BLACHA Krzysztof 1 WESOŁOWSKI Mariusz 2

Transkrypt

1 BLACHA Krzysztof 1 WESOŁOWSKI Mariusz Zależność wskaźnika nośności PCN od liczby dopuszczalnych operacji lotniczych przy określaniu nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN WSTĘP Konstrukcja nawierzchni lotniskowej składa się najczęściej z zespołu warstw, których zadaniem jest przejęcie i przeniesienie na podłoże gruntowe obciążeń pochodzących od poruszających się statków powietrznych i śmigłowców w sposób zapewniający określoną jej trwałość. Jedną z głównych cech eksploatacyjnych nawierzchni lotniskowej jest jej nośność. Przez pojęcie nośności rozumie się zdolność układu konstrukcyjnego do przenoszenia obciążeń od statków powietrznych w określonym czasie. Nośność nawierzchni uzależniona jest nie tylko od obciążeń samolotów, lecz także od wielu czynników zewnętrznych, w tym od czynników atmosferycznych [1], []. W przypadku nawierzchni wykonanych z betonu cementowego, jako najważniejsze można wymienić: liczbę operacji lotniczych odbywających się lub planowanych na przedmiotowej nawierzchni, wytrzymałość betonu na rozciąganie przy zginaniu, przekrój konstrukcji nawierzchni, rodzaj, zagęszczenie, wilgotność podłoża gruntowego, temperaturę podczas prowadzonych badań. O ile pierwsze trzy parametry można określić jako stałe lub niezmienne w krótkim okresie czasu, to jednak parametry podłoża gruntowego mogą zmieniać się w zależności od istniejących warunków meteorologicznych. W przypadku nawierzchni lotniskowych wykonanych z betonu cementowego należy również wziąć pod uwagę wpływ zjawiska deformacji płyt betonowych pod wpływem temperatury. Wpływ podłoża gruntowego na nośność nawierzchni spowodowany jest zmianami parametrów geotechnicznych gruntu w zależności od jego wilgotności. Ze względów bezpieczeństwa użytkowania nawierzchni, standardowo przyjmuje się, że badania nośności powinny być wykonywane w okresie wiosennym lub późnojesiennym, nie powinno zaś się ich wykonywać w okresie zimowym. Do pełnej analizy nośności nawierzchni lotniskowej niezbędna jest identyfikacja parametrów fizykomechanicznych materiałów poszczególnych jej warstw konstrukcyjnych i podłoża gruntowego. Identyfikacja powinna być prowadzona w sposób uwzględniający rzeczywiste warunki pracy nawierzchni. Mając na uwadze ocenę stanu eksploatacyjnego nawierzchni lotniskowych, niezbędne jest prowadzenie okresowych badań nośności. 1 UKŁADY KONSTRUKCYJNE NAWIERZCHNI LOTNISKOWYCH Wieloletnie doświadczenia Zakładu Lotniskowego Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych (ITWL) w zakresie prowadzonych badań nośności nawierzchni lotniskowych na obiektach wojskowych oraz w Portach Lotniczych potwierdzają, że w Polsce można wyróżnić trzy podstawowe typy konstrukcji nawierzchni: nawierzchnie sztywne (sprężyste) wykonane z betonu cementowego, nawierzchnie podatne wykonane z betonu asfaltowego, nawierzchnie złożone (sprężysto podatne), w których konstrukcja sztywna jest wzmocniona warstwą z betonu asfaltowego. 1 Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Zakład Lotniskowy, Warszawa; ul. Księcia Bolesława 6. Tel: , Fax: , krzysztof.blacha@itwl.pl Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Zakład Lotniskowy, Warszawa; ul. Księcia Bolesława 6. Tel: , Fax: , mariusz.wesolowski@itwl.pl 015

