus on osa Tekesin Infra teknologiaohjelmaa ja jatkoa VTT:llä käynnissä olevaan projektikokonaisuuteen Infrarakenteiden käyttöikäsuunnittelu. Tutkimus käynnistyi 1.1.2005 ja päättyi syksyllä 2006. Käytännön tutkimustyöstä vastasi VTT. Tutkimusta rahoittivat TEKES, Tiehallinto, Tieliikelaitos, Ratahallintokeskus (RHK), Helsingin kaupungin Rakennusvirasto, Skanska Tekra Oy, Lemcon Oy, Lemminkäinen Oyj, Suomen Maarakentajien Keskusliitto ry, SYKE sekä VTT. Tutkimuksen johtoryhmään kuuluivat: Kimmo Fischer, pj., Markku Teppo Tapani Karonen Vesa Laitinen Hannu Asikainen Panu Tolla Osmo Rasimus Ilkka Jussila Pertti Heininen Jouko Törnqvist Markku Tuhola SITO Oy Tiehallinto Suomen Maanrakentajien Keskusliitto ry (SML) Lemminkäinen Oy Helsingin kaupungin Rakennusvirasto Tieliikelaitos TEKES TEKES 1.8.2006 alkaen Skanska Tekra Oy VTT VTT, sihteeri. Tutkimuksessa tehtiin tiivistä yhteistyötä Tierakenteen käyttöiän hallinta uuden teknologian avulla (TIEIKÄ) projektin kanssa. Projekteilla oli muun muassa yhteiset johtoryhmien kokoukset. TIEIKÄ projektista johtoryhmään kuuluivat: Pauli Kolisoja Tampereen Teknillisestä Yliopistosta, Ville Alatyppö ja Jarkko Valtonen Teknillisestä Korkeakoulusta sekä Jouko Belt Oulun Yliopistosta. Projektin tutkimusryhmä koostui seuraavista VTT:n tutkijoista: teknologiapäällikkö Jouko Törnqvist (projektipäällikkö), tutkija Rainer Laaksonen, erikoistutkija Leena Korkiala Tanttu, tutkija Markku Juvankoski, erikoistutkija Markku Pienimäki, erikoistutkija Kyösti Laukkanen, erikoistutkija Erkki Vesikari, asiakaspäällikkö Markku Tuhola sekä tutkija Harri Spoof. Tutkimusryhmä haluaa kiittää projektijohtoryhmää, rahoittajia sekä muita työhön osallistuneita. Espoossa lokakuussa 2008 Tekijät

3 (57) Sisällysluettelo Alkusanat...2 1 Johdanto...5 2 Teiden kestoikä ja rappeutumismallit...8 2.1 Johdanto...8 2.2 Kuormituskestävyyden vauriomallit...8 2.3 Mallien arviointi...9 3 Eurooppalaisten harmonisoitujen tuotestandardien vaikutukset kelpoisuuden osoittamiseen käyttöiän kannalta...14 3.1 Aineisto...14 3.2 Aineiston käsittely...15 3.3 Arvio valmistelussa olevien standardien vaikutuksista...20 4 Käyttöiän arviointimenetelmien käyttökelpoisuus, vertailtavuus ja käytön riskit...20 4.1 Yleistä...20 4.2 Kokemusperäinen kenttäaineisto...21 4.2.1 Rekisteritietoon perustuvat arviointimenetelmät...21 4.2.2 Tiehallinnon tavoitekantavuusmenettely (RAKSU)...26 4.3 Laboratoriomittakaavan testaukset...26 4.3.1 Yleistä...26 4.3.2 Kerroinmenetelmä...27 4.3.3 Vertailurakenteet...30 4.3.4 Käyttöikälaskelmat...30 4.3.5 Käyttöikälaskelmien vastaavuus käyttöolosuhteiden kanssa...31 4.4 Pienimittakaavaiset mallikokeet...32 4.5 Täysmittakaavainen mallikoe; tyyppi HVS...33 4.6 Koerakentaminen...35 4.7 Laskennalliset menetelmät...38 4.7.1 Mekanistiset menetelmät...38 4.7.2 Lineaariseen kimmoteoriaan perustuva monikerroslaskentamenettely39 4.7.3 APAS tierakenteen suunnitteluohjelmisto...39 4.7.4 TPPT mitoitusmenettely...40 4.7.5 Routanousun määritys...41 4.7.6 Deformaation laskentatyökalu...41 4.7.7 Mekanististen menetelmien heikkouksia...44 4.7.8 Kuormituskertaluvun laskenta...45 4.8 Yhteenveto käyttöiän osoittamisen menetelmistä ja arviot soveltuvuudesta.48 5 Olosuhdeluokitus...48 6 Toimivuusvaatimukset vs. tekniset vaatimukset...51 7 Alan ohjeistustarveselvitys...52

4 (57) 8 Loppusanat...54 Lähdeviitteet...55 Liitteet ja muut dokumentit Liite 1: Vaurioitumismalleja Liite 2: Harmonisoidut ja valmisteilla olevat standardit Liite 3a: Toimivuusvaatimukset ja kriteerit Liite 3b: Analytical Hierarchy Process (AHP) Liite 4: Tierakenteiden käyttöiän mitoitusohjeen sisältö Liite 5. Innovatiiviset tuotteet ja ratkaisut

5 (57) 1 Johdanto Tutkimus Infrarakenteiden käyttöikäsuunnittelu (Infra servicelife), Tierakenteet Tietuotteet kokonaisuus oli osa Tekesin Infra teknologiaohjelmaa ja jatkoa VTT:llä käynnissä olevaan projektikokonaisuuteen Infrarakenteiden käyttöikäsuunnittelu. Projektin tavoitteena oli kehittää menettelyitä, joilla tierakenteen (rakenne, osarakenne, rakenneosa) ja viimekädessä koko tiehankkeen (tielinjan) käyttöikä voidaan todentaa tilaajan ja rakenteen tuottajan välisessä kaupankäynnissä. Tässä yhteydessä tilaajalla ymmärrettiin sekä rakennuttajaa että myös pääurakoitsijaa (tuottajaa), joiden tulee vastata tierakenteen käyttöiän aikaisesta toimivuudesta aliurakoitsijoita ja materiaalitoimittajia käyttäessään. Projekti keskittyi tietuotteen teknisten vaatimusten ja toimivuusvaatimusten välisten yhteyksien muodostamiseen sekä tuoteominaisuuksien määrittämisen menettelytapoihin. Projektin tuloksena esitetään menettelytavat soveltuvista tierakenteen käyttöiän osoittamistavoista ja työkaluista, niiden luotettavuudesta ja edelleen kehittämistarpeista. Menettelyjen ja työkalujen tulee soveltua erilaisiin hankintatapoihin kuten suunnittele toteuta (ST), suunnittele toteuta kunnossapidä sekä perinteiset toteutusurakat. Tavoitteena oli, että tulokset ovat mahdollisimman laajalti alan hyväksymiä. Hanke ei suoraan tuottanut eri materiaalien ominaisuustietoja käyttöiän arvioimiseksi, mutta loi ne periaatteet, joilla myös materiaalien käyttöikään liittyvät kelpoisuudet voidaan osoittaa. Projektin aikana ja sen jälkeen alan toimijoilla on käytettävissä menettelytavat kehittää omia tuote ja materiaaliratkaisujaan tietoisena siitä, kuinka niiden käyttöiän arviointi voidaan (voitaisiin) suorittaa. Projekti ei rajoita tilaajien päätöksentekoa sovellettavien menettelyjen käyttöönotossa. Projekti koostui neljästä osatehtävästä, jotka olivat: A. Lähtökohdat ja taustatiedot B. Toimivuusvaatimukset ja kriteerit C. Käyttöiän mallintaminen D. Tuotehyväksyntä rakenteiden ominaisuuksien osoittamisessa. Seuraavassa kunkin alakohdan sisältöä on avattu lähemmin. A. Lähtökohdat ja taustatiedot 1. Arvioitiin kotimaiset ja ulkomaiset tierakenteiden käyttöiän (kestoiän) arviointiin perustuvat menetelmät ja tekniikat. Arvioitiin ulkomaisten menettelyiden käyttökelpoisuus Suomen olosuhteisiin sekä selvitettiin nykyisten ja tiedossa olevien tulevien eurooppalaisten harmonisoitujen tuotestandardien vaikutukset kelpoisuuden osoittamiseen käyttöiän osalta. 2. Arvioitiin eritasoisten käyttöiän arviointimenetelmien käyttökelpoisuutta, keskinäistä vertailtavuutta ja menetelmien käyttöön liittyvät riskit. Käsiteltävät arviointimenetelmät olivat: kokemusperäinen kenttäaineisto laboratoriomittakaavan testaukset

