Συμβολή στην αξιολόγηση οδοστρωμάτων αεροδρομίων

Abstract

Contemporary airport management is under pressure to maximize profits by the most efficient use of the transportation infrastructure, whilst facing an ever increasing demand for air transport. The adoption of a simple and reliable procedure for rating the aircraft load and checking the adequacy of the pavement bearing capacity would form a significant tool in support of effective airport management. In addition, the use of a classification and reporting system may facilitate the information exchange among the different parts involved in air transport matters (airport managers, airline operators, aircraft manufacturers). Considering this fact, the ICAO (International Civil Aviation Organisation) has introduced the ACN-PCN (Aircraft Classification Number-Pavement Classification Number) method which currently is the only universally accepted system for rating the aircraft load and reporting the bearing capacity of pavements. However, despite the wide use of the ACN-PCN there are several questions about the suitability and accuracy of the method regarding the comparison of the effect of the different aircraft and the examination the adequacy of the pavement bearing capacity. More specifically, as shown also in this research, there are several cases when aircrafts with lower ACNs proved to be more damaging for pavements compared to aircrafts with higher ACNs. In addition, the estimation of a pavement PCN using several internationally accepted methods provides very different and incomparable results, leading to the conclusion that the PCN of a pavement does not express its bearing capacity in a unique matter. As consequence, it seems not possible to have a reliable indication for the pavement bearing capacity by its PCN reporting. It should be noted here that according to the ACN-PCN method assumptions, for the asphalt pavements the critical load effect of an aircraft is estimated only for the possibility of the subgrade failure. This is very important since the ACNs do not take into account the potential critical effect for other layers and materials, including the possibility of producing significant damage or failure of the asphalt concrete or hydraulically bound materials. In addition, the adoption of the CBR (California Bearing Ratio) method for the definition of the ACN limits its capabilities, especially in relation with pavement analyses using computational tools. Taking all these into account, in this research an alternative classification system is introduced, based on a new index named ALI (Aircraft Loading Index) for expressing the relative aircraft load effect. In contrast to older indexes such as the LCN and the ACN which use equivalent single wheel with constant pressure, the ALI utilizes an equivalent single wheel load with constant radius (R) and variable pressure (P) which is a function of the actual air craft load. For each pavement type and category, a suggested R value has been estimated and for each aircraft a pressure value P can be estimated after suitable calculations so as to produce a critical effect for the pavement similar to that the actual load. Following the international practice the critical effect for flexible pavements was assumed to take place at the bottom of the asphalt concrete layer (fatigue) and the top of the subgrade (permanent deformation). For semi-rigid pavements, the critical effect is assumed to be at the bottom of the hydraulically bound base layer (fatigue). As shown, in all cases the deviations between the ALI equivalent single wheel estimations and the actual load are acceptable. The necessary calculations was made using analytical tools and more specifically the APSA (Airport Pavement Structural Analysis) software, which uses the multi-layer elastic theory and has been developed in the NTUA Laboratory of Highway Engineering and the well known ABAQUS 3D finite element software. Further investigations towards the verification of ALI capability to express the critical effect of aircraft load at a pavement were undertaken using Large Scale Facility (LFC) test data. Data used in the models derives from airport pavement testing undertaken at the National Airport Pavement Facility (NAPTF) by FAA in cooperation with Boeing. The investigation of ALI included comparison of (a) the critical effect of the actual load and the ALI as it is estimated using analytical methods and (b) the ALI estimation and the measured critical stress or strain. The research showed that the ALI estimations for the critical stress and strain values do not differ from the respective of the actual load. After successfully completing the ALI investigation, it is possible to further utilize it for the classification and checking of the bearing capacity of airport pavements. For this purpose, the Airport Pavement Capacity Index (APCI) is introduced, which expresses the bearing capacity of a pavement in terms of the maximum ALI that can be serviced for a selected number of operations. Through a simple procedure which relates the pavement APCI and the ALI values of the aircrafts that use the pavement it is possible to examine whether the bearing capacity is adequate to serve the requested traffic, as well as to estimate the expected damage or remaining life of the pavement. Preliminary applications of the proposed method seem to be very promising for the practical use and extension of the ALI and APCI indexes. The major findings from the investigations undertaken are the following: • The ACN estimation for the aircraft relative effect on a pavement may not be adequately reliable. In several cases aircrafts with lower ACNs proved to have a more severe effect compared to others with higher ACN. The PCN estimation provides results which are difficult to use in practice since the different methods provide incompatible, not comparable results. • At least for the asphalt pavements, the ACN-PCN method provides only rough indications about the relative effect of the aircraft load and the pavement bearing capacity. For this reason in practice it is rarely used as a contribution for the management of airport pavements. • The proposed, new ALI index is suitable for the estimation and rating of the aircraft load effect for different types of asphalt pavements. Based on investigations using real-time data, the ALI estimation for the critical stresses and strains are similar to those of the actual gear. • Compared to ACN, the ALI estimation of the critical effect of an aircraft is closer to that of the actual gear. • By using ALI and APCI it is possible to examine the adequacy of pavement bearing capacity using results from both traditional pavement analyses and modern computational tools. • The proposed ALI-APCI method can provide useful information for managing airport pavements by investigating the effect of different scenarios for traffic changes. • The ALI-APCI method can provide information and estimations about the pavement adequacy and the potential effect of serving the new large aircraft types such as the A380.