2 Prawidłowa identyfikacja konstrukcji ma istotny wpływ na określanie nośności nawierzchni lotniskowych ze względu na fakt, iż sposób przekazywania obciążenia przez statki powietrzne na podłoże gruntowe jest zależny od rodzaju konstrukcji nawierzchni lotniskowej. W zależności od jej rodzaju oraz sposobu pracy, do wyrażenia charakteru oddziaływania statku powietrznego na nawierzchnię wykorzystuje się odpowiednie modele matematyczne, które zostały przedstawione w rozdziale 3. OCENA NOŚNOŚCI NAWIERZCHNI LOTNISKOWYCH METODĄ ACN-PCN Najdłużej i najpowszechniej stosowaną metodą oceny nośności nawierzchni lotniskowych była metoda LCN (Load Classification Number) wprowadzona w latach pięćdziesiątych XX wieku przez Organizację Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (International Civil Aviation Organization ICAO) [5]. Podstawą do opracowania tej metody były badania próbne przeprowadzane na istniejących nawierzchniach, w wyniku których ustalano obciążenia niszczące [9]. Według tej metody nośność nawierzchni charakteryzowana była przez bezwymiarową liczbę LCN, którą otrzymywało się w wyniku badań nawierzchni i relacji pomiędzy siłą niszczącą a powierzchnią, na którą rozkładano obciążenie. Metoda LCN była bardzo pracochłonna i wymagała stosowania dużych obciążeń siłowych (niszczących) przykładanych do nawierzchni. To zadecydowało między innymi o tym, że w roku 1983 ICAO wprowadziło nową metodę oceny nośności zwaną ACN-PCN [4]. W metodzie tej liczba klasyfikacyjna samolotu ACN (Aircraft Classification Number) wyraża względne oddziaływanie statku powietrznego na nawierzchnię lotniskową, gdy jest ustalona standardowa nośność podłoża gruntowego. ICAO określiła procedurę wyznaczania liczby ACN, która zakłada, że standardowymi wielkościami w procesie jej obliczania są: ciśnienie w oponie pojedynczego koła goleni głównej równe 1,5 MPa, dopuszczalne naprężenia zginające w płycie betonowej (dla nawierzchni sztywnych) równe,75 MPa, dopuszczalna liczba obciążeń w przypadku nawierzchni podatnych, nośność podłoża gruntowego opisywana w odniesieniu do nawierzchni sztywnych współczynnikiem reakcji podłoża k, zaś dla nawierzchni podatnych wskaźnikiem CBR. Liczbę ACN określa się wzorem: ACN P r (1) P r obciążenie równoważne w tysiącach kilogramów o takiej wartości, że niezbędna do jego przeniesienia grubość nawierzchni jest równa grubości wyznaczonej jak dla rzeczywistego obciążenia: qa P r q równomierne obciążenie o intensywności 1,5 MPa, rozłożone na powierzchni kołowej o promieniu a. Na nośność konstrukcji nawierzchni sztywnej mają wpływ: kształt i wymiary płyt betonowych, sposób ich przylegania do podłoża gruntowego oraz parametry wytrzymałościowe betonu. Nośność konstrukcji nawierzchni podatnej zależy od liczby i grubości warstw oraz właściwości fizykomechanicznych materiałów tych warstw. Szczególnie istotny wpływ mają moduły sztywności poszczególnych warstw konstrukcyjnych, odpowiadające im wartości współczynnika Poissona oraz stan połączeń międzywarstwowych, spękania w warstwach nawierzchni, woda infiltrująca w konstrukcję i podłoże gruntowe, a także temperatura warstw asfaltowych. Ważnym czynnikiem decydującym o zdolności nawierzchni do przejmowania obciążeń jest nośność podłoża gruntowego. Wiadomo, że obciążenie rozłożone przez konstrukcję nawierzchni działa na węższy obszar w przypadku wysokiej nośności podłoża, aniżeli w przypadku, gdy ta sama konstrukcja spoczywa na podłożu o niskiej nośności. Oznacza to istotne ograniczenie (w pierwszym ze wspomnianych przypadków) złożonego wpływu sąsiednich kół goleni samolotu. Jest to również zasadniczą przyczyną, dla której w celu określenia oddziaływania samolotu na nawierzchnię przez liczbę ACN 016

3 przyjęto w omawianej metodzie podział nośności podłoża na cztery kategorie: wysoką, średnią, niską i bardzo niską. Liczby ACN samolotu wyznacza się z uwzględnieniem standardowych wartości nośności podłoża gruntowego. Dla każdego statku powietrznego liczba ACN jest zbiorem liczb zależnych od rodzaju konstrukcji nawierzchni lotniskowej (sztywna i podatna) oraz nośności podłoża gruntowego. Tablice zawierające wartości liczb ACN najczęściej stosowanych typów statków powietrznych zostały podane w [10]. Liczba klasyfikacyjna nawierzchni PCN (Pavement Classification Number) wyraża nośność nawierzchni lotniskowej dla ograniczonej liczby przejazdów statków powietrznych o liczbie ACN=PCN. Jest ona równoważna 1/500 dopuszczalnego obciążenia (wyrażonego w kilogramach masy) przyłożonego do nawierzchni za pośrednictwem pojedynczego koła ze standardowym ciśnieniem równym 1,5 MPa. W ocenie nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych w wielu krajach wykorzystuje się procedury odwrotne do wymiarowania (back calculation) [4], [1]. W praktyce projektowania grubości warstw konstrukcyjnych nawierzchni lotniskowych stosuje się dwie grupy metod: empiryczne i teoretyczno-empiryczne. Metody empiryczne podają wzory lub wykresy do bezpośredniego obliczania grubości warstw i są ważne w warunkach, w których zostały zweryfikowane. Do najbardziej znanych należą metody: FAA (Federal Aviation Administration) [1], kanadyjska, francuska [4]. Istota wymiarowania metodami teoretyczno-empirycznymi polega na przyjęciu modelu obliczeniowego, jego analizie wytrzymałościowej i porównaniu obliczonych naprężeń lub odkształceń z wielkościami dopuszczalnymi. Metody korzystające z takiego algorytmu to m. in. metoda Shella, czechosłowacka, FAA, belgijska, rosyjska. W Polsce, do badania nośności nawierzchni lotniskowych stosuje się metody adoptowane za granicy [4], [6]. Dla nawierzchni podatnych, modelem obliczeniowym jest równoważny, sprężysty układ półprzestrzeni dwuwarstwowej. Moduły dla podłoża zaleca się określać poprzez przeprowadzenie badań z wykorzystaniem płyt pomiarowych bezpośrednio na gruncie lub w laboratorium, zaś moduły warstw określa się w badaniach laboratoryjnych. Dla nawierzchni sztywnych modelem jest płyta na podłożu Winklera, współczynnik reakcji podłoża zaleca się określać w badaniach bezpośrednich na gruncie. Aktualnie do oceny nośności nawierzchni lotniskowych, przeznaczonych dla lżejszych typów statków powietrznych, stosuje się ugięciomierz lekki typu FWD (Falling Weight Deflectometer), zaś do nawierzchni przeznaczonych dla cięższych typów samolotów stosuje się ciężki ugięciomierz udarowy typu HWD (Heavy Weight Deflectometer). Zasada działania urządzenia HWD jest taka sama jak FWD z tą jednak różnicą, że do pomiarów ugięć sprężystych badanych nawierzchni można wykorzystać dwie różne płyty naciskowe, tj. o średnicy 0,3 m i 0,45 m. Pomiar ugięć sprężystych nawierzchni lotniskowej jest realizowany pod wpływem dynamicznego obciążenia na zasadzie zrzutu określonej wartości ciężaru na płytę naciskową przylegającą do badanej nawierzchni. W momencie zrzutu obciążenia generowana jego wartość wynosi od 30 do 40 kn w zależności od rodzaju konstrukcji nawierzchni, a czas trwania jednego impulsu wynosi od 0,05 do 0,03 s. Przeliczeniowy nacisk jednostkowy na podłoże wynosi wówczas około 1,5 MPa. Do oceny nośności nawierzchni lotniskowej za pomocą ugięciomierza udarowego typu HWD wykorzystuje się zmierzoną czaszę ugięcia powierzchni badanej konstrukcji. Na podstawie czaszy ugięcia oraz znajomości grubości warstw konstrukcyjnych i charakterystyki materiałów, z których są wykonane, określane są moduły sprężystości poszczególnych warstw. Wynikiem pomiarów nawierzchni za pomocą urządzenia HWD są obwiednie maksymalnych wartości ugięć sprężystych zmierzonych przez wszystkie geofony. Ten zbiór wartości jest definiowany jako czasza ugięcia i przedstawia ją rysunek 1 []. 017

4 Rys. 1. Widok czaszy ugięcia z pomiarów urządzeniem HWD Wielkość ugięć w całej czaszy jest zależnością, którą opisuje poniższy wzór []: U i f h, E, () Ui wartość ugięcia badanej powierzchni w punkcie i, f zależność funkcyjna czynników składowych, h grubość poszczególnych warstw konstrukcyjnych nawierzchni, E moduł sprężystości poszczególnych warstw konstrukcyjnych nawierzchni i podłoża, ν współczynnik Poissona warstw konstrukcyjnych nawierzchni i podłoża. Rozkład ugięć badanej powierzchni zmienia się wraz ze zmianą grubości poszczególnych warstw konstrukcyjnych, ich sztywności oraz współczynnika Poissona. Największy wpływ na kształt całej czaszy ugięć ma sztywność podłoża. Zmiany