Like and follow us on Facebook

2. Tierakenteen jännitykset ja muodonmuutokset

2.1. Liikkuvan ajoneuvon aiheuttamat jännitykset ja muodonmuutokset

Kappaleessa 1 käytiin läpi yksittäisen pistemäisen ja toistuvan kuorman aiheuttamia muodonmuutoksia. Kuitenkin tiellä liikkuva liikennekuormitus aiheuttaa huomattavasti monimutkaisemman dynaamisen ilmiön. Tähän ilmiöön liittyy kolme osatekijää: 1. Päällysteeseen liikkuvan rengaskuormituksen alla syntyvät jännitykset 2. Tiemateriaalien kuormituspulssien jälkeinen palautumisaika ja 3. Epätasaisella tiellä ajoneuvon jousituksen aiheuttamat sysäyskuormat.

Raskas ajoneuvo ylittämässä heikkoa tierakennetta kelirikkoaikaan, video Suomen Lapista.

Kuvassa esitetään vertikaalinen jännitys, horisontaalinen jännitys ja leikkausjännitys sidottujen kerrosten alapinnalla sekä lisäksi sitomattomien kerrosten ja pohjamaan puristus- ja vetojännitykset. Tämä osoittaa, että pääjännitysten ?1 ja ?3 suunta kiertyy ennen pyöräkuormitusta, sen aikana ja jälkeen. On tärkeää huomata, että sidotuissa kerroksissa on puristusjännityksiä pyöräkuormituksen edessä ja takana, kun taas pyöräkuormituksen aikana jännitykset ovat vahvasti vetojännityksiä.



Materiaalien ajasta riippuvainen vaste on toinen merkittävä tekijä. Tämä on erityisen tärkeä niillä materiaaleilla, jotka ovat herkkiä pysyville muodonmuutoksille ja jotka eivät ole täysin kimmoisia dynaamisen pyöräkuormituksen alla. Nämä materiaalit eivät palaudu alkuperäiseen tilaan välittömästi kuormituksen jälkeen ja moniakselinen rekka voi aiheuttaa kumuloituvia muodonmuutoksia tällaisilla materiaaleilla.





Jännitysten ja venymien suuruuteen vaikuttaa myös se miten tasainen ja sileä tien pinta on. Tämä johtuu siitä, että epätasaiset töyssyt voivat aiheuttaa sysäysmäistä lisäkuormitusta päällysteeseen rekkojen jousituksen vuoksi. Tästä syystä töyssyn jälkeiset jännitykset ja venymät voivat olla olennaisesti korkeampia kuin normaalisti tasaisella tiellä ja ne aiheuttavat päällysteen nopeampaa vaurioitumista.


Keväällä vesi pumppautuu päällysteen läpi märän kantavan kerroksen yläosasta, mikä voidaan nähdä keväällä otetuista lämpökamerakuvista.


2.2. Kimmomoduuli ja kantavuus

Kylmien alueiden tierakenteet ja materiaalit vähäliikenteisillä teillä käyttäytyvät yleensä enemmän viskoelastisesti tai viskoelastoplastisesti kuin elastisesti. On kuitenkin tärkeää ymmärtää kimmomodulin (elastisen modulin) rooli määriteltäessä tierakenteen eri osien ja pohjamaan kantavuutta sekä vastustuskykyä pysyville muodonmuutoksille. Tien rakenteellinen laatu määräytyy aina sen “heikoimman lenkin” perusteella ja tämä lenkki voi sijaita missä kohdassa tahansa tierakenteessa tai pohjamaassa.


