Liikennekuormitus

Liikennekuormitus koostuu henkilöautoliikenteestä sekä raskaasta liikenteestä. Näistä raskaalla liikenteellä kuormitusvaikutus on huomattavasti suurempi kuin henkilöautolii-kenteellä, sillä henkilöautojen aiheuttamat rasitukset näkyvät teillä ainoastaan nastaren-kaiden aiheuttamana kulumisurana. (Belt et al. 2002.)

Liikennekuormitus on luonteeltaan hyvin vaihtelevaa, sillä kuormitukset toistuvat satun-naisessa järjestyksessä ja keskinäisessä suhteessa sekä satunnaisin välein. Lisäksi vaihtelevuutta esiintyy eri vuorokaudenaikoina, vuodenaikoina ja vuosina. Ajoneuvojen kuormitus välittyy tienpintaan jousituksen kautta akseleille ja siitä edelleen renkaisiin ja lopulta tienpintaan. Kuorman suuruuteen vaikuttavat ensisijaisesti ajoneuvon kokonais-massa, mutta myös akselien lukumäärällä ja rakenteella sekä rengastyypillä, -paineilla ja renkaiden määrällä on suuri vaikutus kokonaiskuormitukseen (kuva 11). (Ehrola 1996;

Belt et al. 2002.) Näistä tekijöistä ajoneuvojen kokonaismassaa sekä akselikuormia ja kokoa säädetään laissa (Virtala & Hurtig 2012). Valtioneuvoston asetuksessa 31/2019 tarkennetaan suurimpia sallittuja kokonaismassoja ja akselikuormia yksikkö- ja paripyö-rällisille akseleille sekä erityyppisille jousitusratkaisuille (VNa 31/2019).

Kuva 11. Ajoneuvon tiekuormitukseen vaikuttavat tekijät (muokattu lähteestä Ehrola 1996).

Liikenteestä aiheutuva liikennekuormitus alkaa ajoneuvon kokonaismassasta. Valtio-neuvoston asetuksen 31/2019 mukaan tämän hetken ajoneuvoyhdistelmän suurin sal-littu kokonaismassa on 76 tonnia, joka astui voimaan vuoden 2013 lopussa. Suurimmat sallitut kokonaismassat ovat nousseet historiassa tasaisesti, kuten kuvasta 12 havai-taan. (VNa 31/2019.)

Kuva 12. Ajoneuvon suurimman sallitun massan kehitys (muokattu lähteestä Toikka &

Virtala 2015).

10,5

16,5 20,1 24

30 32 35

42 48

56 60

76

0 10 20 30 40 50 60 70 80

1938 1948 1955 1957 1961 1966 1971 1975 1982 1990 1993 2013

Kokonaismassa [tn]

Vuosi

Ajoneuvon kokonaismassa jakaantuu ajoneuvon akseleille synnyttäen akselikuorman.

Akselikuorman suuruuteen vaikuttavat ensisijaisesti akselien lukumäärä, akselistora-kenne ja jousitus. Myös ajoneuvon kokonaismassan jakautuminen eri akselien välillä vaikuttaa kuormittavuuteen. Suomessa liikennöivän raskaan kaluston akselimäärät vaih-televat runsaasti riippuen vetoautosta sekä mahdollisesta perävaunusta. Akselistoraken-teena käytetään joko yksittäisakseleita tai erilaisia teliakseleita, kuten kaksi- ja kolmiak-selitelejä. Kaksi- ja kolmiakseliteleille sallitaan tyypillisesti pienemmät akselikuormat kuin yksittäisakseleille, sillä teliakseleissa kuormitukset aiheutuvat nopeammassa syklissä kuin yksikköakseleilla. Tästä syystä teliakseleita voidaan pitää enemmän tierakennetta kuormittavana kuin vastaavan painoista yksikköakselia. (Ehrola 1996; Hjort et al. 2008.) Varin & Saarenketo (2014) kumoavat yleisen käsityksen siitä, että akselimäärän kasvat-taminen samalla kokonaismassalla pienentäisi tiehen kohdistuva kuormituksia. Heidän tutkimuksensa mukaan akselimäärän kasvattaminen lisää rakennekerrosten ja/tai poh-jamaan huokosvedenpainetta, jolloin rakennekerrosten jäykkyys pienentyy. Jäykkyyden pienentyminen edesauttaa päällysteen vaurioitumista. Kuormitusten jatkuessa toistu-vasti huokosvedenpaineella ei ole aikaa tasaantua, jolloin vesi voi pumppautua jopa päällysteen läpi (kuva 13). Lisäksi he muistuttavat, että akselimäärän kasvattaminen li-sää myös kuormittavien renkaiden lukumäärää samalle ajouralle.

