Radan geometrian ja rakenteiden mitoitusarvojen lähtökohtia ovat turvallisuus, matkustusmukavuus, matka-aika, kaluston kulkuominaisuudet, sekä kohtuulliset rakentamis- ja kunnossapitokustannukset.

Teknisten suunnitteluperusteiden rajat ovat vähimmäis- ja enimmäisarvoja. Niiden mukaan suunnittelu on äärimmäisin hyväksyttävä ratkaisu. Niitä ei tule käyttää jatkuvana mitoituksena, vaan on käytettävä korkeintaan suositeltavia maksimi- ja minimiarvoja. Normaaliarvojen ja lupa-arvojen välisiä arvoja voidaan kuitenkin käyttää ilman radanhaltijan erillistä lupaa.

Nykyisen raitiotien parantamisen yhteydessä joudutaan usein poikkeamaan normaaliarvojen käyttämisestä. Erityisistä syistä voidaan joutua käyttämään myös tämän ohjeen lupa-arvoja, joiden käyttäminen on sallittua vain radanhaltijan luvalla.

3.1.1. Raiteen teoreettinen asema radan suunnittelussa

Raiteen asema määritellään paikallisesti käytettävässä koordinaatistossa. Raiteen asema määritetään vaakatasossa raiteen keskiviivalle ja pystytasossa kiskon selän tasoon. Pituusmittojen yksikkö on metri, kulmien mittayksikkö on aste (°).

Raiteen keskilinja

Raiteen keskilinjalla tarkoitetaan linjaa, jonka etäisyys nimellismittaisessa raiteessa on ajopinnan tangenttilinjan tasossa sama molempien kiskojen kulkureunasta. Kallistamattomassa suorassa raiteessa nimellisetäisyys mittapisteistä on 500 mm.

Kiskon mittapiste

Kiskon mittapisteen korkeus A kiskon selän korkeudesta riippuu raiteen kiskoprofiilista.

Raiteen korkeusasema

Raiteen korkeusasema sidotaan viivaan, joka määrittelee raiteen korkeuden kiskon selän korkeutena (ksk). Suoralla tai kallistamattomalla raiteella korkeus määritellään jommastakummasta kiskosta. Kallistetussa kaarteessa korkeusviiva määritellään sisäkaarteen kiskon selästä.

Raideleveys

Pääkaupunkiseudun raitioteiden raideleveyden nimellismitta on 1000 mm. Raideleveys S mitataan kiskon mittapisteiden välillä.

Raiteen kallistus

Raiteen kallistus on sisä- ja ulkokiskon korkeusero mitattuna kiskojen päältä. Suunnitellut kallistukset pyöristetään lähimpään viiteen millimetriin. Kallistus merkitään D.

Kallistuksen laskennassa kiskojen yläpintojen etäisyydeksi oletetaan 1060 mm, kiskotyypistä riippumatta.

Raideväli

Kahden vierekkäisen raiteen raideväli ilmoitetaan raiteiden keskilinjojen etäisyytenä toisistaan.

Kiintoraiteella pienin sallittu raideväli on 3,0 m.

Sepeliraiteella raidevälin vähimmäisarvo on 3,1 m, raidevälin lupa-arvo on 3,0 m.

Kaarteessa vaadittavat raidevälit on taulukoitu kohdassa ATU:n kaarrelevitys pääkaaren alueella.

3.1.2. Vaakageometria

Suoran ja ympyräkaaren pituus

Ympyränkaarien ja suorien 2 s. ajoaikaan perustuva suosituspituus on esitetty alla olevalla kaavassa

jossa L on elementin pituus metreissä ja V on nopeus yksikössä km/h. Vaakageometrian elementin pituuden lupa-arvo on 6 m.

Ympyräkaaren mitoitus

Sivuttaiskiihtyvyyden a_q tulee kaarteessa olla välillä 0,2–0,65 m/s². Sivuttaiskiihtyvyyden lupa-arvo on 0,98 m/s².