sztywności podłoża gruntowego powodują przesunięcie całej czaszy ugięć w górę (większa sztywność podłoża) lub w dół (mniejsza sztywność podłoża), zatem bardzo istotnie wpływają na wartości ugięć we wszystkich punktach pomiarowych. Natomiast zmiany sztywności górnych warstw konstrukcyjnych nawierzchni i podbudowy, zmieniają kształt czaszy jedynie w określonej odległości od centrum przyłożonego obciążenia. Zmiany grubości górnych warstw nawierzchni wykazują tendencję zbliżoną do zmiany sztywności tej warstwy. Wpływ współczynnika Poissona na wielkość i kształt czaszy ugięć był przedmiotem wielu analiz []. Wartość współczynnika, w zależności od rodzaju materiału w warstwie, może zawierać się w przedziale od 0, do 0,5. Zróżnicowanie tego parametru w konstrukcji nawierzchni prowadzi do analogicznych skutków, jakie stwierdzono przy zmianie sztywności warstw i grubości. Ponadto, wnioski dotyczące wpływu współczynnika Poissona na ugięcia badanej powierzchni wynikają bezpośrednio z rozwiązania zagadnienia sformułowanego dla półprzestrzeni. W półprzestrzeni ugięcia są proporcjonalne do znanej formuły w postaci (3), z której wynika, że współczynnik Poissona ma niewielki wpływ na wartości ugięć []. 1 p r0 u uz r, z (3) E u ugięcie na powierzchni, ν współczynnik Poissona, p ciśnienie kontaktowe, r 0 promień powierzchni kontaktowej, E moduł sprężystości, u z (r, z) funkcja zależna tylko od współrzędnych przestrzennych. Na podstawie zarejestrowanych wartości ugięć nawierzchni lotniskowej wyznacza się moduły sprężystości materiałów poszczególnych warstw za pomocą iteracyjnego porównywania zmierzonych ugięć oraz ugięć teoretycznych tak, aby funkcja F miała wartość minimalną. W tym celu wykorzystuje się zależność: F k j1 ( w j u j ) (4) 018

5 F funkcja przybliżenia wartości rzeczywistych i teoretycznych, w j obliczone ugięcia nawierzchni w odległości r od środka płyty obciążającej, u j pomierzone ugięcia nawierzchni w odległości r od środka płyty obciążającej, k liczba geofonów (czujników pomiarowych opisujących czaszę ugięć) równa najczęściej 9. Wyniki przedstawiać można w postaci ugięć, modułów odkształcenia, modułów zastępczych lub w postaci nośności nawierzchni zgodnie z założeniami metody ACN-PCN. Moduły powierzchniowe, w zależności od odległości geofonów od środka płyty obciążającej, wyznacza się korzystając z następujących wzorów: 1 q a E0 0 (5) u 0 q a E0 (6) r ur E 0 (0) moduł powierzchniowy pod płytą obciążającą, E 0 (r) moduł powierzchniowy w odległości r od środka płyty obciążającej, E Z moduł zastępczy badanej nawierzchni, a promień płyty, współczynnik Poissona, u ugięcie w badanym punkcie (0 pod płytą obciążającą), q naprężenie pod płyta obciążającą. Dla szacunkowego określenia modułu zastępczego konstrukcji badanej nawierzchni lotniskowej, korzysta się ze skróconej wersji powyższych wzorów: 1 r q a E Z (7) u0 Na rysunku przedstawiono urządzenie HWD wykorzystywane przez ITWL do pomiarów ugięć sprężystych nawierzchni lotniskowych. Rys.. Urządzenie HWD podczas pomiarów ugięć nawierzchni lotniskowej W metodzie ACN-PCN pełna informacja o nośności nawierzchni lotniskowej powinna zawierać następujące dane: liczbę PCN, typ konstrukcji nawierzchni, kategorię nośności podłoża, kategorię ciśnienia w oponach, zastosowaną metodę oceny. Informację tę przedstawia się poprzez grupę symboli, co omówiono w podrozdziale 4.1, tablica