6 (57) pienimittakaavainen mallikoe täysmittakaavainen mallikoe koerakentaminen laskennalliset menetelmät oleellisten materiaaliparametrien käyttö käyttöiän arvioinnissa (mitoitus). 3. Selvitettiin ohjeistustarpeet yhdessä alan toimijoiden kanssa ja ohjeistuksen työnjako (toimivuusvaatimukset, turmeltumismallit, käyttöiän mallintaminen, käyttöiän todentaminen). 4. Toteutetun rakenteen käyttöiän todentaminen suorat ja epäsuorat mittaustekniikat (jo käytössä olevat menetelmät sekä arviot tulevista tarpeista) mittausten edustavuuden ja luotettavuuden merkitystä kelpoisuuden arvioinnissa ja toimittajan laadunvarmistusmenettelyt. B. Toimivuusvaatimukset ja kriteerit Esitettiin käyttäjän, omistajan ja ympäristön tarpeista johdetut tierakenteen toimivuustavoitteet. Työssä otettiin huomioon laadinnan alla olevat yleiset laatuvaatimukset (InfraRYL) ja niissä kuvattavat toimivuusvaatimukset tierakenteelle. Määriteltiin rakenteille tulevat käytön rasitukset ja olosuhteiden rasitukset luokittelemalla (osio C/4). Käytön rasitusten ja olosuhteiden rasitusten luokittelulla pyrittiin luomaan yleisesti hyväksyttävissä oleva pohja, jota käyttäen osarakenteille, rakenneosille ja materiaaleille voitiin antaa toimivuusvaatimukset luokkakohtaisesti (esim. jäykkyys, kitka jne.). Materiaalispesifisiä, teknisiä vaatimuksia nimettiin vain siinä laajuudessa, missä muissa yhteyksissä ne olivat riittävän harhattomasti kyetty osoittamaan (esim. materiaalikohtaiset sideainepitoisuudet, kiviaineksen rakeisuusjakauma jne.). Toimivuustavoitteet muunnettiin rakenteille kohdistettaviksi teknisiksi vaatimuksiksi ja kriteereiksi. Vaihtoehtoisia linkkejä toimivuusvaatimusten ja teknisten vaatimusten välille tutkittiin neljällä tasolla: 1. mitoituksellinen linkittäminen, jossa materiaalit kuvataan parametrein ja olosuhteet kuvattiin todellisina (tyyppi APAS: esimerkiksi parametrisoitu materiaalin väsyminen vs. kuormituskertaluku), ks. kohta C, 2. vuorovaikutuksellinen linkittäminen, jossa analyyttisten mitoitusyhtälöiden sijaan vaatimuksia kuvattiin vaikutussuhtein (tyyppiä asiantuntijajärjestelmä, jossa voi olla mitoituksellisia elementtejä sekä ennakoidun käyttöiän (ESLC) elementtejä, 3. kokemuksellinen linkittäminen, jossa olosuhdeluokittain kuvattiin materiaaliominaisuuksien ja toimivuusvaatimusten (yleensä yhden) väliset empiiriset vuorosuhteet (tyyppiä nykytila; esimerkiksi päällysteen kulumisen ja päällysteen materiaaliominaisuuksien välillä) sekä 4. verbaalinen taso, jossa vuorovaikutus kuvataan sanallisesti. Mikäli kokeelliset, tutkimuksellisesti verifioidut tai todennetut vuorovaikutussuhdetiedot puuttuivat, taikka ne olivat merkittävän heikosti verifioituja, kuvattiin näiden vuorovaikutusten jatkoselvitystarpeet.

7 (57) C. Käyttöiän mallintaminen 1. Esitettiin yleiset turmeltumismallit käyttöiän osoittamismenettelyissä ja arvioitiin niiden soveltuvuus ja käyttö tienrakentamisessa. Laadittiin mahdollisesti tarvittavien uusien, empiirisesti tuntemattomien rakenneratkaisujen turmeltumismallien luontiperusteet ottaen huomioon osion A/2 koemenettelyt (tuotehyväksyntämenettelyn tarpeisiin). 2. Käyttöikämitoitusta kehitettiin rakenteen ja sen osien turmeltumismalleja hyväksikäyttäen. Tehtävässä implementoitiin jo olemassa olevia tai kehitettyjä malleja (työkalut) käyttöikämitoitukseen. Työkaluja olivat: käyttöiän arvioinnin menettelyt hanketasolla, mekanistiset laskentamallit liikenneperäiselle väsymiselle (APAS mitoitusohjelma), pinnan kulumisen arviointi, deformaatiomitoitus (kehitettävänä deformaatiohankkeessa), routamitoitus: routavauriot ja tasaisuus (TPPT:n tulosten pohjalta), painumavauriot ja tasaisuus (TPPT:n tulosten jatkokehitys, koekäytössä v. 2004 VT9/Elinkaari pilot hanke) sekä muiden tarpeellisten työkalujen nimeäminen ja tarvekuvausten laatiminen. 3. Käyttöiän arvioinnin menettelyt hanketasolla Tässä tehtävässä esitettiin, miten rakennepoikkileikkauskohtaisesta informaatiosta voidaan siirtyä koko tielinjan toimivuuden arviointiin ja käyttöiän laskentaan. Lisäksi hahmoteltiin vaihtoehtoismenettelyjä moniongelmaisten (väsyminen, urautuminen, routiminen, painuminen jne.) teiden hankintamenettelyiden laatupisteytykseen käyttöikäkriteerien pohjalta. 4. Olosuhdeluokittelu (standardisolosuhteet) rakenteiden käyttöiän mallintamisen ja tuotekelpoisuuden osoittamisen perustaksi Olosuhdeluokittelua täydennettiin materiaalikohtaisilla luokitteluilla, joissa otetaan huomioon materiaalien erityisominaisuuksia (rapautuminen, terästyksen korroosio olosuhteet, geosynteettisten tuotteiden lämpötilariippuvuus jne.). Luokittelu tehtiin materiaalien nykykäytön yleisyysjärjestyksessä. Uusien, vasta potentiaalisten ratkaisujen, olosuhdeherkkyysarvioinnin menettely kuvataan kohdassa D. D. Tuotehyväksyntä rakenteiden ominaisuuksien osoittamisessa Luotiin menettelytavat ja hyväksymismenettelyt (tilaajan ja toimittajan yhdessä hyväksymät) esiauditoinnin ja tuotekehityksen tarpeisiin ja esitettiin tyyppihyväksyntämenettelyn runko, ja arvioitiin ohjeistuksen tarpeet sisällysluettelon muotoon.