Kuva 13. Huokosvedenpaineen nousu ja pumppautuminen päällysteen läpi (muokattu lähteestä ROADEXa).

Vuorimiehen et al. (2018) mukaan saman massan kuormittaessa rakennetta samassa ajassa 9–14 -akseliset ajoneuvoyhdistelmät aiheuttavat enemmän urautumista kuin 7-akselit yhdistelmät, kun tierakenne on ohutpäällysteinen ja pohjamaa on heikkoa. Pak-supäällysteisillä teillä ja kantavilla pohjamailla eivät 9–14 -akseliset yhdistelmät toden-näköisesti aiheuta 7-akselisia yhdistelmiä enempää urautumista. Tutkimuksessa havait-tiin myös lievää huokosvedenpaineen kohoamista täyteen lastatun rekan vaikutuksesta.

Jousituksella vaikutetaan puolestaan tienpinnan epätasaisuuksien välittymiseen ja kuor-mien jakautumiseen akselistoihin. Jouset voidaan karkeasti jaotella teräsjousiin ja ilma-jousiin. Ilmajousien etuna verrattuna teräsjousiin on niiden parempi kyky vaimentaa tien epätasaisuuksista johtuvia dynaamisia kuormituksia, mutta hankintahinnaltaan ne ovat

teräsjousia kalliimmat. (Ehrola 1996.) Vuosien 2013–2014 akselimassatutkimuksen mu-kaan ilmajouset olivat käytetympiä kuin teräsjouset (Toikka & Virtala 2015).

Rengaskuorman suuruus on riippuvainen akselikuorman suuruudesta sekä jokaisella ak-selilla olevien renkaiden lukumäärästä. Yleensä renkaita on akselia kohden 2 kappaletta, jolloin puhutaan yksikkörenkaista tai 4 kappaletta, jolloin puhutaan paripyörärenkaista.

(Ehrola 1996.) Renkaat voidaan jaotella leveytensä mukaan seuraavasti (Belt et al. 2002;

Wang & Roque 2011):

• tavallinen yksikkörengas (leveys < 350 mm)

• leveä yksikkörengas (leveys > 350 mm)

o ”vanhan sukupolven” leveä rengas eli ”super single” -rengas

o “uuden sukupolven” leveä rengas eli NGWB-rengas (New Generation Wide Base tires)

• paripyörärengas (kuva 14).

Kuva 14. Uuden ja vanhan sukupolven leveät yksikkörenkaat sekä paripyörärenkaat (muokattu lähteestä Greene et al. 2009).

Super single -renkaat kehitettiin vuoden 1980 tienoilla ja niiden tyypillisimmät leveydet ovat 385 tai 425 mm. NGWB-renkaat puolestaan kehitettiin 2000-luvulla ja niiden tyypil-lisimmät leveydet ovat 445–495 mm:n välillä. (Wang & Roque 2011.)

