AASHTO-method

AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) on laa-jalti Pohjois-Amerikassa käytössä oleva kokemusperäinen tierakenteiden kuormituskes-tävyyttä kuvaava laskentamalli. Koko laskentametodi perustuu pääosin 60-luvulla tehtyi-hin tiekokeisiin ja niistä saatuitehtyi-hin tuloksiin. Koerakennekohteiden tuloksista on kehitetty mm. jo aikaisemmin mainittu neljännen potenssin sääntö ja erilaisia suunnitteluohjeita betoniteiden (rigid pavement), asfalttipäällysteiden (flexible pavement) ja sorateiden (ag-gregate-surfaced roads) suunnittelun tueksi (Boone 2013). Suunnitteluohjeet mahdollis-tavat myös yli 50 % varmuustasojen käyttämisen, mutta vähäisten liikennemäärien ja alhaisen riskitason takia on perusteltua käyttää tämän työn yhteydessä 50 % varmuus-tasoa. Tällöin myös vertailu muihin kuormituskestävyysmitoitusmenetelmiin on mahdol-lista.

Jo yli 60 vuotta käytössä ollutta menetelmää voidaan pitää aikakautensa suurena saa-vutuksena, mutta ajoneuvojen, tiemateriaalien, kuormitusmäärien ja lukuisien muiden te-kijöiden muuttuessa kaivataan menetelmään merkittäviä päivityksiä, tai jopa kokonaan uusia tapoja mallintaa tierakenteen kuormituskestävyyttä. Tähän haasteeseen on jo kap-paleessa 4.6 esiteltävän mechanistic-empirical design approach myötä ainakin osittain vastattu myös Pohjois-Amerikassa (Boone 2013).

AASHTO menetelmän käyttö tämän työn yhteydessä edellyttää yksikkömuunnosten li-säksi harkittuja valintoja ilmastoalueiden, sääkausien pituuksien määrittämisen ja sää-kausikohtaisten materiaaliparametrien kanssa. Suomen mitoitusjärjestelmässä ei oteta huomioon sääkausikohtaisia eroja materiaaliparametrien suhteen, joten tältä osin on so-vellettava AASHTO 1993 esitettyjä Yhdysvaltojen pohjoisten osavaltioiden ilmastoalu-eita ja ruotsalaisten tierakentamisohjeessa ”Allmän teknisk beskrivning för vägkonstruk-tion, Kapitel C Dimensionering” esitettyjä sääkausien pituuksia, ilmastoalueita ja materi-aaliparametrejä. Muilta osin tässä työssä sovelletaan ”AASHTO Guide for Design of

Pavement Structures” kappaleissa 4.1.1 ”Flexible and Rigid Pavements” ja 4.1.2 ”Aggre-gate-surfaced road” esitettyjä menetelmiä heikkorakenteisten esimerkkirakenteiden mal-lintamiseksi. Menetelmänä AASHTO vaatii ainakin seuraavat lähtötiedot (AASHTO 1993):

– Liikenne-ennuste ja liikennemäärätiedot – Sääkausien pituudet

– Sääkausikohtainen arvio pohjamaan kantavuudesta – Kantavan kerroksen sääkausikohtaiset moduuliarvot – Sallittu palvelutason heikkeneminen

– Päällysteen sallittu urautuminen

– Päällystämättömille teille arvio kulutuskerroksen kulumisesta

– Materiaalikertoimen ai, joka kuvaa käytettävän kerrosmateriaalin kestävyyttä Menetelmien vaiheet päällystämättömälle tielle, kun pohjamaa on heikko ja liikennemää-rät vähintään 10 000 ESAL (equivalent single-axle load, 80 kN) vuodessa (AASHTO 1993):

1: Valitaan neljä kantavan kerroksen paksuutta, jotka kattavat todennäköisen valittavan kerrospaksuuden. Valitut paksuudet merkitään kuvan 19 mukaiselle lomakkeelle vasem-paan yläreunaan. Käytännöllistä on suorittaa kaikki laskentavaiheet jokaiselle valitulle kerrospaksuudelle erillisellä lomakkeella. Lomakkeen muut tyhjät kohdat täytetään alla olevien ohjeiden mukaisesti.

Kuva 19. AASHTO laskentapohja (muokattu, alkuperäinen AASHTO 1993) 2: Valitaan sallittavan palvelutason heikkenemisen tasot ja sallitun urautumisen arvot kaikille neljälle intuitiiviselle kantavan kerroksen paksuuden arvolle.

Sallitun palvelutason heikkenemisen arvot vaihtelevat välillä 1-5. Tyypillisesti ΔPSI = 3.