8 (57) 2 Teiden kestoikä ja rappeutumismallit 2.1 Johdanto Tutkimuksessa kerättiin ja luokiteltiin yleiset turmeltumismallit käyttöiän osoittamismenettelyissä ja arvioitiin niiden soveltuvuutta ja käyttökelpoisuutta tienrakentamisessa. Tässä luvussa on esitetty Suomessa käytettyjä kuormituskestävyyden vauriomalleja sekä arvioitu niiden käyttökelpoisuutta. Liitteessä 1 on esitetty laajemmin muita, pääasiassa ulkomaisia turmeltumismalleja. Liitteen 1 mallien esittely perustuu muistioon, eikä siinä ole erikseen esitetty täydellisiä lähdeviittauksia. Esitettyjä malleja ei ole eroteltu käyttötarkoituksen perusteella, koska raja on usein kuin veteen piirretty viiva, eli yhtä ja samaa mallia saatetaan käyttää sekä hanke että ohjelmointitasolla. Hanketasolla ja ohjelmointitasolla käytettyjen rappeutumismallien yleisin ero on siinä, että ohjelmointitason malleissa (joita käytetään PMS järjestelmissä) on usein muuttujina olemassa olevan tieosuuden nykykunto. Tätä tietoa ei hanketasolla ole käytössä muuta kuin suunnittelun lähtötietona. Rappeutumismallit ovat tärkeässä roolissa kestoiän määrittelyssä, toiset tienpidon hankinnassa (suunnittelussa, tarjousten vertailussa ja elinkaarikustannusten laskennassa) ja toiset ylläpidon optimoinnissa. Mallien soveltuvuutta Suomen olosuhteisiin ja hyödynnettävyyttä kotimaisiin kestoiän määrittämistarpeisiin on pohdittu sekä mallien esitysten yhteydessä että luvussa 2.3 lopussa. 2.2 Kuormituskestävyyden vauriomallit Seuraavassa on esitetty joukko rappeutumismalleja (kaavat 1 6), joilla ennustetaan tien liikennerasituksesta aiheutuvien kuormituskestävyysvaurioiden alkamisajankohtaa. Mallinnusaineistona on käytetty tieverkolta kerättyä havaintoaineistoa ja mallinnus perustuu sensuroitua dataa hyväksikäyttävään eloonjäämisanalyysin menetelmään (Survival Analysis). Malleissa ennustetaan kumulatiivisen kuormituskertaluvun määrää hetkeen, jossa päällysteeseen vaurioituminen (halkeilu) alkaa. Selittäjinä malleissa käytetään vuotuista kuormituskertalukua sekä asfaltin alapinnan vetomuodonmuutosta tai jotain päällysteen pinnan taipumaindeksiä (yleensä SCI300). Alla esitetyt mallit on kehitetty vuosien aikana eri hankkeissa hieman eri aineistoista. Heikki Jämsän väitöskirja (Jämsä 2000): 1 6.59 0.0026*( EPS ) 2997317* EPS* N10Y N = 10 10 (2.1) Tien pohja ja päällysrakenteet tutkimusohjelma (Tammirinne 2002): 1 7.29 0.00372*( EPS ) 5840000* EPS* N10Y N = 10 10 (2.2) Väg och transportforskningsinstitutet (VTI):

9 (57) 1 7.12 0.0036*( EPS ) 6412000* EPS* N10Y N = 10 10 (2.3) Performance Analysis of Road Infrastructure PARIS (EU): 1 7.29 0.0067*( SCI 300) 2280000 * SCI 300* N10Y N = 10 10 (2.4) Tien rakenteellinen kunto (Järvinen 2001): 1 7.22 0.0054*( SCI 300) 3648000* SCI 300* N10Y N = 10 10 (2.5) Väg och transportforskningsinstitutet (VTI): 1 7.24 0.0052*( SCI 300) 5010000* SCI 300* N10Y N = 10 10 (2.6) N 10 kumulatiivinen kuormituskertaluku vaurioitumisen alkamisajankohtaan, 100 kn EPS päällysteen alapinnan sallittu muodonmuutos, µm/m SCI300 taipumaerotus, d0 d300 (Surface Curvature Index), µm N 10 Y mitoitusjakson keskimääräinen vuotuinen kuormituskertaluku, 100 kn. Mikäli yllä mainittuja malleja halutaan käyttää tierakenteen suunnittelussa, voidaan esimerkiksi kaava 2.2 kirjoittaa kaavan 2.7 muotoon (Spoof 2001). Näin saadaan määritettyä ns. kenttäkalibroitu väsymismitoitusmuodonmuutos. EPS = 2 86900 ( log( ) 7.29) N log( N10 ) N 10Y 0.00744 10 + 7.29 (2.7) Mallinnusmenetelmä on kansainvälisesti yleisesti hyväksytty ja malleja pidetään varsin luotettavina kestoiän määrittämiseen. Mallit ovat käyttökelpoisia erityisesti ylläpidon ohjelmointitasolla. Mallien suurimpana ongelmana Suomen olosuhteissa on, että ne eivät huomioi ilmaston aiheuttamaa rappeutumista. 2.3 Mallien arviointi Luvussa 2.2 sekä liitteessä 1 esitetyt turmeltumismallit ovat luokiteltu toimivuusvaatimusten perusteella ja joukkoon sisältyy sekä hanketason että ohjelmointitason malleja. Esitettyjä malleja ei ole eroteltu käyttötarkoituksen perusteella, koska yhtä ja samaa mallia saatetaan käyttää sekä hanke että ohjelmointitasolla. Hanketasolla ja ohjelmointitasolla käytettyjen rappeutumismallien yleisin ero on siinä, että ohjelmointitason malleissa (joita käytetään PMS järjestelmissä) on usein muuttujina olemassa olevan tieosuuden nykykunto. Tätä tietoa ei hanketasolla ole käytössä muuta kuin suunnittelun lähtötietona. Rappeutumismallit ovat tärkeässä roolissa kestoiän määrittelyssä, toiset tienpidon hankinnassa (suunnittelussa, tarjousten vertailussa ja elinkaarikustannusten laskennassa) ja toiset ylläpidon optimoinnissa.

10 (57) Kuntoindeksimallien käyttötarkoitukset ovat lähempänä strategisen tason ohjausta, kuin varsinaisen kestoiän määrittämistä. Näillä malleilla voidaan yleisellä tasolla kuvata kuntotilaa, mutta ne eivät varsinaisesti kerro mitä ongelmia tiessä on. PMSPro:n mallien käyttötarkoitus on palvella päällystysohjelman tekoa. Näillä malleilla voidaan lyhyellä aikavälillä kuvata kuntotilan kehittymistä, mutta nekään eivät varsinaisesti kerro tien kestoikää. Vauriomalleissa on esitetty: rappeutumismalleja, joilla ennustetaan tien liikennerasituksesta aiheutuvien kuormituskestävyysvaurioiden alkamisajankohtaa ulkomaalaisia rakenteellisten vaurioiden kestoikämalleja ulkomaalaisia pituussuuntaisen epätasaisuuden kestoikämalleja ulkomaalaisia poikittaisen epätasaisuuden kestoikämalleja ulkomaalaisia erilaisiin kunto indekseihin perustuvia kestoikämalleja sekä tienpidon ohjelmointitason hallintajärjestelmän (PMSPro) erilaisia malleja (vauriosumma, pitkittäinen epätasaisuus, poikittainen epätasaisuus) kuntotilan ja rappeutumisen ennustamiseen (päällystysohjelman suunnittelu). Kuormituskestävyysvaurioiden alkamisajankohdan malleissa ennustetaan kumulatiivisen kuormituskertaluvun määrää hetkeen, jossa päällysteeseen vaurioituminen (halkeilu) alkaa. Selittäjinä malleissa käytetään vuotuista kuormituskertalukua sekä asfaltin alapinnan vetomuodonmuutosta tai jotain päällysteen pinnan taipumaindeksiä (yleensä SCI300). Tien pohja ja päällysrakenteet tutkimusohjelman (Tammirinne et al. 2002) malli on esitetty aiemmin kaavassa 2.2 (Tammirinne 2002). Tierakenteen suunnittelussa käytetty kenttäkalibroitu väsymismitoituksen muodonmuutos voidaan kirjoittaa kaavasta kaavan 2.7 muotoon. Tämä mallinnusmenetelmä on kansainvälisesti yleisesti hyväksytty ja malleja pidetään varsin luotettavina kestoiän määrittämiseen. Mallit soveltuvat käytettäviksi sekä hanke että ylläpidon ohjelmointitasolla. Mallien suurimpana ongelmana Suomen olosuhteissa on, että ne eivät huomioi ilmaston aiheuttamaa rappeutumista. Yleisemmin analyyttinen väsymismitoitus perustuu laboratorio olosuhteissa kehitettyihin väsymissuoriin. Valtaosa ulkomaalaisia rakenteellisten vaurioiden kestoikämalleista pohjautuu laboratoriossa määritettyihin materiaaliparametreihin ja kerrosohjelmilla määritettyihin muodonmuutoksiin sekä väsymissuorien käyttöön. Näillä malleille on tyypillistä, että ne eivät ennusta kuntotilan kehittymistä, vaan malleja käytetään enemmän mitoituksen tukena kuin kestoiän määritykseen. Myös ulkomaiset tasaisuusmallit ovat useimmiten yksinkertaisia kohteen ikään perustuvia malleja, joihin ei sisälly rakenteellisia parametreja. Myös poikittaisen epätasaisuuden ulkomaiset mallit perustuvat useimmiten pohjamaan muodonmuutokseen tai yksinkertaisesti kohteen ikään, poikkeuksena ruotsalaisten mallit pitkittäis ja poikittaisepätasaisuuden osalta, jotka sisältävät suuren määrän muuttujia. Ulkomaisten kunto indeksimallien käyttötarkoitukset ovat lähempänä strategisen tason ohjausta, kuin varsinaisen kestoiän määrittämistä. Näillä malleilla voidaan yleisellä tasolla kuvata kuntotilaa, mutta ne eivät varsinaisesti kerro mitä ongelmia tiessä on.

