- Tavaravaunun telityypin vaikutus radan kuormituksiin
- Suurnopeusvaihteiden toiminnalliset vaatimukset
- Komposiittiratapölkkyjen vaikutus liikennetärinään
- Kuivatusratkaisujen toimivuuden ja vaikutusten arviointi
- Radan kuormituskestävyyden arviointi tiedonlouhintamenetelmillä
- EPSILON – Eurokoodiin pohjautuva suunnittelujärjestelmä infrahankkeiden laadunohjaukseen
- Jännepunosvaurion vaikutus betonisen sillan rakenteelliseen turvallisuuteen
Tavaravaunun telityypin vaikutus radan kuormituksiin
Rataan kohdistuva kuormitus vaihtelee radalla kulkevan kaluston mukaan. Kuormitukseen vaikuttavat erityisesti kaluston tyyppi, akselipaino, kulkunopeus ja kaluston kunto. Pyörän ja kiskon välillä vaikuttavat voimat syntyvät kaluston ja radan välisessä vuorovaikutuksessa, johon vaikuttavat kaluston lisäksi aina myös radan ominaisuudet.
Rataan kohdistuvat kuormitukset lisäävät radan kunnossapitokustannuksia esimerkiksi kiskojen vaurioitumisen myötä syntyvän kiskon vaihto- ja hiontatarpeen takia. Suuret kuormitukset kuluttavat myös raidesepeliä ja aiheuttavat pysyviä muodonmuutoksia radan rakennekerroksiin. Lisäksi tietyn tyyppisen kuormituksen on havaittu aiheuttavan tärinäongelmia radan ympäristössä. Erilaisten telityyppien vaikutuksesta radalla havaittuihin ongelmakohtiin on tärkeää saada lisätietoa, jotta ongelmiin voitaisiin jatkossa puuttua tehokkaammin.
Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, kuinka suuri vaikutus tavaravaunun telityypillä on rataan kohdistuviin kuormituksiin ja sitä kautta esimerkiksi kiskon kulumiseen suoralla radalla, erilaisissa kaarteissa ja vaihdealueilla. Lisäksi tutkimuksessa tarkastellaan tavaravaunun telin kunnon, akselipainon sekä tavarajunan nopeuden vaikutusta radan kuormituksiin.
Tutkimuksen ensimmäinen osa on julkaistu Väyläviraston julkaisuja -sarjassa: Tavaravaunun telityypin vaikutus rataan kohdistuviin kuormituksiin
Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Tiia Loponen
Suurnopeusvaihteiden toiminnalliset vaatimukset
Edellisen yliopistolla päättyneen ”Vaihteiden kehitystyö”-projektin jälkeen nähtiin tarvetta jatkaa erityisesti suurnopeusvaihteiden kehitystyötä toiminnallisempien vaatimusten suuntaan. Suomessa on jo tällä hetkellä käytössä suurille nopeuksille suunnitellut 1:26- ja 1:28-vaihteet, mutta nämä ovat todella pitkiä ja kalliita vaihderakenteita, jotka eivät sovellu kaikkiin suurnopeusradan tarpeisiin. Tulevaisuudessa tarvitaan siis risteyssuhteeltaan pienempiä ja ennen kaikkea edullisempia suurille nopeuksille suunniteltuja vaihdetyyppejä. Nämä suuret nopeudet tuovat lyhyille vaihteille uusia vaatimuksia, kuten nykyaikaisemmat kääntölaitteet ja kääntyväkärkiset risteykset. Kääntyväkärkinen risteys tekee vaihteesta monimutkaisemman, josta saattaa aiheutua enemmän kunnossapitotarvetta mm. vaihteenkääntölaitteiden säätötarpeen vuoksi. Toisaalta risteyksen aiheuttamat iskukuormat pienenevät merkittävästi ja useat tarkastusmitat poistuvat. On myös tiedossa, että tällaisia vastaavia suurnopeusvaihteita on jo vähintäänkin koekäytössä useissa eri maissa, joten kokemukset suurnopeusliikennettä harjoittavista maista ovat erittäin tärkeitä huomioon otettavia asioita uusia vaihteita määriteltäessä.