Sallitun urautumisen tasoksi on yleisesti määritetty 2 inch.

3: Arvioidaan jokaisen sääkauden aikaiset moduuliarvot pohjamaalle ja kantavalle ker-rokselle. AASHTO menetelmästä poiketen tässä työssä voitaisiin käyttää ruotsalaisen suunnitteluohjeen ”Allmän teknisk beskrivning för vägkonstruktion, Kapitel C Dimen-sionering” mukaisia sääkausien pituuksia ja sääkausikohtaisia moduuliarvoja, jotka vas-taavat paremmin suomalaisia olosuhteita. Sääkausikohtaisiin moduuliarvoihin vaikuttaa ilmaston lisäksi moni muukin tekijä kuten esimerkiksi hienoainespitoisuus ja tierakenteen tiiviystila, joten taulukon 3 arvoja tulee tulkita vain suuntaa antavina. Suomalaisissa suunnitteluohjeissa ei oteta huomioon sääkausikohtaisia eroja moduuliarvojen suhteen, joten ilmastoalue arvioitaisiin hyödyntäen ruotsalaisen suunnitteluohjeen mukaisia ilmas-toalueita eli koekohde sijoitetaan ilmasto-olosuhteiltaan vastaavalle alueeseen Ruot-sissa.

Kuva 20. Ruotsin ilmastoalueet (Vägverket 2005)

Sääkausien pituudet ilmastoalueittain vuorokausina (Vägverket 2005)

Sääkausikohtaiset moduuliarvot ruotsalaisen suunnitteluohjeen mukaan

Kesä Syksy Talvi Kelirikko

Päällyste 100 % 200 % 400 % 200 %

Sitomattomat rakenneker-rosmateriaalit

100 % 70 % 1000 % 70 %

Pohjamaa 100 % 100 % 1000 % 25–50 %

Vinter (talvi):

Moduuliarvot korkeimmillaan. Bitumilla sidotuilla materiaaleilla moduuliarvot ovat n. 4-kertaisia ja sitomattomilla materiaaleilla jopa 10-4-kertaisia kesän arvoihin verrattuna.

Tjällossning (kelirikko):

Moduuliarvot pienenimmillään sitomattomilla materiaaleilla. Rakennekerrosmateriaa-leilla moduuliarvot ovat n. 70 % ja pohjamaalla jopa vain 25 % kesän arvoista. Bitumilla sidotuilla materiaaleilla moduuliarvot ovat noin puolet talven arvoista.

Sommar (kesä):

Kesäajan moduuliarvot edustavat perusarvoja, joihin muut vuodenajat on suhtautettu.

Höst (syksy):

Bitumilla sidotuilla materiaaleilla moduuliarvot ovat 2-kertaisia kesään nähden. Sitomat-tomilla materiaaleilla moduuliarvot ovat n. 70 % kesän arvoista.

4: Määritetään sääkausikohtainen 18-kip ESAL, mikä vastaa 80 kN yksittäistä akseli-kuormitusta. Jokaisella ajoneuvoluokalla on omat vastaavuuskertoimensa, joiden avulla eri ajoneuvojen aiheuttamat rasitukset muutetaan vastaamaan tätä standardi termiä (Aalto yliopisto 2018).

𝐸𝑆𝐴𝐿 = ∑^𝑚_𝑖=1𝐹_𝑖∗ 𝑛_𝑖 (7)

m = ajoneuvoluokkien lukumäärä

Fi = ajoneuvoluokan vastaavuuskerroin (suhteessa 80 kN akselipainoon) ni = ajoneuvoluokan liikennemäärä tarkasteltavana ajanjaksona

5: Määritetään jokaiselle sääkaudelle sallittava kuormitusmäärä käyttäen kokemuspe-räistä palvelutasonomogrammia

Kuva 21. Nomogrammi sallitulle palvelutason heikkenemisen arvoille (AASHTO 1993)

6: Määritetään jokaiselle sääkaudelle sallittava kuormitusmäärä käyttäen urautumis-nomogrammia

Kuva 22. Graafinen esitys sallitulle urautumisen tasolle (AASHTO 1993)

7: Lasketaan sääkausikohtaiset vaurioarvot sekä palvelutasoon että urautumiseen pe-rustuen. Sääkausikohtaiset vaurioarvot saadaan, kun jaetaan toteutuva kuormitus salli-tulla kuormituksella.