11 (57) Tienpidon ohjelmointitason hallintajärjestelmän (PMSPro) erilaiset mallit kuntotilan ja rappeutumisen ennustamiseen käsittävät vauriosumman ja pituus ja poikkisuuntaisen tasaisuuden vauriomallit. Vauriosummaa kuvataan päällystetyyppikohtaisilla rappeutumismalleilla (ennuste perustuu mittaustietoon, ikä vähintään kolme vuotta), oletusmalleilla (toimenpiteen jälkeinen kuntoennuste, ennen ensimmäistä mittausta), tasaisuusmalleilla pituus ja poikkisuuntaisen tasaisuuden suhteen sisältävät päällystetyyppityyppikohtaiset rappeutumismallit (ennuste perustuu mittaustietoon, ikä vähintään kolme vuotta), lähtötasomalleilla (toimenpiteen jälkeinen lähtökuntotaso) ja oletusmalleilla (toimenpiteen jälkeinen kuntoennuste, ennen ensimmäistä mittausta). PMSPro:n mallien käyttötarkoitus on palvella päällystysohjelman tekoa. Näillä malleilla voidaan lyhyellä aikavälillä kuvata kuntotilaan kehittymistä, mutta ne eivät varsinaisesti kerro tien kestoikää. Sekä pituus että poikkisuuntaisen tasaisuuden mallit ovat myös yleensä yksinkertaisia pelkästään kohteen ikään perustuvia malleja, joihin ei sisälly rakenteellisia parametreja. Olemassa olevia malleja käyttötason mukaan on kuvattu taulukossa 2.1. Taulukko 2.1. Käyttöikään liittyviä rappeutumismalleja. Malli Käyttötaso Funktio Kuntomuuttujat PMSPro Ohjelmointi Rap = f(ikä, kunto, pääl_lka) IRI, URA, VS HIPS Verkkotaso Markow = f(ikä, kunto, pääl_lka) IRI, URA, VS TPPT/SHRP/PARIS Hanketaso Vau_ini = f(ikä, KKL, SCI, strain) Kuormitusvauriot TRAKunto/Kepä/PARIS Hanketaso Rap = f(ikä, kunto, KVL, pääl_lka, SCI) IRI, URA, VS FORMAT Hanketaso Arvo = f(kunto = f(ikä, KVL, ) Kaikki PCAD Hanketaso Rap = f(ikä, KVL, tien leveys, nopeus, ilmasto, massatyyppi, kiviaines, sideaine) URA Todellisen käyttöiän ennustamiseen hankekohtaisesti soveltuvat käytettävissä olevista malleista parhaiten kuntorekisteriaineistoon pohjautuvat mallit (Järvinen 2001). Kuntorekisteriaineistoon pohjautuvia malleja on käytetty "Teiden elinkaarisuunnittelun ohjelma "ROADLIFE" osiossa. "ROADLIFE" ohjelmasta on tehty kaksi versiota, toisessa versiossa on käytetty pintatoimenpiteiden turmeltumismalleina vaurioilla (vauriosumma), uralla ja IRI:llä ns. RAKSU malleja (Lehtonen 2001) ja toisessa yksistään päällysteen kulumisesta johtuvia urautumismalleja PCAD malleja (Kurki 2003). Tiehallinnon RAKSU mallien (Lehtonen 2001) laskentakaavat ovat: Vauriosumma (m 2 ) = päällysteen ikä (vuosina) seuraava lauseke (2.8)

12 (57) D Leveys KVLR sitom. KaM, h = 9% = 1,3 ABsuper = 1,0 10m = 0 20ajon/ d = 0 0( 0,3mm sitom. KaM, h 6% = 0,6 ABnorm. = 2,0 20 RNmit + = + = + = = 8m 0 90ajon/ d 0,4 1mm bit. stab.1 0,5 PAB B 3,7 1m 7m = 0,6 270ajon/ d = 1 bit. stab.2 = 0,3 PAB V = 6,0 6m = 1,3 800ajon/ d = 1,6 RNmit kaavan lopussa tarkoittaa mitattua routanousua (m). Tyypillisiä vaurioitumisnopeuksia AB teillä ovat 1,5 3,5 m 2 /vuosi (kun D 0 on 0,3 0,7 mm) ja PAB V teillä 3 7 m 2 /v (kun D 0 on 0,3 1,0 mm). Jos esimerkiksi suurin sallittu vauriosumma on 70 m 2, vastaavat kestoiät AB teillä olisivat 43 20 vuotta ja PAB V teillä 23 10 vuotta (Lehtonen 2001). Alustan laadussa on kaksi perusvaihtoehtoa: sitomaton kalliomurske ja bitumistabilointi. Luku h tarkoittaa murskeen hienoainespitoisuutta. Mitä vähemmän murske sisältää hienoainesta, sitä hitaammin vauriosumma kasvaa. Bitumistabiloinneissa stabilointityyppi 2 on parempi kuin stabilointityyppi 1 johtaen pienempään vauriosummaan. IRI (mm/100m) = IRI uutena + päällysteen ikä (vuosina) seuraava lauseke (2.9) KVLR AB. = 0 D0 20ajon / d = 0 Rou tan ousu 0,17 + + + PAB B = 0,03 1mm = 160ajon / d 0 1m PAB V = 0,09 320ajon / d = 0,1 epätasalaatuinen pohjam. = keskin ker tainen = 0,5 tasalaatuinen pohjam. = 0,2 Rakennetuilla teillä IRI:n kasvu on noin 0,16 0,3 mm/v ja rakentamattomilla teillä noin 0,2 0,6 mm/v (Lehtonen 2001). Kaavassa otetaan karkeasti huomioon pohjamaan vaikutus IRI:in skaalalla: epätasalaatuinen, keskinkertainen ja tasalaatuinen. Pohjamaan laatua koskevia tietoja ei ole Kuntorekisterissä, joten ne tulee syöttää käsin ohjelmaan. Urapainuma (mm) = päällysteen ikä (vuosina) seuraava lauseke (2.10) D0( 0,2mm 1mm ABnorm. = 0 PAB = 0,1 + KVLR Leveys 20ajon/ d = 0 sitom. KaM, h = 9% = 0,4 9m = 0 40ajon/ d = 0,15 sitom. KaM, h 6% = 0,2 2 RNmit 8m = 0 + + + 80ajon/ d = 0,3 bit. stab.1 =? 1m 7m = 0,1 160ajon / d = 0,45 bit. stab.2 =? 6m = 0,2 300ajon/ d = 0,6 AB teillä tyypillisiä urautumisnopeuksia ovat 0,36 mm/v (hyvä tie, KVL = 3000) ja 0,71 mm/v (heikohko tie, KVL = 1000). PAB V teillä vastaavasti tyypillisiä urautumisnopeuksia ovat 0,36 mm/v (normaali tie) ja 0,95 mm/v (heikohko tie) (Lehtonen 2001). Rakenteen deformoitumiselle (vrt. kantavan rakenteen korjaus) ei löydetty turmeltumismalleja. Rakennetyypeillä oletetaan olevan vakiokäyttöikä, minkä perusteella ohjelma laskee vaurioitumisnopeuden. Käyttöikiä ei kuitenkaan tunneta toistaiseksi. 1,0