Suurnopeusvaihteiden kehitystyön rinnalla yhdeksi oleelliseksi huoleksi on noussut vaihteiden tiettyjen tarkastusmittojen äärimmäisen tiukat toleranssit. Etenkin YV60-300-1:9 vaihteen g- ja i- mitat ovat hankalia saada vastaanottotarkastuksesta läpi, koska valmistustoleranssit ovat hyvin pienet. Vaihde-elementin muoto saattaa muuttua jo kuljetuksessa toleranssien ulkopuolelle. Kunnossapidolla ei ole myöskään käytettävissä hyvää menetelmää kielen kulumisen arvioimiseksi 60E1 vaihteessa.
Tutkimuksen tavoitteena on ratkaista seuraavat osakokonaisuudet:
- Määritellä mahdollisimman häiriöttömät ja yksinkertaiset kääntyväkärkiset vaihteet (1:18, 1:26 ja 1:28), jotka mahdollistavat SN250 km/h nopeuden ohella hitaamman ja painavamman tavaraliikenteen kuormitukset.
- Uusien vaihderakenteiden määrittely (1:18 kääntyväkärkinen elastinen)
- Nykyisiin vaihderakenteisiin tarvittavien muutosten määrittely (1:26 ja 1:28), jolla voidaan varmistaa nykyisten toimilaitteiden toimivuus ja turvallisuus nopeuden noustessa.
- Vaihteiden tarkastusmittojen päivitys ja toimivuuden simulointi (60E1 ja 54E1).
- Mittatulkin kehittäminen 60E1 vaihteen kielen kuluneisuuden mittaamiseksi.
Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Riku Varis
Komposiittiratapölkkyjen vaikutus liikennetärinään
Komposiittipölkkyjen oletetaan vaimentavan junakalustosta rataan siirtyviä kuormituksia ja siten vähentävän ympäristöön siirtyvää tärinää. Väylävirasto rakentaa noin kilometrin mittaisen testiosuuden rataosalle, jossa maaperä on pehmeää. Testiosuus jaetaan kahdeksaan eri koeosuuteen, joihin sisältyy kolme eri levyisistä komposiittipölkyistä tehtyä koeosuutta, yksi pohjaimilla varustettu betonipölkkykoeosuus ja neljä referenssiosuutta betonipölkyistä. Väylävirasto mittaa koeosuuksilla syntyvää tärinää konsultin avulla, mutta pelkkä tärinän mittaaminen ei anna riittävän suurta kokonaiskuvaa komposiitti-, puu- ja betonipölkkyjen vaikutuksista ja eroista tärinän syntymiseen. Tästä syystä Tampereen yliopisto tekee lisämittauksia tärinäselvityksen tarpeisiin.
Tutkimuksen tavoitteena on selvittää mittauksin
- Miten komposiittipölkkyraide vaikuttaa junaliikenteen aiheuttaman tärinäherätteen suuruuteen ja taajuuteen verrattuna nykytilanteeseen sekä verrokkina olevaan betoniratapölkkyraiteeseen.
- Miten komposiittipölkyt vaikuttavat junaliikenteen aiheuttamaan palautuvan painuman suuruuteen verrattuna puu- ja betonipölkkyraiteeseen.
- Miten komposiittipölkyn leveys vaikuttaa tärinään, palautuvan painuman suuruuteen sekä ratarakenteen pystysuuntaisiin muodonmuutoksiin.
- Miten radan jäykkyys vaikuttaa syntyvään tärinään.
Lisätietoja: Projektitutkija Antti Pelho
Kuivatusratkaisujen toimivuuden ja vaikutusten arviointi
Vuonna 2012 Liikennevirasto käynnisti ROPE-projektin (radan routakorjaussuunnittelu), jossa on tarkasteltu ja korjattu toistuvista epätasaisuusongelmista kärsiviä ratakohteita. Kohteiden tarkastelussa ja suunnittelussa on hyödynnetty moderneja tarkastusmenetelmiä, kuten radantarkastustulosten aikasarjoja, maatutkausta ja laserkeilausta. Toimistossa tapahtuvan alustavan suunnittelun jälkeen kohteille on tehty maastokatselmus, jossa on selvitetty epätasaisuusongelmiin johtavia tekijöitä. Useissa kohteissa on havaittu merkittäviä ongelmia rakenteiden kuivatuksessa ja routimisen on ainakin osittain katsottu johtuvan huonon kuivatuksen aiheuttamasta rakenteiden vesipitoisuuden noususta.