6 3 MODELE OBLICZENIOWE KONSTRUKCJI NAWIERZCHNI LOTNISKOWYCH Podstawowym problemem przy wymiarowaniu nawierzchni lotniskowych jest przyjęcie modelu obliczeniowego konstrukcji, opisującego właściwości mechaniczne poszczególnych warstw. Bardzo ważne jest, aby przyjęty model, charakteryzujący się danymi parametrami, zachowywał się pod wpływem działającego obciążenia w sposób możliwie zgodny z zachowaniem rzeczywistych warstw, do których opisu został zastosowany. Wraz z rozwojem nowych technologii i technik komputerowych w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat w metodach wymiarowania nawierzchni obserwuje się stałą ewolucję modeli konstrukcji nawierzchni lotniskowych. Coraz częściej znajdują zastosowanie modele bardziej skomplikowane pod względem zapisu matematycznego, ale jednocześnie coraz bardziej zbliżone do rzeczywistego zachowania się konstrukcji. W zależności od rodzaju konstrukcji nawierzchni lotniskowej oraz sposobu jej pracy, do wyrażenia charakteru oddziaływania statku powietrznego na nawierzchnię wykorzystuje się następujące modele matematyczne: model płyty o skończonych wymiarach w planie położonej na podłożu typu Winklera - dla nawierzchni sztywnej, model sprężystej półprzestrzeni warstwowej dla nawierzchni podatnej. Rozwiązanie modelu płyty o skończonych wymiarach w planie zostało opracowane przez Westergaarda [13]. Płyta w tym modelu jest opisana modułem sprężystości Younga E, współczynnikiem Poissona ν oraz grubością h, podłoże zaś współczynnikiem reakcji podłoża k. Rozwiązaniem modelu półprzestrzeni warstwowej zajmowali się m. in. Burmister, Kogan, Nowotny i Hanuška. W modelu tym warstwy i podłoże są opisane modułami sprężystości E i, współczynnikami Poissona ν i oraz grubościami h i. Dla sprężystej półprzestrzeni obciążonej powierzchniowo (nawierzchnia podatna) znane jest rozwiązanie Boussinesqueca. Dla nawierzchni o konstrukcji złożonej należy przeprowadzić analizę i ustalić, który element konstrukcji jest dominujący, nawierzchnie złożone należy kwalifikować do grupy nawierzchni sztywnych lub podatnych. W przypadkach wątpliwych klasyfikuje się je jako podatne. 3.1 Model nawierzchni lotniskowej na podłożu typu Winklera Nawierzchnię lotniskową o konstrukcji sztywnej, czyli w postaci płyt o skończonych wymiarach w planie położonych na bezinercyjnym podłożu typu Winklera, opisuje najczęściej wykorzystywany w światowej technice lotniskowej model Westergaarda. Westergaard, który opublikował po raz pierwszy swoją teorię projektowania nawierzchni z betonu cementowego w roku 197, rozważał płyty ćwierćnieskończone, uwzględniając trzy najbardziej charakterystyczne położenia obciążenia modelującego nacisk kół, a mianowicie położenie w narożu płyty, w środku i na jej krawędzi. Ww. przypadki obciążenia płyty przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Schematy obliczeniowe płyty według modelu Westergaarda Wyprowadzone przez niego wzory, które opisują stan naprężeń maksymalnych w płycie dla wymienionych przypadków obciążeń, mają następującą postać [8], [7], [11]: dla położenia I: 00

7 dla położenia II: dla położenia III: P obciążenie płyty [kn], h grubość płyty [m], współczynnik Poissona, l promień względnej sztywności płyty: 0,6 3P a r 1 (8) h l l 1 4log 1, P r 0, (9) h b P l 0,540 4log 0, r 0, (10) h b l E h k E moduł sprężystości płyty [MPa], k współczynnik reakcji podłoża [MPa/m], a promień koła styku opony z nawierzchnią [m] b promień równoważny, uwzględniający rozkład obciążeń w dolnej części płyty [m], 1,6 a h 0, h b 675, gdy a 1,74h, b = a, gdy a 1,74h. Westergaard podał również zależności do obliczania naprężeń od temperatury. Model Westergaarda jest wykorzystywany w takich metodach wymiarowania, jak metoda PCA (Portland Cement Association), starsza wersja metody FAA (Federal Aviation Administration), metoda francuska, czechosłowacka oraz metoda brytyjska (LCN-LCG). Jego wzory znalazły również praktyczne zastosowanie w metodzie wymiarowania OSŻD (Organizacja Sotrudniczestwa Żelaznych Dorog Organizacja Współpracy Kolei). 3. Model nawierzchni lotniskowej na uwarstwionej półprzestrzeni sprężystej W modelu nawierzchni lotniskowej na uwarstwionej półprzestrzeni sprężystej każda warstwa ma nieograniczony wymiar w płaszczyźnie poziomej i jest scharakteryzowana przez grubość h i, moduł sprężystości E i i współczynnik Poissona ν i. Warstwy te są ułożone na półprzestrzeni sprężystej (podłożu), która jest opisana modułem sprężystości E 1 i współczynnikiem Poissona ν 1 oraz ma nieograniczony wymiar w płaszczyźnie poziomej i pionowej, czyli h 1. Model ten szczegółowo przedstawia rysunek 4. 3 Rys. 4. Model sprężystej półprzestrzeni warstwowej 01