13 (57) Ohjelman toisessa versiossa käytettiin yksistään kulumisesta johtuvan urautumisen turmeltumismalleja (PCAD mallit). Näissä malleissa deformaatio ei ole mukana urasyvyyden arviossa. Urautumisnopeus lasketaan seuraavista kaavoista (Kurki 2003): KU = exp( A ln( KPA) + B) (2.11) KU kulumisurasyvyys (mm) KPA kulumispinta ala (cm 2 ) moottoritiellä A = 1,13, muutoin A = L 0,131 + 0,0512 moottoritiellä B = 3,38, muutoin B = L 0,812 + 3,148 L päällysteen leveys (m). SRK KPA = L S N V (2.12) 40 KPA kulumispinta ala (cm 2 ) SRK joko SRK kokeen tulos tai laskennallinen SRK arvo (raaka aineiden perusteella tai Prall arvon perusteella) L referenssimassan kuluminen S sääkerroin N nastakulutuskerroin V nopeuskerroin. SRK L KM MTK SAK = ( 2,21 KM + 9,4) MTK SAK (2.13) kiviaineksen kuulamyllyarvo massatyyppikerroin sideainekerroin. KVLk,43 L = 2 + 0,38 KVLk 1 2 0,22 1000 (2.14) L KVLk referenssimassan kuluminen ajokaistalla kulkevien nastallisten ajoneuvojen määrä vuorokaudessa (tämä tekijä antaa urautumisfunktiolle aikariippuvuuden). Nastarenkaiden aiheuttama päällysteen kuluminen mallinnetaan PCAD eli PäällysteCAD ohjelmalla (Kurki 2003). Ohjelmalla lasketaan nastarengaskulumisesta ja kulutuskerroksen deformaatiosta syntyvää uraa erilaisilla päällystevaihtoehdoilla. Lähtötietoina ovat mm. KVL, raskaan liikenteen osuus, nopeusrajoitus, päällysteen leveys, sää ja kunnossapitopolitiikka alue jne. Päällysteen kulumiskestävyys määritetään joko kulumistestin (SRK) perusteella tai reseptitietojen perusteella (kiven kuulamyllyarvo, massatyyppi, sideaine). Päällysteen deformaatiokestävyys määritetään deformaatiotestin (pyöräurituslaite) tai reseptitietojen perusteella (sideaineen tunkeuma, massatyyppi). Ohjelma laskee vuosittain syntyvän urasyvyyden ja vuoden, milloin urasyvyys ylittää asetetun raja arvon. Lisäksi ohjelma laskee vuosikustannuksen. Koska ohjelma on tehty 1990 luvun ASTO koeteiden perusteella, pitäisi ohjelmaa päivittää. Nastamääräysten muuttumisen takia kuluminen on vähentynyt. Lisäksi

14 (57) uramittaustapa on muuttunut, joka vaikuttaa urasyvyysarvoihin. Nastarengaskulumista ennustavat mallit ovat varsin luotettavia, mutta vanhentuneita ja niitä tulisi päivittää mm. nastamääräysten muuttumisen takia. Kotimaisten ja pohjoismaisten mallien yleistaso on kansainvälisesti katsoen korkea. Vaurioitumisen alkamisajankohdan mallit ovat varsin luotettavia ja kansainvälisestikin tunnustettuja, mutta mallien ongelmana on, että ne eivät huomioi ilmaston aiheuttamaa rappeutumista mallin muuttujana. Väsymissuorien ongelmana on, että ne eivät yleensä korreloi suoraan tien kestoiän kanssa vaan vaativat lisäksi vaikeasti määritettävät muunninkertoimet (shift factor) tuottaakseen realistisia tuloksia (vrt. Kuva 4.7). Mallit soveltuvat sekä ylläpidon ohjelmointitasolle että varauksin hankintaprosessiin. Mallit kohdentuvat kuitenkin vain rajoitettuun osaan turmeltumista. Liitteen 1 malleista on nähtävissä, että kansainvälisissä malleissa ennustetaan erittäin harvoin tien kuntotilan todellista käyttäytymistä. Mallit ovat yleisiä, laboratoriokokeilla määritettyihin kriteereihin perustuvia, jotka eivät kuvaa mitään kuntotilaa kriteerin täyttyessä. Sekä poikittaisen että pituussuuntaisen tasaisuuden mallit ovat yleensä yksinkertaisia pelkästään kohteen ikään perustuvia malleja, joihin ei sisälly rakenteellisia parametreja. Tässä tekee poikkeuksen huomattavan kompleksit ruotsalaiset mallit. Nastarengaskulumista ennustavat mallit ovat varsin luotettavia, mutta vanhentuneita ja niitä tulisi päivittää mm. nastamääräysten muuttumisen takia. 3 Eurooppalaisten harmonisoitujen tuotestandardien vaikutukset kelpoisuuden osoittamiseen käyttöiän kannalta 3.1 Aineisto Tutkimuksessa koottiin kotimaiset ja ulkomaiset tierakenteiden käyttöiän (kestoiän) arviointimenetelmät ja tekniikat. Mallien käyttökelpoisuutta Suomen olosuhteisiin arvioitiin sekä selvitettiin nykyisten ja tiedossa olevien tulevien eurooppalaisten harmonisoitujen tuotestandardien vaikutukset kelpoisuuden osoittamiseen käyttöiän osalta. Tätä selvitystä varten käytiin läpi kahdessa internetissä esitetyssä lähteessä esitetyt listat EU:n rakennustuotedirektiiviin 89/106/ETY liittyvistä harmonisoiduista (yhdenmukaistetuista) EN standardeista. Listat sisälsivät myös muita standardit, jotka liittyvät direktiiviin, mutta joilla ei vielä ole yhdenmukaistetun standardin asemaa. Listoilta valittiin tarkemmin käsiteltäviksi sellaiset standardit, joiden kuviteltiin koskevan erityisesti tierakenteita. Teknologiateollisuus ry., Standardointi aineistoluettelossa (Teknologiateollisuus 2004) oli lueteltu 41 standardia, joista 14 käytiin läpi. CPD:n aineistoluettelossa (CEN CDP 2005) oli 36 standardia, joista 15 käytiin läpi. Osa standardeista oli jo harmonisoituja, osa ehdotettuja ja eri valmisteluvaiheessa olevia. Esimerkkejä standardeista, joita käsiteltiin, ovat

15 (57) EN 13043:2002 Aggregates for bituminous mixtures and surface treatments for roads, airfields and other trafficked areas» Harmonisoitu (Harmonized) OJ N:o C 47 (2003 02 27) EN 13249:2000 Geotextiles and geotextile related products Characteristics required for use in the construction of roads and other trafficked areas (excluding railways and asphalt inclusion)» Harmonisoitu (Harmonized) OJ N:o C 180 (2001 06 26). Esimerkkejä standardeista, joita ei käsitelty, ovat EN 40 6:2002 Lighting columns Part 6: Requirements for aluminium lighting columns» Harmonisoitu (Harmonized) OJ N:o C 212 (2002 09 06), C 97 (2004 04 22) EN 459 1:2001 Building lime Part 1: Definitions, specifications and conformity criteria» Harmonisoitu (Harmonized) OJ N:o C 40 (2002 02 14). 3.2 Aineiston käsittely Valitut standardit käytiin läpi erityisesti käyttöikään, pitkäaikaiskestävyyteen ja säilyvyyteen (durability) liittyvien tekijöiden osalta. Kaikista tässä yhteydessä läpikäydyistä standardeista tehdyt lyhyet luonnehdinnat käyttöikään liittyvien tekijöiden osalta on esitetty erillisessä liitteessä 2. Seuraavassa on esitetty muutamia tärkeimpiä esimerkkejä standardien lähestymistavoista. EN 13043 Aggregates for bituminous mixtures and surface treatments for roads, airfields and other trafficked areas» Harmonisoitu (Harmonized) OJ N:o C 47 (2003 02 27) on luonteeltaan määrittelevä ja luokitteleva standardi. Se määrittelee ominaisuudet kiviainekselle ja fillerikiviainekselle sekä käytettävät testimenetelmät. Luokitukset on esitetty seuraaville tekijöille: Geometriset vaatimukset: rakeisuus hienoainespitoisuus hienoaineksen laatu karkean kiviaineksen muoto murtopintaisten ja kokonaan pyöristyneiden rakeiden osuus karkeassa kiviaineksessa hienon kiviaineksen kulmikkuus. Fysikaaliset vaatimukset: karkean kiviaineksen iskunkestävyys kiillotuskestävyys pintakerroksessa käytettävälle karkealle kiviainekselle pinnan kulumiskestävyys karkean kiviaineksen kulutuskestävyys pintakerroksessa käytettävän karkean kiviaineksen nastarengaskulutuskestävyys kiintotiheys ja vedenimeytyminen