Sivuttaiskiihtyvyys kaarteessa lasketaan kaavalla

Jossa a_q on sivuttaiskiihtyvyys [m/s²], V on nopeus [km/h], r on kaarresäde [m] ja D on raiteen kallistus millimetreissä.

Taulukko 2 on luetteloitu sivuttaiskiihtyvyyden enimmäisarvolle a_q = 0,65 m/s² lasketut vähimmäiskaarresäteet eräille tavanomaisille liikennöintinopeuksille ja raiteen kallistuksen arvolle.

Raiteen kallistuksen mitoitus

Kaarteissa raidetta voidaan kallistaa matkustajiin kohdistuvan sivuttaiskiihtyvyyden sekä kalustoon ja rataan kohdistuvien vaakavoimien kompensoimiseksi. Kallistuksen mitoitus perustuu liikennöintinopeuteen.

Liikennöintinopeuteen nähden liian pienet raiteen kallistukset tuntuvat sivukiihtyvyytenä ulkokaarteeseen päin, kun taas liian suuret kallistukset tuntuvat sivukiihtyvyytenä sisäkaarteeseen. Yli- tai alimitoitettu kallistus aiheuttaa myös kiskon ja pyörien ennenaikaista kulumista.

Kallituksen raiteen vähimmäiskaarresäde

Raidetta kallistetaan vain, jos kaarresäde R on vähintään 70 m.

Suurin sallittu kallistus

Avoimella päällysrakenteella suurin sallittu kallistuksen arvo D on 90 mm.

Suljetulla päällysrakenteella suurin sallittu kallistuksen arvo D on 70 mm.

Kallistuksen muutos siirtymäkaaren matkalla

Kallistetussa raiteessa kallistuksen muutos tapahtuu lähtökohtaisesti vain siirtymäkaaren matkalla, jolloin pätee:

Kaarteen tasoitus

Siirtymä suoralta kaarteelle tai kahden erisuuruisen kaarteen välillä tehdään siirtymäkaarilla. Siirtymäkaarena voidaan käyttää joko klotoidia tai tasoituskaarisarjaa. Käytettävä siirtymäkaari tyyppi on määriteltävä hankekohtaisissa suunnitteluperusteissa.

Hankkeessa käytettävän siirtymäkaarityypin valinnassa on huomioitava seuraavat seikat:

Klotoidin käyttö siirtymäkaarena

Pikaraitiotiellä siirtymäkaarena käytetään klotoidia, jolle pätee

Jossa L_n on klotoidin pituus suoralta pisteeseen n, R_n klotoidin säde pisteessä n ja A klotoidin parametri.

Klotoidin pituus merkitään L_k.

Kallistamattomassa raiteessa siirtymäkaaren pituus mitoitetaan nykäyksen perusteella.

Kallistetussa raiteessa siirtymäkaaren pituus mitoitetaan nykäyksen ja kallistusviisteen perusteella. Pidemmän siirtymäkaaren antava laskentatapa on määräävä.

Tasoituskaarisarjan käyttö siirtymäkaarena

Raitioteiden siirtymäkaaret toteutetaan tasoituskaarina, jotka koostuvat tasoitusjaksoista. Tasoitujaksoista johtuen kaarteen pääkaaren säde jää pienemmäksi kuin vastaavan suorien osuuksien väliin piirretyn tasasäteisen kaaren säde. Lisäksi tasoitettu kaarre leikkaa kulman sisempää kuin vastaava tasasäteinen kaari, ja kaarre ulottuu tasoitusjaksojen takia pidemmälle suoran suuntaan. Mittojen erot tasoitetun ja tasoittamattoman kaaren välillä kasvavat kaaren säteen pienentyessä. Tasasäteisen kaaren ja tasoitetun kaaren ero on havaittavissa kuvasta 5.

Tasoituskaaret toteutetaan sarjana vakiosäteisiä kaaria eli tasoitusjaksoina. Käytettävä sarja valitaan kahdesta vaihtoehdosta pääkaaren säteestä riippuen ja sarjasta käytetään yleensä sen verran jaksoja, että päästään lähelle pääkaaren sädettä. Taulukoissa 4 ja 5 on esitetty tasoituskaarteiden tasoitusjaksot ja niiden pituudet eri käyttötapauksissa.