Kimmomoduli kuvaa materiaalin jäykkyyttä eli sen kantavuutta ja kykyä jakaa kuormitusta laajemmalle alueella. Yleisesti voidaan todeta, että mitä suurempi moduuli, sitä pienempiä ovat materiaalin elastiset muodonmuutokset (venymät), jotka aiheutuvat jännityksen kasvusta. Riippuen siitä miten jännitykset, venymät ja niiden suunnat mitataan, monenlaisia parametreja on kehitetty kuvaamaan materiaalin elastista käyttäytymistä. Näitä ovat Youngin moduuli, leikkausmoduuli, tilavuuskimmomoduuli Poissonin luku ja P-aalto moduuli. Lisätietoja erityyppisistä moduuleista voi lukea englanniksi Wikipedia and other sources.


Ideaalisessa tierakenteessa päällysrakennekerrosten moduulien pitäisi pienentyä ylhäältä alaspäin mentäessä. Tämä siksi, että lähellä pintaa oleviin materiaaleihin aiheutuu pyöräkuormituksen alla suurimmat jännitykset. Jäykemmät materiaalit levittävät kuormitusta laajemmalle alapuolella oleviin kerroksiin. Tämä puolestaan pienentää alempien kerrosten jännityksiä ja venymiä ja näin mahdollistaa heikompilaatuisten materiaalien käytön. Kahden kerroksen moduuliarvojen välinen suhde ei saisi kuitenkaan olla liian suuri, koska tällöin ylemmän kerroksen alapinnalle voi muodostua suuria vaakasuuntaisia jännityksiä.


Kerroksen paksuus ja sen moduuli vaikuttaa tämän kerroksen pinnan kantavuuteen enemmän kuin tämän alla olevan kerroksen kantavuuteen. Näin ollen kantavuus rakenteen yläpinnalla tulee määräytymään pohjamaan ja jokaisen yksittäisen kerroksen ominaisuuksien perusteella. Siis aina, kun mitoitetaan uutta tierakennetta, pitää varmistua, että jokaisen rakennekerroksen ja pohjamaan jännitykset ja venymät ovat riittävästi kriittisten rajojensa alapuolella. Sama sääntö koskee myös, kun suunnitellaan vanhan tierakenteen vahvistamista.


On monia erilaisia tapoja saavuttaa tavoitekantavuus, kun suunnitellaan uutta tietä tai parennetaan olemassa olevaa. Tämän lisäksi tulee myös ottaa huomioon rakenteen kestävyys muodonmuutoksia vastaan pitkällä aikavälillä. Tämä voidaan tehdä analysoimalla ne pisteet tierakenteesta, joissa jännitykset ja venymät ovat kaikkein lähimpänä kriittistä rajaa tierakenteen kestoiän kannalta. Usein on vaikea tietää missä kohdassa tierakennetta nämä kriittiset pisteet sijaitsevat ja tästä syystä ROADEX projektissa arvioinnin apuvälineeksi on suunniteltu ROADEX ”Pavement Stress ja Strain Calculation Demo”. Tämä demo auttaa käyttäjiä ymmärtämään ja arvioimaan tierakenteen ja pohjamaan yläosan jännityksiä ja venymiä, mutta myös kantavuuden kehittymistä rakenteessa. Lisäksi tämä demo on suunniteltu tarjoamaan tietoa siitä, miten erilaiset rengastyypit ja rengaspaineet vaikuttavat tien kriittisiin jännityksiin ja venymiin.


ROADEX demoa voidaan käyttää yksinkertaisena suunnittelun aputyökaluna vähänliikenteisillä teillä. Kuitenkin on pidettävä mielessä myös se, että on olemassa muitakin tärkeitä ja huomioon otettavia seikkoja, kuten tien leveys, routa, kuivatus jne., joilla on myös vaikutusta tien kantavuuteen ja pysyviin muodonmuutoksiin. Demoa voi myös käyttää niin ikään erikoistyökaluna kun määritetään puutavaran kuljetusreittejä metsäautotieverkolla ja esimerkiksi sitä olisiko tarkoituksenmukaisempaa käyttää CTI-järjestelmää kuin vahvistaa nykyistä tietä.

HUOM! ROADEX demo on kuitenkin tehty vain opetustarkoituksiin ja ROADEX projekti ei vastaa sen käytöstä todellisissa suunnitteluprojekteissa.