16 (57) säilyvyys (vedenimeytyminen, esivalintatesti jäädytys sulatuskestävyydelle) jäädytys sulatuskestävyys kuumuudenkestävyys karkean kiviaineksen tartunta bitumisiin sideaineisiin. Kemialliset vaatimukset: kemiallinen koostumus karkearakeiset kevyet epäpuhtaudet yhdisteet, jotka vaikuttavat masuunikuonan ja teräskuonan tilavuuden pysyvyyteen. Filleriainekselle on omat geometriset, fysikaaliset ja kemialliset vaatimukset: rakeisuus haitallinen hienoaines vesipitoisuus kiintotiheys jäykistävät ominaisuudet vesiliukoisuus vesiherkkyys kalkkikivifilleriaineksen kalsiumkarbonaattipitoisuus sekoitetun fillerin kalsiumhydroksidipitoisuus. Käyttöikään voidaan vaikuttaa ottamalla tuotteen suunnittelussa huomioon luokituksissa esitettyjä tekijöitä. Standardissa on maininta: Ohjeita sopivien luokkien valintaan tiettyyn sovellukseen voi löytyä kansallisista säädöksistä kiviaineksen käyttökohteessa. EN 13249 Geotextiles and geotextile related products Characteristics required for use in the construction of roads and other trafficked areas (excluding railways and asphalt inclusion)» Harmonisoitu (Harmonized) OJ N:o C 180 (2001 06 26). Standardi EN 13249 määrittelee toiminnalliset tuotevaatimukset teiden ja muiden liikennöityjen alueiden rakentamisessa (lukuun ottamatta rautateitä ja asfaltilla sidottuja kerroksia), niiden riippuvuuden käyttötarkoituksesta (suodattaminen, erottaminen, lujittaminen) sekä käytettävät testimenetelmät. Harmonisoituja (kaikissa tapauksissa vaadittavia) ominaisuuksia ovat vetolujuus ja pitkäaikaiskestävyys, suodattamisessa myös dynaaminen tunkeutumisvastus, merkitsevä aukkokoko ja vedenläpäisevyys kohtisuorassa tasoa vastaan, erottamisessa myös staattinen puhkaisulujuus ja lujittamisessa myös murtovenymä, staattinen puhkaisulujuus ja dynaaminen tunkeutumisvastus. Pitkäaikaiskestävyys arvioidaan sääaltistuksen vaikutuksen ja tuotteen materiaalin sekä ympäristöolosuhteiden pohjalta standardin liitteen B mukaisesti. Sääaltistus Kaikkien geotekstiilien ja vastaavien tuotteiden tulee läpäistä standardin EN 12224 mukainen nopeutettu säänkestotesti, ellei niitä ole tarkoitus peittää asennuspäivänä. Tuotteilla testin jälkeen oleva jäännöslujuus ja tuotteen käyttökohde määräävät, kuinka pitkään tuote voi olla asennuspaikalla säälle alttiina. Pisimpään altistusaikaan, 1 kuukausi (1 4 kuukautta, riippuu vuodenajasta ja sijainnista

17 (57) Euroopassa), edellytetään, että jäännöslujuus on yli 80 % lujittamisessa ja muissa käyttökohteissa, joissa pitkäaikaislujuus on merkittävä, ja muissa käyttökohteissa yli 60 % jäännöslujuutta. Vastaavissa käyttökohteissa jäännöslujuudet 60 % 80 % ja 20 60 % johtavat enintään kahden viikon altistusaikaan ja vastaavasti jäännöslujuudet < 60 % ja < 20 % yhden vuorokauden altistusaikaan. Näitä pidempään altistettaville materiaaleille vaaditaan lisätestaus. Geotekstiili tai vastaava tuote, jonka säänkestoa ei ole testattu, tulee peittää yhden vuorokauden kuluessa. Maarakennustuotteiden vaadittu käyttöikä Geotekstiilillä tai vastaavalla tuotteella, joka on polyesteriä (polyeteenitereftalaattia), polyeteeniä, polypropeenia, polyamidia 6 tai polyamidia 6.6 tai niiden yhdistelmää ja joka ei sisällä yhdyskuntajätteestä peräisin olevaa kierrätysmateriaalia, voidaan katsoa olevan riittävä pitkäaikaiskestävyys vähintään viiden vuoden ajan, jos sitä käytetään seuraavasti: sovelluksessa, jossa sen tehtävä ei ole lujittaminen ja jossa pitkäaikaislujuus ei ole merkittävä tekijä ja luonnon maa aineksissa, joiden ph on 4 9 ja maa aineksen lämpötila on < 25. Geotekstiilillä tai vastaavalla tuotteella, joka on polyesteriä (polyeteenitereftalaattia), polyeteeniä, polypropeenia, polyamidia 6 tai polyamidia 6.6 tai niiden yhdistelmää ja ei sisällä yhdyskuntajätteestä peräisin olevaa kierrätysmateriaalia, voidaan katsoa olevan riittävä pitkäaikaiskestävyys vähintään 25 vuoden ajan, jos sitä käytetään seuraavasti: luonnon maa aineksissa, joiden ph on 4 9 ja maa aineksen lämpötila on < 25 ja jos se läpäisee eri materiaaleille asetetut lisätestit. Lisätesteissä polyesteri testataan sisäisen hydrolyysin osalta (ENV 12447), polypropeeni ja polyeteeni hapetuksenkestävyyden osalta (ENV ISO 13438) ja polyamidi 6 ja polyamidi 6.6 sekä hydrolyysin että hapetuksen kestävyyden osalta. Testien jälkeen jäännöslujuuden tulee olla vähintään 50 %. Testejä käytetään vain ko. peruspolymeereille jotka eivät sisällä yhdyskuntajätteestä peräisin olevaa polymeeriä. Useammasta polymeeristä valmistettu tuote hajotetaan testejä varten eri polymeereistä koostuviksi osiksi tai jos se ei ole mahdollista, vastaavan tuotteen tulee läpäistä kaikki asiaan kuuluvat kohdat. Lisätestinä on mahdollista myös tiettyjen edellytysten mukainen käyttökokemuksiin perustuva menettely. Lisäksi standardissa on esitetty muista materiaaleista valmistettujen ja muissa kuin em. kohdissa esitetyissä käyttöolosuhteissa käytettävien geotekstiilien tai vastaavien tuotteiden pitkäaikaiskestävyyden arviointi ehdotetuissa käyttöolosuhteissa. Arviointiin kuuluu standardin EN 12225 mukainen mikrobien kestävyyden testaus ja se koskee erityisesti jotakin seuraavista: yli 25 vuoden käyttöikä maa aineksen lämpötila > 25 käyttö saastuneissa maa aineksissa, erityisesti ammoniumsuolojen esiintyminen eri polymeerien yhdistelmät ja komposiittirakenteet, joita ei voida testata em. lisätesteillä

18 (57) materiaali on yhdyskuntajätteestä peräisin olevaa kierrätysmateriaalia tai regeneroitua materiaalia geotekstiili tai vastaava tuote altistuu hyvin happamalle tai emäksiselle ympäristölle. Jos ympäristöolosuhteet ovat hyvin vaativat tai jos käyttöikä on yli viisi vuotta, on suositeltavaa olla käyttämättä yhdyskuntajätteestä peräisin olevaa kierrätysmateriaalia ilman erityistä näyttöä sen pitkäaikaiskestävyydestä. Geotekstiili tai vastaava tuote, joka on tarkoitettu altistettavaksi maa ainekselle, jonka ph on pienempi kuin 4 tai suurempi kuin 9, tulee arvioida testaamalla se esistandardin ENV ISO 12960 mukaisesti. Molemmissa tapauksissa jäännöslujuuden tulee olla suurempi kuin 50 %. 0123 CPD 0001, Geo A, GeoCo Ltd, PO Box 21, B 1050, 00, 0123 CPD 0456, EN 13249:2000 Tienrakennuksessa käytettävä geotekstiili Suunnitellut käyttötarkoitukset: F, S+F Vetolujuus (EN 10319): MD 12 kn/m ( 1 kn/m) / CMD 10 kn/m ( 0,8 kn/m) Venymä (EN 10319): MD 70 % (+/ 10 %) / CMD 80 % (+/ 5 %) Dynaaminen tunkeutumisvastus (EN 918): 8 mm (+1 mm) Staattinen puhkaisulujuus (EN ISO 12236): 1,2 kn ( 0,1 kn) Aukkokoko (EN ISO 12956): 90 mm (+/ 20 mm) Veden läpäisevyys (EN ISO 11058): 100.10 3 m/s ( 15.10 3 m/s) Pitkäaikaiskestävyys Peitettävä asennuspäivänä Ennustettu kestoikä vähintään 25 vuotta luonnonmaa aineksissa, joiden 4 < ph < 9 ja lämpötila < 25 C Kuva 3.1. Esimerkki geotekstiilissä olevan CE merkin sisältämistä tiedoista (SFS EN 13249). Geosynteettisillä eristemateriaaleilla (tiivistemateriaaleilla) pitkäaikaiskestävyys arvioidaan tuotteen kykynä kestää erilaisia heikentymistä aiheuttavia mekanismeja kuten oksidaatiota (korotettu lämpötila, UV valo, toistuva mekaaninen jännitys), kemikaalien absorboitumisesta aiheutuvaa fysikaalisten ominaisuuksien muutosta, jännityssäröilyä (mekaaninen murtuminen alla muotorajan olevissa jännityksissä kemikaalien vaikutuksesta), biologista rasitusta (bakteerit, sienet, juuret), liukenemista tai ioninvaihtoa tai lisäaineiden hajoamista. Arviointi tehdään pääsääntöisesti veto ominaisuuksien pohjalta, ei vedenläpäisevyyden muuttumisen pohjalta. Veto ominaisuudet eivät yleensä saa heiketä yli 25 %:ia. Geosynteettisillä eristemateriaaleilla (tiivistemateriaaleilla) UV säteilyn kestävyyden suhteen tuotteet testaan käyttöolosuhteista riippuen, yhden päivän, yhden vuoden tai 25 vuoden altistusaikoja silmälläpitäen. Jännityssäröilyn ja oksidaation osalta kokeet ovat screening tyyppisiä 25 vuoden käyttöikään tähtääviä. pren 14934 Thermal insulation of road and railways and embankment filling Factory made products of extruded polystyrene foam (XPS) Specification on luonteeltaan luokitteleva standardi. Luokiteltavat asiat on esitetty alla olevassa listauksessa.