Kuva 5 havainnollistaa tasoituskaarissa käytettäviä tasoitusjaksoja ja vakiosäteisen sekä tasoitetun kaaren mittojen eroja. Kuvassa on 90 asteen tasasäteisen kaaren ja tasoitetun kaaren ero 25 metrin kaarresäteellä. Ero kasvaa säteen pienentyessä.

Kuvassa tasasäteinen kaari on piirretty punaisella katkoviivalla (kaaren pituus on 39,271 metriä). Sinisellä on piirretty eripituiset tasoitusjaksot sekä pääkaaren tasoitettu kaari (kaaren pituus on 30,543 metriä). Sivusiirtymän ero on 0,260 m.

Nykäys

Nykäyksen arvo lasketaan

Jossa C on nykäys yksikössä m/s³, vnopeus yksikössä km/h, Δa_qsivuttaiskiihtyvyyden muutos siirtymäkaaren pituudella ja L_Dkallistusviisteen pituus. Suurin sallittu nykäys C_max on 0,67 m/s³.

Kallistusviiste

Kallistusviisteeksi kutsutaan aluetta, jolle raiteen kallistus eli ulkokiskon ylikorotus tehdään. Kohtaa, jossa raiteen kallistus on pienimmillään, kutsutaan kallistusviisteen aluksi, ja kohtaa, jossa se on suurimmillaan, kutsutaan kallistusviisteen lopuksi.

Kallistusviisteen enimmäisjyrkkyys 1/n [m^-1] lasketaan

Jossa ΔD on kiskon korotuksen muutos [mm], L_D kallistusviisteen pituus [m], ja v_e suunnittelunopeus yksikössä km/h. Kallistusviisteen enimmäisjyrkkyys on 1:500.

Poikkeustapauksissa kallistusviiste voi olla jyrkempi. Lupa-arvo lasketaan kaavan 7 mukaisesti.

Suurin sallittu kallistusviisteen arvo on 1:250.

Kallistusviisteen perusteella määräytyvä vähimmäispituus l_R [m] lasketaan kaavan 8 mukaisesti.

Taulukkoon 7 on laskettu siirtymäkaarien pituuksia eräille tavallisimmille liikennöintinopeuksille ja kallistuksen arvoille, olettaen kaarteen sivuttaiskiihtyvyyden olevan enimmäisarvon a_q= 0.65 m/s² mukainen.

Siirtymä kaarelle ilman siirtymäkaaria

Siirtymäkaari voidaan jättää pois, mikäli raiteen kallistus ei muutu ympyränkaarien välillä ja ehdot täyttyvät:

Jossa kaarevuuden erotus Δk [1/m] on:

jossa

Suoralta kaarteelle siirtyessä r₁ = ∞, jolloin 1000/r₁ = 0. Tällöin kaava yksinkertaistuu muotoon:

Jossa tehollisen siirtymäpituuden l_v arvona käytetään 6 m. Vähimmäiskaarresäteet, joilla siirtymäkaarien jättäminen pois on sallittua siirryttäessä suoralta kaarelle, on esitettytaulukossa 8.

Siirtymäkaaren aiheuttaman kaaren sivusiirtymän laskenta

Siirtymäkaaren aiheuttama sivusiirtymä kaareen on tarpeen laskea, mikäli raitiotien geometriaa suunnitellaan työkaluilla, jotka eivät mahdollista siirtymäkaaren geometrialaskentaa.

Siirtymän suuruuteen d vaikuttaa siirtymäkaaren pituus L_k ja kaarteen kaarresäde R kaavan 12 mukaisesti. Siirtymä on havainnollistettu kuvassa 6.

Siirtymäkaaren pituus jakautuu kuvan 6 mukaisesti siirtymässä suoralta kaarelle tasan kaaren ja suoran välillä.