8 Model w postaci sprężystej półprzestrzeni uwarstwionej jest jednym z bardziej adekwatnych do rzeczywistości modeli nawierzchni i jest coraz częściej wykorzystywany w technice lotniskowej. Jest on wykorzystywany między innymi w metodach wymiarowania i projektowania wzmocnień: FAA, Shella oraz w metodzie czechosłowackiej. Model ten wykorzystuje również Szydło, Pilujski, Pownug [8] w zagadnieniu identyfikacji nawierzchni lotniskowych metodą statyczną. Opisane modele służą do opisu zjawisk statycznych. Pojawienie się nowych metod w problemie identyfikacji nośności nawierzchni, testów udarowych i harmonicznych było inspiracją do tworzenia modeli dynamicznych. W dotychczasowej praktyce zwykle pomijano wpływ zjawisk falowych na trwałość konstrukcji nawierzchni. Wynikało to zarówno z niedocenienia tego wpływu, jak i z trudności natury obliczeniowej [3]. W rzeczywistych układach warstwowych występują złożone zjawiska dynamiczne, wśród nich wyodrębnić można powstawanie różnego rodzaju fal: poprzecznych, podłużnych, powierzchniowych Rayleigh a i fal Love a [11]. Fale te po dojściu do granicy warstw o różnych własnościach fizycznych doznają załamania i odbicia, wynikiem czego jest pojawienie się nowych zaburzeń. Dlatego też opisana sytuacja stwarza konieczność wybrania drogi pośredniej, polegającej na znalezieniu relacji między wynikami testów dynamicznych, a wynikami badań statycznych, na podstawie, których można już dokonać identyfikacji parametrów układu, wykorzystując jeden z opisanych modeli bezinercyjnych. 4 PREZENTACJA WYNIKÓW NOŚNOŚCI 4.1 Nośność nawierzchni lotniskowych wyrażana wskaźnikiem PCN Zgodnie z przyjętymi ustaleniami, w metodzie ACN-PCN nośność nawierzchni lotniskowej opisana jest przez grupę symboli przedstawiającą poszczególne parametry konstrukcji oraz informującą o metodzie wyznaczania liczby PCN, np. PCN 48/R/B/X/T. Podany przykładowo zapis oznacza nawierzchnię sztywną (R) na podłożu gruntowym o średniej nośności (B), mającą powierzchniową warstwę zdolną do przejęcia nacisku do 1,5 MPa (X). Określenie wskaźnika PCN zostało wykonane metodą techniczną (T), z wykorzystaniem ugięciomierza udarowego. Zatem taką nawierzchnię lotniskową bez ograniczeń mogą użytkować statki powietrzne, których liczba ACN jest nie większa niż przykładowa liczba PCN równa 48. Na przykład liczba ACN dla samolotu klasy Airbus A30-00 jest równa 46, zatem może on bezpiecznie wykonywać starty i lądowania na przedstawionej w przykładzie nawierzchni lotniskowej. Szczegółowy sposób interpretacji ww. zapisu przedstawiono w tablicy 1. Tab. 1. Sposób interpretacji zapisu wskaźnika PCN 1 Bezwymiarowa liczba PCN Rodzaj nawierzchni R Sztywna 3 Kategoria gruntu (dla nawierzchni sztywnych k, dla nawierzchni podatnych CBR) 4 Dopuszczalne ciśnienie w oponach samolotu 5 Metoda oceny F Podatna A duża nośność k>10 MN/m 3 CBR>13 B średnia nośność MN/m C niska nośność 5 60 MN/m D bardzo niska nośność k<5 MN/m 3 CBR<4 W X Y Z T U bez ograniczeń średnie do 1,5 MPa niskie do 1,0 MPa bardzo niskie do 0,5 MPa metoda techniczna metoda doświadczalna Sprawdzenie, czy dany samolot może bezpiecznie operować na danym lotnisku, polega więc na porównaniu liczby PCN nawierzchni dla poszczególnych elementów funkcjonalnych lotniska oraz liczby ACN samolotu. Należy podkreślić, że ICAO w Aneksie 14, w załączniku A, pkt 19 [3], 0