19 (57) Antaa lämmönjohtavuuden/lämmönvastuksen ilmoitetun arvon ei suunnitteluarvoja. Käyttöikään voidaan vaikuttaa (valitsemalla tuote suunnittelussa) huomioimalla seuraavat tekijät: puristusjännitys 10 % muodonmuutoksella tai puristuslujuus ja erityistapauksissa puristusjännitys 2 % ja 5 % muodonmuutoksella tai puristuslujuus syklinen puristusvastus (rautatiesovelluksissa suhteellinen kokoonpuristuma ei saa ylittää 5 % käytetyllä jännityksellä 2x106 syklin jälkeen) puristus creep (hiipuma % ja kokonaiskokoonpuristuma % ekstrapoloituna 10, 25, 50 vuoden ajankohtaan tietyllä kuormalla) taivutuslujuus vedenimeytyminen jäätymis sulamisvastus (puristusjännitys ei saa alentua yli 10 %:lla) vesihöyryn siirto. Rakenteiden käyttöikää arvioitaessa ovat hyödynnettävissä erityisesti syklinen puristusvastus ja puristus creep:in luokittelu. Lämmönjohtavuudessa otetaan huomioon ilmaa heikommin lämpöä johtavien paisutusaineiden häviäminen 25 vuoden aikana. EN 12794 Precast concrete products Foundation piles. Standardi on luonteeltaan määrittelevä (terminologia, vaatimukset, perustoimivuuskriteerit, testimenetelmät ja yhdenmukaisuuden osoittaminen). Kestävyyden suhteen sovelletaan standardin 13369:2004 Common rules for precast products kohtaa 4.3.7. Betoniteräksen suojapaksuuden tulee olla vähintään nimellispaksuus 10 mm:n poikkeama. Betonin kestävyydessä on huomioitava ympäristöolosuhteet. 13369:2004 Common rules for precast products kohta 4.3.7 Säilyvyys sisältää kohdat: säilyvyysvaatimukset, sisäinen vaurioitumattomuus, pinnan vaurioitumattomuus, terästen korroosionkestävyys ja vedenimeytyminen. Betonielementtien säilyvyys varmistetaan tapauskohtaisesti kysymykseen tulevilla vaatimuksilla (sementtimäärän vähimmäisarvo, vesisementtisuhteen enimmäisarvo, kloridin enimmäispitoisuus betonissa, alkalipitoisuuden enimmäisarvo, äskettäin valetun betonin suojaaminen kuivumiselta, riittävä hydrataatio lämpökäsittelyllä, betonin vähimmäislujuus, vähimmäisbetonipeite ja peitteen laatu, tarvittaessa pinnan vaurioitumattomuutta ja sisäistä vaurioitumattomuutta koskevat erityisvaatimukset ja standardin EN 206 1 mukaisen toiminnallisiin ominaisuuksiin perustuvan suunnittelumenetelmän käyttäminen).

20 (57) Jos betonituotteet eivät ole kantavia tai jos niiden suunniteltu käyttöikä on lyhempi tai pidempi kuin standardin EN 1992 1 1 mukainen vastaava ikä (50 vuotta), valmistaja voi sopeuttaa säilyvyysvaatimuksia tuotteen erityisen käyttökohteen mukaisesti. Tämä voi tulla kysymykseen tilapäisissä rakenteissa, betonituotteissa, joiden suunniteltu käyttöikä on rajoitettu, sekä betonituotteissa, joiden säilyvyyden ylläpitämiseksi on suoritettu erikoistoimenpiteitä. Teräksen suojabetonin vähimmäispaksuus riippuu (EN 13369:2004 liite A) ympäristöolosuhteista ja betonin lujuusluokasta. 3.3 Arvio valmistelussa olevien standardien vaikutuksista Läpikäytyjen standardien pohjalta voidaan todeta, että itse tuotteen käyttöikään on otettu suoranaisesti kantaa vain harvoissa tapauksissa. Näissä tuotteen käyttöikä on esitetty olosuhteista riippuvana. Esitetyistä olosuhteista poikkeavissa tapauksissa tai haluttaessa tuotteelta pidempää käyttöikää eli käytettäessä tuotetta kohteissa, joissa tarvittava käyttöikä on pidempi, tulee suorittaa lisätestejä (esim. geosynteettiset tuotteet) tai vaikuttaa tuotteeseen kestoikää vaikuttavia tekijöitä säätelemällä (esim. paalut suojabetonikerrosta paksuntamalla). Etupäässä standardit ovat luonteeltaan määritteleviä ja luokittelevia. Suunnittelija voi vaikuttaa rakenteen käyttöikään valitsemalla käyttökohteessa käytettävän tuotteen luokan mahdollisten kansallisten ohjeiden perusteella tai kohteen rasituksiin, olosuhteisiin ja toimivuusvaatimuksiin perustuen. Käytännössä vaatimuksia on annettu vain tuotteille, eikä varsinaisia parametrisoituvia käyttöikä turmeltumismalleja ei siten ole standardeista poimittavista. 4 Käyttöiän arviointimenetelmien käyttökelpoisuus, vertailtavuus ja käytön riskit 4.1 Yleistä Tutkimuksessa koottiin kotimaisia ja ulkomaisia tierakenteiden käyttöiän (kestoiän) arviointimenetelmiä. Tämän jälkeen arvioitiin menetelmien käyttökelpoisuutta Suomen olosuhteisiin. Lisäksi arvioitiin menetelmien keskinäistä vertailtavuutta ja menetelmien käyttöön liittyviä riskejä. Käsiteltävät arviointimenetelmät olivat: kokemusperäinen kenttäaineisto laboratoriomittakaavan testaukset pienimittakaavainen mallikoe täysmittakaavainen mallikoe koerakentaminen laskennalliset menetelmät oleellisten materiaaliparametrien käyttö käyttöiän arvioinnissa (mitoitus).