3.1.2. Pystygeometria

Radan tasaus koostuu suorista kallistusjaksoista. Kallistusjaksojen väliset siirtymät toteutetaan ympyräkaaren muotoisilla pyöristyskaarilla.

Raiteiden keskinäinen asema korkeussuunnassa

Raiteiden ksk asetetaan lähtökohtaisesti keskenään samaan tasoon, ellei ympäristö edellytä tästä poikkeamista.

Kun kallistettu kaksi- tai useampiraiteinen rata risteää kadun kanssa, raiteiden tasausten keskinäinen asema on sovitettava kaartessa siten, että raiteiden kulkupintojen tasot osuvat samaan tasoon. Ylityksien tasausten ja kallistusten suunnittelussa on huomioitava kohdan luvun 3.3.3. Suljetun ratarakenteen päällysteen muotoilu vaatimukset.

Kallistusjakson pituuskaltevuus

Kallistusjakson pituuskaltevuuksien vähimmäis- ja enimmäisarvot on luetteloitu taulukossa 9.

Kallistusjaksoilla on myös vähimmäispituuskaltevuus kiskouran kuivatuksen takaamiseksi, kun raitiotien päällysrakenne edellyttää kiskouran kuivatusta. Kiskouran kuivatusperiaatteet on selostettu luvussa 3.6.1. Radan pintakuivatus. Vähimmäispituuskaltevuudet ovat on esitetty taulukossa 10.

Pyöristyssäde

Pyöristyskaaren vähimmäissäde määräytyy kaavan 13 mukaisesti.

Jossa R on pyöristyskaaren säde metreissä ja V liikennöintinopeus yksikössä km/h. Pyöristyskaaren säteen tulee kuitenkin olla vähintään 1000 m.

Pyöristyskaaren säteen lupa-arvo määräytyy kaavan 14 mukaisesti.

Pyöristyskaaren sijoittaminen kallistusviisteen kohdalle

Kaltevuustaitteen sijoittamista kallistusviisteen kohdalle tulee lähtökohtaisesti välttää, sillä kallistuksen ja pystysuuntaisen taitteen yhdistelmässä vaunun kiertojäykkyys saa vaunun kuorman jakautumaan epätasaisesti pyörien välillä, joka aiheuttaa suistumisriskin.

Toistuvasta epätasaisesta kuormittumisesta johtuva kiertyminen aiheuttaa myös vaunun rakenteen väsymistä, joka lyhentää vaunun elinikää.

Mikäli taitteen sijoittamista kallistusviisteen kohdalle ei voida välttää, tulee pyöristyskaaren säteen r_a täyttää kaavan 15 ehdot.

Jossa v_e on suunnittelunopeus. Kallistusviisteen jakajan n laskentatapa on esitetty kohdassa x.

Pyöristyskaaren säteen tulee kuitenkin olla vähintään 625 m (arvo sovitettava kaluston ominaisuuksiin).

Pystytaitteen pyöristyksen vähimmäissäteitä kallistusviisteen kohdalla on esitetty taulukossa 12.

Pystytaite vaihteen kohdalla

Vaihteita ei saa sijoittaa pyöristyskaaren kohdalle.

Pystytaite pysäkin kohdalla

Pysäkillä pyöristyskaaren minimiarvo on 3500 m. Lupa-arvo on 1500 m.

Minimiarvoa pienemmillä pyöristyssäteillä tulee selvittää pyöristyksen vaikutus laiturin korkeuteen suhteessa KSK-tasoon. Pyöristys muuttaa ovien suhteellista asemaa KSK-tasoon nähden, jolloin tulee varmistaa, että ovilla on riittävä aukeamistila ja ettei tasoero raitiovaunun ovenkynnyksen ja laiturin välillä muodostu liian suureksi.

Pystygeometrian elementtien vähimmäispituus

Pystygeometrian elementtien vähimmäispituus lasketaan kaavan 16 mukaisesti.

Jossa L on elementin pituus (m) ja V liikennöintinopeus (km/h). Pystygeometrian elementin pituuden vähimmäispituus on 12 m.