2.3. ROADEX demolaskuri

ROADEX demoa varten jännitykset ja venymät on laskettu käyttäen Bisar© -ohjelmaa, joka perustuu lineaarisesti kimmoiseen teoriaan. Laskelmat tehtiin käyttäen Pohjoisessa Periferiassa käytössä olevia tyypillisiä kuormitusyhdistelmiä, kerrospaksuuksia ja materiaalien moduuliarvoja. Parametrit valittiin siten, että ne kattaisivat mahdollisimman hyvin erilaisia tierakenteita, hyvin heikkolaatuisista hyvin korkealaatuisiin.

 

Demossa käytetty pyöräkuormitus on vakio 50 kN standardikuormitus, joka vastaa 10 tonnin akselikuormaa.


Kaikkia muita parametreja voidaan demossa vaihdella. Demon tierakenne koostuu kolmesta eri kerroksesta: A. päällyste (sidotut kerrokset), B. tierakenne (sitomattomat rakennekerrokset) ja C. pohjamaa. Aluksi on valittava kuormitusvaihtoehto kahdesta rengastyypistä ja kolme rengaspainevaihtoehdosta. Tämän jälkeen valitaan sidottujen ja sitomattomien kerrosten moduulit ja paksuudet sekä pohjamaan moduuli.

ROADEX demo laskee jännitykset ja venymät, jotka muodostuvat tierakenteeseen kolmessa kriittisimmässä kohdassa, joissa pysyviä muodonmuutoksia ja rakenteen vaurioitumista kehittyy.


A. Vaakasuuntaiset venymät sidottujen kerrosten alapinnalla. Korkeat arvot tässä kohdassa kertovat päällysteen väsymisestä.

B. Pystysuuntaiset puristusjännitykset ja venymät sitomattomien kerrosten yläosassa. Jännitykset ja venymät tässä kohdassa ovat kriittisiä tyypin 1 urautumisen kannalta.

C. Pystysuuntainen puristusjännitys ja venymä pohjamaan yläosassa Jännitykset ja venymät tässä kohdassa ovat kriittisiä tyypin 2 urautumisen kannalta.

Jokaiselle venymäsuureelle on myös annettu väri, joka kertoo riskitasosta pysyvien muodonmuutosten tai rakenteen vaurioitumisen suhteen.

  • Vihreä tarkoittaa turvallista jännitys- ja venymätasoa ja hyvin pientä vaurioriskiä sekä alhaista riskiä pysyvien muodonmuutosten syntymiselle.
  • Keltainen tarkoittaa kohtalaista jännitys- ja venymätasoa sekä lievää tai kohtalaista vaurioriskiä / riskiä pysyvien muodonmuutosten syntymiselle.
  • Punainen tarkoittaa korkeaa jännitys- ja venymätasoa, korkea vaurioriskiä / korkeaa riskiä pysyvien muodonmuutosten syntymiselle
  • Mustatarkoittaa tierakenteen nopeaa vaurioitumista ja nopeasti kehittyviä pysyviä muodonmuutoksia.

Rakenteen heikoin kerros määrittää koko rakenteen laadun. Esimerkiksi, jos yksi tai useampi venymistä on luokiteltu väriltään mustaksi, silloin koko tierakennetta pidetään heikkona ja siihen tulee todennäköisesti vaurioita mitoituskuormituksella.

Myös rakenteen ja pohjamaan pystysuuntainen puristusvoimajakauma on esitetty lasketuissa pisteissä. Esitetty arvo on maksimijännitys kyseisessä pisteessä.

ROADEX demo näyttää myös kantavuuden jokaisen rakennekerroksen yläosassa. Kantavuus on laskettu Odemarkin menetelmällä.

ROADEX demon yksityiskohtaiset käyttöohjeet täällä.

Tästä pääset demoon

SHARE:

Choose another lesson Back to Roadex Network