21 (57) Pitkään käytössä olleiden tuotteiden ikäkäyttäytymisestä kertyy ajan mittaan kokemusperäistä tietoa ja niiden turmeltumismekanismit ja vaurioitumisnopeus tunnetaan usein verrattain hyvin aiempien käyttökokemusten perusteella. Näin ainakin oletetaan, vaikka se ei aina pidä kovin hyvin paikkaansa. Vaikka tuotteita käytetään monien vuosien ajan, niiden toimivuuden seuranta on usein puutteellista ja kokemusperäistä tietoa ei dokumentoida kunnolla. Joka tapauksessa pitkään käytössä olleiden tuotteiden käyttöiästä on parempi tieto kuin uusien tuotteiden osalta. Suunnittelijalla, tilaajalla tai urakoitsijalla on siten käsitys näiden tuotteiden käyttöiästä ja niiden käyttö sisältää vähän tuntemattomia säilyvyyden riskitekijöitä. Tästä huolimatta kokemusperäinen käyttöikätieto on usein varsin karkeaa: tiedetään yleisellä tasolla, millainen tuote sopii mihinkin käyttökohteeseen tai kumpi kahdesta tuotteesta on kestävämpi (Infra teknologiaohjelma, 2006). Käyttöiän kokeellinen määrittäminen edellyttää, että tuotteen vaurioitumismekanismi tunnetaan riittävän hyvin ja että sitä pystytään jäljittelemään käytettävillä koejärjestelyillä. Kokeellinen määritys vaikeutuu, jos vauriot syntyvät hyvin pitkän ajan kuluessa. Kokeelliset menetelmät sisältävät laboratoriossa, pienmittakaavassa tai täysmittakaavassa tehtäviä kokeita. Täysmittakaavan kokeisiin voidaan laskea koetiekohteiden lisäksi nopeutetut koekuormituskokeet (esim. HVSkokeet). 4.2 Kokemusperäinen kenttäaineisto 4.2.1 Rekisteritietoon perustuvat arviointimenetelmät Päällystettyjen teiden kuntorekisteriin on koottu tietoa päällysteen tasaisuudesta, urautumisesta, vaurioista, halkeamista, tierakenteen kantavuudesta ja maatutkamittauksista. Tietoja kerätään vuosittaisilla mittauksilla, jolloin kertyy myös analysoinnille hyödyllisiä aikasarjoja. Nämä tiedot on yhdistetty kunkin osuuden tierekisteritiedoista poimittuihin taustatietoihin. Kuntorekisteri on suunniteltu erityisesti verkkotasoisia tarkasteluja varten mm. HIPS ja PMS järjestelmien pohjaksi. HIPS on strategisen tason tienpidon suunnittelu ja ohjausjärjestelmä. HIPS käsittelee tiestöä jaettuna liikennemääräluokkien ja päällystetyyppien mukaan homogeenisiin ositteisiin. Kunkin ositteen päällysterakenteen kehitystä (kuntoa) seurataan ositteelle ominaisen kulumisen ja luokan tiestölle kohdistettavien toimenpiteiden (rahoitus) funktiona. Toimenpiteitä ei yksilöidä kohteisiin eikä tiestön kuvaus liity suoraan yksittäisiin tieosuuksiin. Pitkän tähtäimen optimoinnissa lasketaan kullekin tiestön ositteelle tavoitteellinen (optimaalinen) kuntotaso (väylänpitäjän ja käyttäjien kustannukset huomioon ottaen, tunnuslukuina hyöty kustannussuhde ja nettonykyarvo). Lyhyen tähtäimen optimoinnissa verrataan tiestön nykyistä kuntotilaa em. tavoitteelliseen jakaumaan ja maksimoidaan siirtyminen kohti tavoitetta budjettirajoituksen puitteissa. Eri toimenpiteille on määritetty niiden tiestön kuntoa parantava vaikutus. HIPS tullaan korvaamaan HIBRIS järjestelmällä, joka sisältää myös siltojen tarkastelun (Väyläomaisuuden käsitteistö). Kuvassa 4.1 on esitetty kuntorekisterin toimintaympäristö. Kuntorekisteriin on tiestön kuntotietoja tallennettu (100 m jaksoissa) seuraavasti: vauriotietoja vuodesta 1986

22 (57) palvelutasomittaustuloksia vuodesta 1989 kantavuusmittaustuloksia vuodesta 1988 maatutkamittaustuloksia vuodesta 1998. Kuva 4.1. Kuntorekisterin toimintaympäristö (KURRE järjestelmä). Ura ja tasaisuusmittauksia tehdään vuosittain n. 30 000 km (300 000 tietuetta), vauriomittauksia n. 10 000 km (100 000 tietuetta) ja kantavuusmittauksia n. 40 000 kpl. Lisäksi KURREn maatutkataulussa on maatutkamittauksesta analysoituja tietoja. Kuntorekisterissä on päällystettyjen teiden kuntomittauksista seuraavia tietoja: satametrisen yleistiedot (58 muuttujaa) PTM mittauksen tiedot (urat 23 ja tasaisuus 30 muuttujaa) vauriomittauksen tiedot (27 muuttujaa) kantavuusmittauksen tiedot (48 muuttujaa) maatutkamittauksen tiedot (37 muuttujaa) uusimpien mittausten tiedot (45 muuttujaa). Sekä ura että tasaisuustaulussa on tällä hetkellä (2005) yhteensä n. 4,0 miljoonaa, vauriotaulussa n. 1,4 miljoona ja kantavuustaulussa n. 0,4 miljoonaa sekä yleistietotaulussa n. 0,6 miljoonaa tietuetta. Kuntotietorekisterin tietokannan koko on noin 6 Gt. Ura ja tasaisuusmittaukset on tehnyt vuodesta 2003 alkaen SCCViatek (Rambøll). Vauriomittaukset ja taipumamittaukset tekee tieliikelaitoksen konsultointi. Tietojen tallennuksen on hoitanut kyseiset. mittausorganisaatiot.

23 (57) Kuntorekisteri on täysin keskitetty tietokanta, jota kaikki käyttöoikeuden saaneet voivat käyttää kaikista vakioiduista työasemista. Tietoja voidaan selata erilaisin hakuehdoin ja näytöllä olevat tiedot voidaan tulostaa suoraan Excel tauluihin. KURREsta voi tulostaa myös kuntojakaumia erilaisilla rajausehdoilla ja tulokset voi tallettaa Excel tauluihin jatkokäsittelyä varten. Tieverkon (joko koko tieverkon tai sen osan) kuntotilaa voidaan myös tarkastella tiettynä poikkileikkausajankohtana (KURRE järjestelmä 2004). Tiehallinnossa on laadittu säännöllisiin kuntomittauksiin (KURRE aineistoon) pohjautuvia aikafunktiomalleja, joiden avulla voidaan arvioida tien urautumisen, epätasaisuuden ja muun vaurioitumisen todennäköistä etenemistä. Parametreinä Tiehallinnon kehittämissä malleissa ovat olleet mm. kantavuus, päällysteen laatu, kantavan kerroksen laatu, pohjamaan laatu, tien leveys, raskaan liikenteen määrä, maantieteellinen sijainti, routanousu jne. (Lehtonen 2001). Mallit ovat puhtaasti tilastollisia, ts. ne eivät sisällä mitään selittävää teoriaa turmeltumisilmiöille. Esimerkkinä tällaisesta puhtaasti seuranta aineistoon perustuvasta arviointimallista on Tiehallinnon vuonna 2001 teettämä selvitys Vaurioitumismallit kuntorekisteriaineistossa rakenteen suunnitteluohjeita varten (1999 2001) (Järvinen 2001). Tutkimuksessa on pyritty ennustamaan vauriosumman, IRI:n ja uran kehittymistä erikseen valittujen selittäjien avulla. Tarkastelussa tuotettuja vaurioitumismalleja oli tarkoitus käyttää Tiehallinnossa tierakenteiden suunnitteluohjeen, laatuvaatimusten ja arvonmuutosperusteiden kehittämiseen. Tutkimuksen aineistona oli Tiehallinnon kuntorekisteri, joka kattaa kaikki päällystetyt yleiset tiet. Tutkimuksessa voitiin käyttää TP1 mallien tekoon 14700 kpl KURREn 100 metrin havaintoja. TP2 mallien tekemisessä pystyttiin hyödyntämään 36000 kpl KURREn 100 metrin havaintoja. Esimerkki tutkimuksen malleista on kuvassa 4.2 esitetty vauriosummamalli. Siinä ikäeksponenttina on 1.4 ja pääselittäjänä on rakentamisen jälkeen mitattu PPL:n maksimitaipuma (D0). Mallilla ennustetaan tuleva vaurioitumiskehitys yhden toimenpiteen jälkeen (uuden rakentaminen tai raskas parantaminen). Kuva 4.2. Esimerkki vauriosummamallista (Järvinen 2001). Esimerkkimallia IRI:n kasvusta (kuva 4.3) käytetään siten, että tien pinnan IRI kolme vuotta vanhalle päällysteelle mitataan tai arvioidaan tietyypin perusteella. IRI:n kasvu tästä eteenpäin voidaan ennustaa mallilla. Kuva 4.3. Esimerkki IRI mallista (Järvinen 2001).