8: Lasketaan sääkausikohtaiset vaurioarvot yhteen sekä palvelutasoon että urautumi-seen perustuen (yhteenlasketut arvot merkitään lomakkeen alariveille kohtaan ”total da-mage”)

9: Neljälle kantavan kerroksen paksuudelle ja lasketuille vaurioarvoille muodostetaan graafinen esitys, jonka perusteella määritetään kantavan kerroksen paksuus DBS(avg) niin että kokonaisvaurioarvo (total damage) saavuttaa arvon 1,0

Kuva 23. Kokonaisvaurioarvojen perusteella määritettävä kantavan kerroksen pak-suus (AASHTO 1993)

10: Lasketaan arvio mahdollisesta päällysrakenteen kulumisesta päällystämättömille teille alla olevan kaavan 8 perusteella

𝐷_𝐵𝑆= 𝐷_𝐵𝑆(𝑎𝑣𝑔) + (0,5 ∗ 𝐺𝐿), (8)

missä GL on odotettu kulumisen arvo (gravel loss, in inches) 11: Kuvan 24 perusteella määritetään suodatinkerroksen paksuus.

Kuva 24. Suodatinkerroksen paksuuden määrittäminen (AASHTO 1993) Menetelmänä AASHTO vaatii paljon yksityiskohtaisia lähtötietoja päällystämättömillä teillä. Sen tarkkuuteen voidaan periaatteessa vaikuttaa kokeiltavien kerrospaksuuksien määrällä (trial base thickness), mutta neljällä yrityksellä voidaan todeta saavutettavan riittävän tarkka lopputulos. Toisaalta vähemmilläkin yrityksillä pärjätään, jos arvaukset ovat valistuneita ja saavutettavat kokonaisvaurioarvot lähellä arvoa 1,0.

Menetelmien vaiheet päällystetyille teille (AASHTO 1993):

1: Määritetään 18-kip ESAL ja valitaan sen perusteella käytettävä liikennekuormitus-luokka

Kuormitusluokat:

Alhainen 50 000-300 000 ESAL Kohtalainen 400 000-600 000 ESAL Korkea 700 000-1 000 000 ESAL

2. Liikennekuormitusluokan, ilmastoalueen ja pohjamaan kantavuuden perusteella vali-taan SN-arvo (structural number). Taulukko on tehty Pohjois-Amerikan ilmastoalueille, joten tässä vaiheessa joudutaan sijoittamaan koekohde ilmasto-olosuhteiltaan vastaa-vanlaiselle alueelle Pohjois-Amerikassa.

Kuva 25. Suositellut SN-arvot erilaatuisille pohjamaille ja ilmastoalueille (muokattu, alkuperäinen AASHTO 1993)

3. Määritetään käytettävät kerrospaksuudet niin että saavutetaan alla olevan kaavan mu-kaisella laskutoimituksella vaadittava SN-arvo

𝑆𝑁 = 𝑎₁∗ 𝐷₁+ 𝑎₂∗ 𝐷₂+ 𝑎₃∗ 𝐷₃ (9)

, missä

a1, a2 ja a3 ovat kerrosmateriaalien materiaalikertoimia D1, D2 ja D3 ovat kerrospaksuuksia (in inches)

Asfalttibetonille kerroin a = 0.44

Pehmeälle asfalttibetonille a = 0.26 (kirjoittajan oma arvio, joka perustuu nykyisten suun-nitteluohjeiden mukaisten moduuliarvojen suhteeseen (1500/2500) MPa* 0,44 ≈ 0,26) Kantavan kerroksen materiaalille (murskattu kiviaines) = 0.14

Suodatinkerroksen materiaalille (hiekka) = 0.11

Kuivatusolosuhteiden mukaan voidaan kantavan- ja suodatinkerroksen materiaaliker-rointa muokata paremmin kosteustilaa vastaavaksi. Hyvillä kuivatusolosuhteilla käyte-tään kerrointa 1 ja luku laskee alaspäin sitä mukaa, kun kuivatusolosuhteet heikkenevät.

Kohtalaisille kuivatusolosuhteille käytetään vielä 0,9 kerrointa (Boone 2013), joten kui-vatusolosuhteiden täytyy olla todella huonot, että kertoimella olisi merkittävää vaikutusta.

Vastaavanlaista menetelmää voitaisiin käyttää myös päällystämättömillä sorateillä, mutta heikon pohjamaan tai suurten liikennemäärien tapauksessa tarvitaan ylempänä esiteltyä monivaiheisempaa laskentamallia.

Kuva 26. Suositellut kantavan kerroksen paksuudet erilaatuisille pohjamaille ja il-mastoalueille (AASHTO 1993)