Lopulliseen tienpintaan kohdistuvan kuormituksen suuruuteen vaikuttavat lisäksi merkit-tävästi renkaan ja tienpinnan väliin syntyvän kosketuspinnan pinta-ala ja muoto. Koske-tuspinta syntyy, kun kuormitettu rengas painuu tienpintaa vasten ja litistyy. Pinnan suu-ruuteen ja muotoon vaikuttavat puolestaan muun muassa rengaskoko ja renkaisiin koh-distuva kuorma sekä renkaan ilmanpaine (kuva 15). (Ehrola 1996.)

Kuva 15. Esimerkkejä erilaisista kosketuspinnoista (muokattu lähteestä COST 334).

Renkaan ja tienpinnan väliin syntyvää kosketuspainetta ja sitä kautta eri rengastyyppien, -kokojen sekä -paineiden merkitystä tien kuormituksiin on tutkittu useassa tutkimuk-sessa. Tuloksista voidaan päätellä se, että super single -renkaista tiehen aiheutuvat ra-situkset ovat moninkertaisia verrattuna paripyöriin. Tämänkaltaisia tuloksia ovat saaneet ainakin Al-Qadi et al. (2004), Dessouky et al. (2014), Greene et al. (2009), Haakana (2014), Kurki (2019), Varin & Saarenketo (2014), Wang & Roque (2011) sekä Xue &

Weaver (2014). Suurimmassa osassa edellä mainituista tutkimuksista tutkittiin myös NGWB-renkaiden aiheuttamia rasituksia ja niistä todettiin, että rasitukset ovat yhtä suu-ria tai hieman suurempia kuin paripyörillä varustetuissa ajoneuvoissa riippuen käytetystä rengasleveydestä. Lisäksi tutkimuksissa korostettiin, että eri rengastyyppien vaikutukset korostuvat mitä ohuemmista päällystekerroksista on kyse. Päällysteisiin kohdistuvista kriittisistä rasituksista kerrotaan tarkemmin luvussa 3.2, mutta alla esitellään kuitenkin muutaman edellä mainitun tutkimuksen oleellisimpia tuloksia.

Xuen & Weaverin (2014) tekemässä tutkimuksessa tutkittiin päällysteisiin kohdistuvia vetorasituksia päällysteen ylä- ja alapinnassa eri rengasleveyksillä ja päällystepaksuuk-silla. Vetorasitusta mittaavat anturit sijoitettiin päällysteen yläpinnasta 25 mm alaspäin ja alapinnasta 25 mm ylöspäin. Päällystepaksuudet olivat 100 ja 200 mm. Eri rengastyyp-pejä ja -leveyksiä olivat:

• A = super single 425 mm

• B = paripyörä 295 mm

• C = NGWBT 495 mm

• D = paripyörä 275 mm.

Kuvasta 16 havaitaan, että päällysteen alapintaan kohdistuvat vetorasitukset ovat 100 mm:n päällystepaksuudella rengastyypillä A eli super single -renkaalla selkeästi muita rengastyyppejä suuremmat. Tarkasteltaessa paripyöriä eli tyyppejä B ja D sekä C eli

NGWBT-renkaita keskenään ohuemmalla päällysteellä havaitaan, että tyypeissä C ja D ei ole suurta eroa alapinnan vetorasituksessa. Tyypissä B alapintaan kohdistuva vetora-situs on hieman suurempi kuin tyypeillä C ja D. Paksummalla päällysteellä NGWBT-ren-kaat aiheuttavat jopa vähemmän vetorasitusta kuin tyypin D paripyörät. Kuvasta on myös nähtävissä päällystepaksuuden merkitys alapintaan kohdistuviin vetorasituksiin, sillä ohuemmalla päällysteellä vetorasitukset ovat selkeästi suurempia kuin paksummalla päällysteellä.

Kuva 16. Päällysteeseen kohdistuvat vetorasitukset päällysteen ylä- ja alapinnassa eri rengasleveyksillä ja päällystepaksuuksilla (muokattu lähteestä Xue & Weaver 2014).

Haakanan (2014) diplomityössä tutkittiin rengastyyppien vaikutuksia sitomattomiin ra-kennekerroksiin kohdistuviin pystyrasituksiin ja tien pinnan siirtymiin eri syvyyksillä z.