Ensimmäiset ROPE-kohteet on korjattu vuonna 2013. Kohteiden korjaussuunnittelussa on tarkoituksenmukaisesti korostettu kuivatuksen merkitystä, jolloin toimimattoman kuivatuksen parantamisella on pyritty korjaamaan epätasaisuusongelmia. Usein kohteiden epätasaisuusongelmat ovat kuitenkin useiden eri tekijöiden aiheuttamia eikä kuivatuksen osuutta epätasaisuusongelmiin täsmällisesti tiedetä. Tällöin kuivatusparannuskohteiden seuranta on tärkeää, jotta korjauksen todelliset vaikutukset voidaan todentaa.
Työn päätavoitteena on vähentää radanpidon kustannuksia lisäämällä ymmärrystä kuivatuksen vaikutuksista ratarakenteen kuormituskestävyyteen ja routivuuteen. Tavoitteeseen pyritään selvittämällä toimivatko kuivatusta parantamalla korjatut ROPE-kohteet tarkoituksenmukaisella tavalla ja onko korjaustoimenpiteistä ollut odotettua hyötyä. Laboratoriokokeiden ja mallinnuksen avulla selvitetään teoreettinen pohja kuivatuksen parantamisen hyödyistä radassa käytettyjen materiaalien kuormituskestävyyden lisäämiseksi ja routivuuden vähentämiseksi.
Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Juha Latvala
Radan kuormituskestävyyden arviointi tiedonlouhintamenetelmillä
Rautateillä tehdään useita erilaisia mittauksia, joiden perusteella pyritään arvioimaan radan kuntoa. Näistä mittauksista kertyy paljon dataa, jota on yleensä arvioitu visuaalisesti tehtyjen havaintojen ja raja-arvojen perusteella. Tässä tutkimuksessa mittausdataa on hyödynnetty tiedonlouhinnassa. Tiedonlouhinnalla datasta voidaan etsiä säännönmukaisuuksia, joiden avulla dataa voidaan ymmärtää paremmin. Tiedonlouhinnalla voidaan käsitellä suuria datamääriä ja saada selvittää monimutkaisia vaikutussuhteita.
Tässä tutkimuksessa tiedonlouhintaa on käytetty radan kuormituskestävyyteen vaikuttavien tekijöiden arvioimiseen mittausdatan perusteella. Radan kuormituskestävyys on moniulotteinen asia, johon vaikuttavat rakenteiden ja pohjamaan rakenne- ja lujuusominaisuuksien lisäksi muun muassa epäjatkuvuuskohdat ja ympäristön olosuhteet. Kun tietoa on paljon, eivätkä vaikutussuhteet ole selvillä, voidaan tiedonlouhinnalla saada viitettä siitä, mitkä ilmiöt vaikuttavat kuormituskestävyyteen ja tutkia näitä ilmiöitä tarkemmin.
Tiedonlouhintaan on käytössä useita eri menetelmiä. Tässä tutkimuksessa käytetty tiedonlouhintamenetelmä GUHA luo syötetyn lähtödatan perusteella hypoteeseja, jotka perustuvat loogisiin yhteyksiin datan sisällä. GUHA-menetelmällä voidaankin kysyä, onko minun datassa jotain mielenkiintoista. Saadut hypoteesit testataan tilastollisesti merkityksellisiksi tilastomatematiikan avulla, jonka jälkeen hypoteeseille pyritään etsimään selityksiä muun muassa maamekaniikasta.
Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Mikko Sauni
EPSILON – Eurokoodiin pohjautuva suunnittelujärjestelmä infrahankkeiden laadunohjaukseen
Hyvän suunnittelujärjestelmän tulisi ohjata suunnittelua ja toteutusta siten, että tehtävät valinnat johtaisivat turvalliseen ja hankkeiden kokonaisuuden kannalta mahdollisimman taloudelliseen lopputulokseen. Tämän saavuttaminen edellyttää, että jo varhaiset ratkaisut pohjatutkimusten suunnittelusta pohjautuvat tämän kokonaistavoitteen saavuttamiseen. Hankkeiden alkuvaiheessa tehtyjen virheiden korjaaminen tuo väistämättä aina lisäkustannuksia ja viivästyksiä, eikä hankkeen kannalta optimaalista ratkaisua voida välttämättä enää myöhemmin saavuttaa. Hyvän Eurokoodipohjaisen suunnittelujärjestelmän perusvaatimuksia ovat ainakin
- Tasainen murtumistodennäköisyys, jolla varmistetaan riittävä varmuustaso ja taloudellisuus
- Käytetyt osavarmuusluvut tulisi perustua todellisiin epävarmuuksiin
- Selkeys ja johdonmukaisuus varmuuden kohdentamisessa
- Ohjaa tehtäviä ratkaisuja, jotta kokonaisuuden kannalta päästään taloudelliseen ja turvalliseen ratkaisuun
Työn tavoitteena on luoda selkeä ja johdonmukainen suunnittelujärjestelmä, joka ohjaa parempaan laatuun. Ohjaavina tekijöinä toimivat mm. lähtötietojen luotettavuus ja toteutuksen laadunvalvonta.
Työ koostuu seuraavista osista
- Epävarmuuksien selvittäminen
- Luotettavuuslaskentateorian läpikäynti
- Mitoitustapojen vertailu, miten varmuus tulisi kohdentaa eri tapauksissa
- Luotettavuuslaskentateorian hyödyntäminen; osavarmuuslukujen laskeminen
- Verifiointi
- Lopullisen Eurokoodipohjaisen suunnittelujärjestelmän esittäminen
Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Mika Knuuti
Jännepunosvaurion vaikutus betonisen sillan rakenteelliseen turvallisuuteen
Jännitettyjen siltojen rakentaminen yleistyi Suomessa 1970-luvun jälkeen ja tähän päivään mennessä niitä on rakennettu noin 1400 kappaletta. Tästä johtuen suuri joukko tämän kaltaisia siltoja ei ole tullut rakenteellisten seikkojen vuoksi peruskorjausikään. Kansainvälisissä tutkimuksissa on havaittu jännepunosten kunnon heikkenemistä korroosion vaikutuksesta rakenteen ikääntyessä.
Tyypillisessä jälkijännitetyssä sillassa korkealujuusteräksiset jännepunokset on sijoitettu jälki-injektoituihin suojaputkiin rakenteen sisään sekä suorien että ainetta rikkomattomien tarkastusmenetelmien ulottumattomiin. Tämänkaltainen menetelmä on maailmalla suhteellisen harvinainen. Työ-, suunnittelu- ja materiaalivirheiden johdosta injektoinnin kyky suojata jännepunoksia sekä välittää voimia jännepunoksen ja muun rakenteen välillä voi olla paikallisesti heikko.
Jännepunosten kunnolla on merkittävä rooli rakenteen kantavuudessa. Tapahtuvan korroosion myötä jännepunoksen poikkipinta-ala pienenee, jolloin jännitys ja venymä punoksissa kasvaa. Lopulta punos katkeaa. Rakenteen käyttäytymisen punosvauriotilanteessa ratkaisee sen kyky jakaa rasituksia uudelleen rakenneosien välillä.
Tutkimushankkeen tavoitteena on selvittää tyypillisten suomalaisten jälki-injektoiduin jäntein jännitetyn sillan vaurionsietokykyä ja rakenteellista toimintaa tilanteissa, joissa punoksia on katkennut tai vaurioituminen punoksissa on edennyt pitkälle. Tähän liittyy kiinteästi rakenteiden murtotavan sitkeyden arviointi, rakenteen murtumista ennakoivien merkkien tunnistaminen sekä punosten tartunnan vaikutuksen arviointi rakenteen vaurionsietokykyyn.
Lisätietoja: Professori Anssi Laaksonen