9 Liczba dopuszczalnych operacji lotniczych wprowadziła ograniczenia w ruchu statków powietrznych przekraczających nośność (powodujących przeciążenie) danej nawierzchni, gdy relacja ACN>PCN. 4. Nośność nawierzchni lotniskowych wyrażana dopuszczalną liczbą operacji lotniczych Analizę nośności nawierzchni lotniskowych można również przeprowadzić dla założonego z góry wskaźnika PCN. W takim przypadku jako wynik nośności podaje się liczbę dopuszczalnych operacji lotniczych, którą wyznacza się dla określonej liczby powtórzeń obciążenia N. Liczba dopuszczalnych powtórzeń obliczana jest w zależności od przyjętego modelu obliczeniowego ocenianej konstrukcji nawierzchni lotniskowej. Dla nawierzchni sztywnych, wykonanych z betonu cementowego, stosuje się następującą formułę wynikającą z kryterium dopuszczalnych naprężeń: 1/ R zg E 4 N 10 (11) R zg wytrzymałość betonu na rozciąganie przy zginaniu [MPa], σ naprężenia rozciągające przy zginaniu wyznaczone w dolnej części płyty betonowej [MPa], E moduł sprężystości betonu [MPa]. Natomiast dla nawierzchni podatnych, wykonanych w technologii betonu asfaltowego, należy stosować poniżej podany wzór wynikający z kryterium dopuszczalnych odkształceń: R zg E 4 N R zg wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu podłoża [MPa], σ naprężenia rozciągające przy zginaniu wyznaczone dla podłoża [MPa], E moduł sztywności podłoża [MPa]. Określoną w ten sposób liczbę powtórzeń obciążenia N dla ocenianej konstrukcji nawierzchni lotniskowej wykorzystuje się do wyznaczenia dopuszczalnej liczby operacji lotniczych. Wartości stosowanych współczynników przeliczeniowych w zależności od rodzaju i typu podwozia głównego statku powietrznego oraz ciśnienia w jego oponach podano w [14]. Na tej podstawie można określić zależność wskaźnika PCN od liczby dopuszczalnych operacji lotniczych, co przedstawiono graficznie na rysunku 5. (1) Wskaźnik PCN Rys. 5. Zależność wskaźnika PCN od liczby dopuszczalnych operacji lotniczych 03

10 WNIOSKI Nośność jest jednym z najważniejszych parametrów wpływających na ocenę stanu technicznego konstrukcji nawierzchni lotniskowych. Przedstawiona w artykule metoda oceny nośności nawierzchni lotniskowych (ACN-PCN) jest metodą nieniszczącą, dynamiczną oraz bardzo efektywną. Umożliwia również klasyfikację nośności nawierzchni na podstawie wyników badań reologicznych materiału warstw i tym samym precyzyjne prognozowanie czasu eksploatacyjnego nawierzchni przy znanych prognozach naziemnego ruchu lotniczego statków powietrznych. Nośność nawierzchni lotniskowych może być wyrażana wskaźnikiem PCN lub dopuszczalną liczbą operacji lotniczych. W obydwu przypadkach istotną rolę odgrywa liczba dopuszczalnych powtórzeń obciążenia N, która bezpośrednio wpływa na wartość nośności. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż liczba powtórzeń obciążenia N jest liczbą ograniczoną. Niewłaściwe jest zatem stwierdzenie, podczas określania wskaźnika PCN dla nawierzchni lotniskowych, mówiące o nieograniczonej liczbie powtórzeń obciążenia, czy też nieograniczonej liczbie dopuszczalnych operacji lotniczych. W naszym kraju, przyjmuję się, że nawierzchnie lotniskowe o konstrukcji podatnej projektuje się na 0 letni okres eksploatacji, natomiast nawierzchnie o konstrukcji sztywnej na okres 30 letni. Stosowane na świecie metody projektowania konstrukcji nawierzchni lotniskowych z uwzględnieniem wyżej podanych okresów eksploatacji zakładają trzy kategorie natężenia ruchu lotniczego, dla których określono nominalne liczby operacji lotniczych [14]: niskie operacji lotniczych, średnie operacji lotniczych, wysokie operacji lotniczych. W związku z powyższym, należy stwierdzić, że istnieje ścisła zależność wskaźnika nośności PCN od liczby dopuszczalnych operacji lotniczych przy określaniu nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN. Streszczenie Konstrukcje nawierzchni lotniskowych są projektowane na określony okres eksploatacji przy założeniu prognozowanego natężenia i struktury ruchu lotniczego. Bezpieczeństwo wykonywania operacji lotniczych przez statki powietrzne na nawierzchniach lotniskowych