Με δεδομένη τη συνεχή αύξηση της ζήτησης για αεροπορικές μεταφορές και σε συνδυασμό με την ανάγκη μεγιστοποίησης του οφέλους από την εκμετάλλευση των υποδομών, η υιοθέτηση μιας απλής και αξιόπιστης διαδικασίας για την αξιολόγηση της σχετικής επίδρασης των αεροσκαφών και τον έλεγχο επάρκειας της φέρουσας ικανότητας των οδοστρωμάτων μπορεί να συμβάλλει σημαντικά στη διαχείριση τους. Παράλληλα, όπως έχει αναγνωριστεί διεθνώς, διευκολύνει σημαντικά την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των εμπλεκομένων στις αεροπορικές μεταφορές (αεροπορικές εταιρείες, κατασκευαστές, αρχές αεροδρομίων). Στο πλαίσιο αυτό, ο ICAO (International Civil Aviation Organization) έχει εισάγει τη μέθοδο ACN-PCN (Aircraft Classification Number-Pavement Classification Number), η οποία σήμερα αποτελεί το μόνο διεθνώς αποδεκτό σύστημα αξιολόγησης της σχετικής επίδρασης των αεροσκαφών και κατάταξης της φέρουσας ικανότητας των οδοστρωμάτων. Όμως, παρά την ευρεία αποδοχή της μεθόδου ACN-PCN για τη δημοσίευση της φέρουσας ικανότητας, υπάρχουν ερωτηματικά για την καταλληλότητα της ως προς τη σύγκριση της επίδρασης των διαφορετικών αεροσκαφών και τον έλεγχο επάρκειας των οδοστρωμάτων. Ειδικότερα, όπως παρουσιάζεται και στην παρούσα εργασία, σε αρκετές περιπτώσεις η κατάταξη της σχετικής επίδρασης των αεροσκαφών δεν είναι αξιόπιστη καθώς αεροσκάφη με μικρότερο δείκτη ACN αποδεικνύονται δυσμενέστερα για τα οδοστρώματα σε σχέση με άλλα που έχουν μεγαλύτερο ACN. Επίσης κατά τον προσδιορισμό του PCN διαπιστώνεται ότι η εφαρμογή διαφορετικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται διεθνώς δεν προσεγγίζει κάποια σταθερή τιμή (η οποία εκφράζει τη φέρουσα ικανότητα) και κατά συνέπεια είναι δύσκολο να γίνει εκτίμηση της φέρουσας ικανότητας ενός οδοστρώματος μέσω του PCN του και μόνο. Στο σημείο αυτό είναι σκόπιμο να επισημανθεί ότι με βάση τις παραδοχές τις μεθόδου ACN-PCN η κρισιμότητα της φόρτισης ενός αεροσκάφους για τα ασφαλτικά οδοστρώματα καθορίζεται με βάση την αναμενόμενη επίδραση τους στη στρώση έδρασης μόνο. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό δεδομένου ότι δεν αξιολογείται η επίδραση του φορτίου των αεροσκαφών σε άλλες κρίσιμες θέσεις όπου υπάρχει ενδεχόμενο αστοχίας των ασφαλτικών στρώσεων (εύκαμπτα οδοστρώματα) ή των στρώσεων από αμμοχάλικο κατεργασμένο με υδραυλικές κονίες (ημιάκαμπτα οδοστρώματα). Επιπλέον, ο καθορισμός του δείκτη ACN με βάση τη μέθοδο διαστασιολόγησης οδοστρωμάτων CBR περιορίζει το εύρος και τις δυνατότητες εφαρμογής του δείκτη καθώς είναι δύσκολο να αξιοποιηθεί στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται αναλυτικά εργαλεία για την αξιολόγηση του οδοστρώματος. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω και στο πλαίσιο συμβολής στην συγκριτική αξιολόγηση της σχετικής επίδρασης των αεροσκαφών και της δομικής κατάταξης των ασφαλτικών οδοστρωμάτων αεροδρομίων, στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται και διερευνάται μία εναλλακτική μέθοδος μέσω της εισαγωγής ενός νέου δείκτη που αφορά τη φόρτιση των αεροσκαφών και ονομάζεται ALI (Aircraft Loading Index). Ο προτεινόμενος δείκτης κατάταξης στηρίζεται στη θεώρηση ενός απλού τροχού με κυκλική επιφάνεια επαφής σταθερής ακτίνας (R), ενώ η επιβαλλόμενη επί του οδοστρώματος πίεση (p) μεταβάλλεται ως συνάρτηση του φορτίου του φορείου του αεροσκάφους, σε αντίθεση με τους παλαιότερους δείκτες LCN και PCN (οι οποίοι χρησιμοποιούν θεώρηση μεταβλητής ακτίνας). Η ακτίνα R του απλού τροχού του ALI εξαρτάται από τον τύπο και την κατηγορία του οδοστρώματος. Οι τιμές των προτεινόμενων R (σταθερή ανά τύπο και κατηγορία οδοστρώματος) και p προκύπτουν από μία υπολογιστική διαδικασία διαδοχικών προσεγγίσεων, ώστε στις κρίσιμες θέσεις του οδοστρώματος κάθε τύπου και κατηγορίας οι προκύπτουσες τιμές των εντατικών και παραμορφωσιακών αποτελεσμάτων με τις θεωρήσεις (α) του ισοδυνάμου απλού τροχού και (β) του πραγματικού φορείου να συγκλίνουν στο μέγιστο δυνατό βαθμό. Όπως δείχθηκε, οι αποκλίσεις κυμαίνονται σε αποδεκτά όρια. Στις διερευνήσεις χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι οδοστρωμάτων (εύκαμπτα-ημιάκαμπτα) και δύο κατηγορίες ανά τύπο, ενώ σύμφωνα και με τη σχετική διεθνή εμπειρία και πρακτική ως κρίσιμες θέσεις για τα εύκαμπτα οδοστρώματα θεωρήθηκαν ο πυθμένας (κάτω ίνα) των ασφαλτικών στρώσεων και η επιφάνεια της στρώσης έδρασης, ενώ για ημιάκαμπτα οδοστρώματα ο πυθμένας (κάτω ίνα) της στρώσης από κατεργασμένο υλικό. Οι απαραίτητοι υπολογισμοί εντατικών και παραμορφωσιακών μεγεθών πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια αναλυτικών προσομοιωμάτων και εργαλείων υπολογισμού. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό APSA (Airport Pavement Structural Analysis) το οποίο έχει αναπτυχθεί και εξελίσσεται στο Εργαστήριο Οδοποιίας του ΕΜΠ και βασίζεται στην θεωρία ελαστικών επάλληλων στρώσεων, καθώς και το λογισμικό ABAQUS το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των (τρισδιάστατων) πεπερασμένων στοιχείων. Για την εμβάθυνση στη διερεύνηση του ALI πραγματοποιήθηκε έλεγχος της καταλληλότητας του με χρήση πειραματικών δεδομένων από εγκαταστάσεις κλίμακας 1:1. Τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από δοκιμές οδοστρωμάτων αεροδρομίων που πραγματοποιήθηκαν στην εγκατάσταση του NAPTF (National Airport Pavement Testing Facility) από την FAA σε συνεργασία με τη Boeing. Ο έλεγχος του δείκτη ALI πραγματοποιήθηκε με σύγκριση (α) υπολογιστικών αποτελεσμάτων δείκτη και πραγματικών φορείων και (β) δείκτη και μετρηθέντων αποτελεσμάτων από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν. Όπως διαπιστώθηκε οι εκτιμήσεις του ALI για τα κρίσιμα μεγέθη που ελέγχθηκαν δεν διαφέρουν από τις