Epävarmuudet ja luotettavuus geoteknisessä mitoituksessa: Luotettavuus-workshop 2022

Geoteknisessä mitoituksessa erityisesti maan ominaisuuksiin liittyvät epävarmuudet ovat keskeisessä asemassa läpi koko suunnitteluprosessin. Usein pohjatutkimustuloksia on käytettävissä vähäinen määrä, joten maaparametrien määritys väistämättä nojautuu myös suunnittelijan aiempaan kokemukseen, suunnitteluohjeiden taulukkoarvoihin ja empiirisiin korrelaatioihin. Maaparametrit tulisikin määrittää ottamalla huomioon keskeiset epävarmuuden lähteet, joita ovat maan luonnollinen vaihtelu maakerroksen sisässä, pieneen datamäärään liittyvä tilastollinen epävarmuus, mittausepävarmuudet sekä käytettyihin korrelaatioihin liittyvä muunnosepävarmuus. Maaparametrien lisäksi myös kuormiin, geometrioihin sekä itse laskentamenetelmiin liittyy epävarmuuksia ja yksinkertaistuksia. Kaikki nämä epävarmuudet on perinteisesti pyritty ottamaan huomioon lisäämällä mitoitukseen varmuutta, aiemmin kokonaisvarmuuslukumenetelmällä ja sittemmin eurokoodin osavarmuuslukumenetelmällä.

Varmuuslukujen avulla pyritään varmistamaan, että rakenteen luotettavuus on riittävä sekä murto- että käyttörajatilassa. Rakenteen riittävä luotettavuus tarkoittaa sitä, että sen todennäköisyys saavuttaa epäedullinen rajatila on riittävän pieni (alle määritetyn raja-arvon). Toisin sanoen rakenteen murtumistodennäköisyys on tarpeeksi pieni tai vaihtoehtoisesti luotettavuusindeksi on tarpeeksi suuri. Perinteiset varmuuslukumenetelmät varmuuslukuineen on kuitenkin laadittu kokemusperäisesti, joten ne soveltuvat ennen kaikkea tilanteisiin, joissa epävarmuudet ja vaatimukset rakenteen luotettavuudelle ovat keskimääräistä tasoa. Koska epävarmuudet todellisuudessa vaihtelevat kohteesta riippuen, tällöin myös suunniteltujen rakenteiden luotettavuus vaihtelee.

Rakenteen todellinen luotettavuustaso on mahdollista selvittää vain luotettavuus- analyysin avulla. Luotettavuusperusteinen geotekninen mitoitus on eurokoodin sallima mitoitusmenetelmä, jossa maaparametrit ja muut epävarmat lähtötiedot kuvataan todennäköisyysjakaumina vakioarvojen sijasta, jonka myötä rakenteen murtumistodennäköisyys voidaan määrittää laskennallisesti. Varsinaisen mitoituksen lisäksi luotettavuusanalyysiä ja tilastollisia menetelmiä voidaan hyödyntää muun muassa ominaisarvon määrityksessä, eri perustamistapojen vertailussa sekä riskianalyysissä.

Tässä julkaisussa käsitellään luotettavuusperusteisen mitoituksen soveltamista geotekniseen suunnitteluun. Julkaisun kantavana teemana on erityisesti maaparametreihin liittyvä epävarmuus: kuinka se voidaan ottaa huomioon mitoituksessa ja miten sen suuruus vaikuttaa mitoitustuloksiin. Julkaisu esittelee tältä osin keskeisimmät erot perinteisen varmuuslukumenettelyn ja luotettavuusperusteisen mitoituksen välillä. Maaparametrien epävarmuuksien määrityksessä julkaisu keskittyy vahvasti Suomen tyypillisiin pohjaolosuhteisiin ja pohjatutkimusmenetelmiin, sillä julkaisu perustuu kahteen Väyläviraston rahoittamaan väitöskirjatutkimusprojektiin, joiden keskiössä oli stabiliteettitarkastelut ja painumalaskelmat suomalaisissa savikko-olosuhteissa. Lisäksi julkaisussa esitetään kolme keskeistä luotettavuuslaskentamenetelmää (FOSM, FORM, MCS), joiden avulla geoteknisen rakenteen luotettavuusanalyysi voidaan suorittaa. Julkaisu sisältää runsaasti havainnollistavia esimerkkejä sekä käytännön ohjeita ja antaa hyvät lähtötiedot luotettavuusanalyysin soveltamisesta geotekniseen suunnitteluun.