zależy przede wszystkim od stanu nośności ich konstrukcji. W związku z powyższym, kontrolne badania nośności należy przeprowadzać okresowo, gdyż informacja o aktualnym stanie eksploatacyjnym nawierzchni lotniskowej stanowi podstawę do podejmowania decyzji o rodzajach statków powietrznych dopuszczonych do ruchu, intensywności ruchu lotniczego oraz terminach rozpoczęcia prac remontowych lub modernizacyjnych. Aktualnie do oceny nośności nawierzchni lotniskowych stosuje się metodę ACN-PCN, która została wprowadzona przez ICAO. Zgodnie z jej założeniami, nośność konstrukcji nawierzchni lotniskowych może być wyrażona wskaźnikiem PCN lub liczbą dopuszczalnych operacji lotniczych. W artykule przedstawiony został sposób wyznaczania i opisu wskaźnika PCN. Zaprezentowano także możliwość przedstawienia wyników nośności poprzez określenie dopuszczalnej liczby operacji lotniczych. Ponadto, przedstawiono graficznie zależność wskaźnika nośności PCN od liczby dopuszczalnych operacji lotniczych. Interrelation between PCN and permissible number of air operations by assessment of airfield pavement bearing capacity by the use of the ACN-PCN method Abstract Structures of airfield pavements are designed for a definite exploitation period on the assumption of predicted volume and structure of the air traffic. Safety of air operations conducted by aircrafts on airfield pavements depends mainly on the state of bearing capacity of their construction. Due to the above, control tests of bearing capacity shall be periodically conducted, since information regarding the current state of an airfield pavement constitutes the basis for decisions concerning the types of aircrafts permitted to land and take off, traffic volume and dates of starting renovation or modernization works. 04

11 The ACN-PCN method is currently used in the assessment of airfield bearing capacity, which has been introduced by ICAO. According to its assumptions, the airfield construction bearing capacity may be expressed in PCN or permissible number of air operations. This paper contains the way of assessing and description of PCN as well as presentation of the possibility of expressing bearing capacity results by determination of permissible number of air operations. There is also interrelation between PCN and the permissible number of air operations presented in a graphic way. BIBLIOGRAFIA 1. FAA, Advisory Circular 150/530-1c Graczyk M., Nośność konstrukcji nawierzchni wielowarstwowych w krajowych warunkach klimatycznych. Studia i materiały, Zeszyt 63, IBDiM, Warszawa Graczyk M., Rafa J., Model konstrukcji nawierzchni, uwzględniający zjawiska falowe, w ujęciu quasi dynamicznym. Drogi i Mosty nr 1/00, IBDiM, Warszawa ICAO, Aerodrome Design Manual, Part 3, Pavements ICAO, Aerodrome Manual, Second Edition, Part, Aerodrome Physical Characteristics. Montreal Marszałek J., Budowa lotnisk. Część I. Projektowanie geometryczne. Skrypt WAT, Warszawa Marszałek J., Budowa lotnisk. Część II. Obliczanie nawierzchni. Skrypt WAT, Warszawa Nita P., Betonowe nawierzchnie lotniskowe. Teoria i wymiarowanie konstrukcyjne. Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa, Nita P., Budowa i utrzymanie nawierzchni lotniskowych. WKŁ, Warszawa 1999, NO-17-A500:007 Nawierzchnie drogowe i lotniskowe. Badanie nośności. 11. Szydło A., Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego, Teoria, Wymiarowanie, Realizacja. Polski Cement Sp. z o.o., Kraków Wesołowski M., Grabowski P., Wpływ warunków klimatycznych na nośność betonowych nawierzchni lotniskowych. Drogi Lądowe Powietrzne Wodne nr 5/ Westergaard H.M., Stress concentrations in plates loaded over small areas. Transformation ASCE, vol. 108, 1943, str Directorate of Civil Engineering Services Property Services Agency Department of the Environment Apollo House, A Guide to Airfield Pavement Design and Evaluation, United Kingdom