Taulukosta 1 havaitaan, että 495 mm leveät NGWB-renkaat ovat rasitusvaikutukseltaan lähes yhdenvertaiset paripyörien kanssa. Tuloksista havaitaan myös super single -ren-kaiden selkeästi korkeammat rasitusvaikutukset verrattuna muihin tyyppeihin.

Taulukko 1. Rengastyyppien vaikutukset pystyrasitukseen ja tien pinnan siirtymään (muokattu lähteestä Haakana 2014).

Rengastyyppi Pystyrasitus [kPa] Tien pinnan

siirtymä [mm]

z = 120 mm z = 230 mm z = 390 mm

Paripyörä 275 mm 342 218 90 2,3

Super single

385 mm 410 262 106 2,6

425 mm 428 290 115 2,9

NGWB 455 mm 378 250 104 2,6

495 mm 350 223 92 2,4

Kurjen (2019) diplomityössä tutkittiin yksikköpyörän (385 mm) ja paripyörän (315 mm) aiheuttamia kantavan kerroksen kokoonpuristumia ja pystyrasituksia sekä asfaltin ala-pinnan venymiä. Saatujen tulosten perusteella todettiin, että yksikköpyörä aiheuttaa pa-ripyöriä suurempia kantavan kerroksen kokoonpuristumia ja pystyrasituksia sekä asfaltin alapinnan venymiä. Näin ollen tuloksissa todettiin yksikköpyörän vaurioittavan kantavaa kerrosta ja päällystettä paripyörää enemmän.

Liikennekuormitus jakaantuu tien poikkileikkauksessa hyvin epätasaisesti, sillä kuormi-tus keskittyy voimakkaasti ajolinjojen kautta muodostuviin ajouriin. Kapeammalla tiellä ajolinjat ja kuormitukset ovat leveämpää tietä keskittyneemmät. (Ehrola 1996.) Ilmiötä kutsutaan ”lateral wandering” -ilmiöksi (suomennettuna ajolinjojen vaihtelu tien poikki-suunnassa), jonka suuruus moottoriteillä on keskihajonnaltaan Thomin (2014) mukaan noin 150 mm. Lisäksi Ahmed et al. (2019) havaitsivat omissa mittauksissaan moottori-tieolosuhteissa, että ajoneuvojen vasemmanpuoleiset renkaat kulkevat ajolinjaltaan melko lähellä toisiaan, mutta oikeanpuolimmaisissa renkaissa on enemmän hajontaa riippuen ajoneuvon akselileveydestä (kuva 17). Mittauksessa käytetyt akselileveydet oli-vat 1,5, 1,8 tai 2,1 m.

Kuva 17. Ajoneuvojen ajolinjojen vaihtelu tien poikkisuunnassa (muokattu lähteestä Ahmed et al. 2019).

Myös McGarvey (2016) on tutkinut ajolinjojen vaihtelua tien poikkisuunnassa. Hänen tut-kimukseensa sisältyi 271 000 ajoneuvon renkaiden poikkisuunnan sijaintitiedot erityyp-pisillä teillä. Tutkittavat tiet olivat moottoritie, keskikaiteellinen 1+1 ja 2+1, nelikaistatie sekä erilevyisiä tavanomaisia teitä. Tutkimuksessa havaittiin, että ajolinjojen vaihteluun vaikuttavat kaistan ja pientareen leveys sekä keskikaiteen läheisyys. Ajolinjat vaihtelivat

keskihajonnaltaan henkilöautoilla 190–455 mm:n ja raskaalla liikenteellä 140–430 mm:n välillä. Ajolinjojen vaihtelua voidaan pitää hyvänä asiana, sillä Vuorimies et al. (2018) havaitsivat raskaiden ajoneuvojen pienentävän jo syntyneitä ajouria, mikäli ne kulkivat vanhojen ajourien vieressä.