αντίστοιχες που προκύπτουν με χρήση του πραγματικού φορείου και αναλυτικών μεθόδων. Έχοντας ολοκληρώσει τη διερεύνηση και τον έλεγχο αξιοπιστίας του δείκτη ALI για τη συγκριτική κατάταξη της σχετικής επίδρασης των αεροσκαφών, στο πλαίσιο της περαιτέρω αξιοποίησης του για τη δημοσίευση και τον έλεγχο επάρκειας της φέρουσας ικανότητας των οδοστρωμάτων εισάγεται ο αντίστοιχος δείκτης δομικής κατάταξης APCI (Airport Pavement Capacity Index). Ο δείκτης APCI για ένα οδόστρωμα υπολογίζεται με βάση το δείκτη ALI ο οποίος μπορεί να εξυπηρετηθεί από το οδόστρωμα για ένα δεδομένο αριθμό διελεύσεων και μέσω μιας απλής σχέσης-ανισότητας προσφέρει τη δυνατότητα ελέγχου επάρκειας της φέρουσας ικανότητας του, όπως επίσης και μία εκτίμηση της φθοράς και της εναπομένουσας ζωής του. Οι προκαταρκτικές εφαρμογές της μεθόδου ελέγχου με τους δείκτες ALI και APCI θεωρούνται πολύ ενθαρρυντικές για την πρακτική αξιοποίηση και περαιτέρω εξέλιξη τους. Συνολικά, οι κυριότερες διαπιστώσεις που προκύπτουν από τις διερευνήσεις της παρούσας διατριβής είναι οι ακόλουθες: • Η εκτίμηση της σχετικής επίδρασης των αεροσκαφών με κριτήριο το δείκτη ACN δεν είναι επαρκώς αξιόπιστη. Σε αρκετές περιπτώσεις η φόρτιση από αεροσκάφη με μικρότερη τιμή δείκτη ACN αποδείχτηκε δυσμενέστερη σε σχέση με τη φόρτιση αεροσκαφών με μεγαλύτερο ACN. • Ο προσδιορισμός του δείκτη PCN οδηγεί σε αποτέλεσμα αμφιβόλου πρακτικής αξίας και ακρίβειας δεδομένου ότι για το ίδιο οδόστρωμα η συγκριτική εφαρμογή διεθνώς αποδεκτών μεθόδων οδηγεί σε εντελώς διαφορετικά και μη συγκρίσιμα αποτελέσματα. • Η μέθοδος ACN-PCN μπορεί να δώσει μόνο ενδεικτική πληροφορία για τη σχετική επίδραση των αεροσκαφών και την επάρκεια της φέρουσας ικανότητας των οδοστρωμάτων, τουλάχιστον στα ασφαλτικά οδοστρώματα. Για το λόγο αυτό και στην πράξη δεν χρησιμοποιείται για την υποστήριξη της διαχείρισης τους. • Ο δείκτης ALI είναι κατάλληλος για την εκτίμηση και κατάταξη της σχετικής επίδρασης των αεροσκαφών σε οδοστρώματα με διαφορετικά χαρακτηριστικά και δομική συμπεριφορά. • Σε σύγκριση με το δείκτη ACN, η εκτίμηση της σχετικής επίδρασης των αεροσκαφών με κριτήριο το δείκτη ALI προσεγγίζει περισσότερη την αντίστοιχη του πραγματικού φορείου. • Για τον έλεγχο επάρκειας ενός οδοστρώματος με βάση τους δείκτες ALI και APCI μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελέσματα τόσο από κλασσικές μεθόδους δομικής αξιολόγησης οδοστρωμάτων αεροδρομίων όσο και από εξελιγμένες υπολογιστικές μεθόδους. • Η μέθοδος ALI-APCI μπορεί να απλουστεύει την εκτίμηση των αναμενόμενων συνεπειών στο οδόστρωμα λόγω μεταβολής της κυκλοφορίας και διευκολύνοντας τη διαχείριση του από τον αρμόδιο φορέα. • Η μέθοδος ALI-APCI μπορεί να δώσει πληροφορίες και εκτιμήσεις για την επάρκεια και τις επιπτώσεις της χρήσης των οδοστρωμάτων αεροδρομίων από νέους τύπους βαρέων αεροσκαφών όπως το Α380.