OCENA NOŚNOŚCI KONSTRUKCJI NAWIERZCHNI LOTNISKOWYCH METODĄ ACN-PCN

Transkrypt

1 Mariusz WESOŁOWSKI Krzysztof BLACHA Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 35, s. 5 21, 2014 r. DOI /afit OCENA NOŚNOŚCI KONSTRUKCJI NAWIERZCHNI LOTNISKOWYCH METODĄ ACN-PCN 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 tym, 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 Organizację Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego ICAO (International Civil Aviation Organization). W artykule przedstawiony został sposób wyznaczania i opisu wskaźnika PCN. Słowa kluczowe: nawierzchnie lotniskowe, konstrukcje nawierzchni, modele obliczeniowe, wskaźnik nośności PCN. 1. Wstęp Konstrukcję nawierzchni lotniskowej stanowią najczęściej zespoły 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 podstawowych cech eksploatacyjnych nawierzchni lotniskowej jest jej nośność. Przez pojęcie nośności rozumie się zdolność układu konstrukcyjnego do bezpiecznego 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 [2, 8, 12].

2 6 Mariusz WESOŁOWSKI, Krzysztof BLACHA W przypadku nawierzchni wykonanych z betonu cementowego jako najważniejsze można wymienić: liczbę operacji lotniczych odbywających się lub planowanych na danej nawierzchni, wytrzymałość betonu na rozciąganie przy zginaniu, przekrój konstrukcji nawierzchni, rodzaj, zagęszczenie, wilgotność podłoża gruntowego, temperaturę podczas prowadzonych badań, rzeczywiste warunki eksploatacji nawierzchni. Pierwsze trzy parametry można określić jako stałe lub niezmienne w krótkim czasie. Natomiast 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. Biorąc pod uwagę względy bezpieczeństwa użytkowania nawierzchni, standardowo przyjmuje się, że badania nośności powinny być wykonywane w okresie wiosennym lub późnojesiennym, nie powinno zaś się ich wykonywać zimą. Informacja o stanie eksploatacyjnym nawierzchni stanowi podstawę do podejmowania decyzji o rodzajach statków powietrznych dopuszczonych do ruchu, intensywności ruchu oraz terminach prac remontowych lub modernizacyjnych przedmiotowej nawierzchni lotniskowej. Do przeprowadzenia pełnej analizy nośności nawierzchni lotniskowej niezbędna jest identyfikacja parametrów fizykomechanicznych materiałów poszczególnych jej warstw konstrukcyjnych i podłoża gruntowego. Identyfikacja powinna uwzględniać rzeczywiste warunki pracy nawierzchni. Mając na uwadze ocenę stanu eksploatacyjnego nawierzchni lotniskowych, niezbędne jest prowadzenie okresowych badań nośności. 2. Konstrukcje nawierzchni lotniskowych Doświadczenia pracowników Zakładu Lotniskowego Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych (ITWL) zdobyte w ciągu kilkudziesięciu lat 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,

3 Ocena nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN 7 nawierzchnie złożone (sprężysto-podatne), w których konstrukcja sztywna jest wzmocniona warstwą z betonu asfaltowego. Prawidłowa identyfikacja konstrukcji ma istotny wpływ na określanie nośności nawierzchni lotniskowych. Wynika to z faktu, 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 dalszej części artykułu. 3. Metoda oceny nośności nawierzchni lotniskowych ACN-PCN Metoda oceny nośności nawierzchni lotniskowych ACN-PCN wprowadzona została w roku 1983 przez Organizację Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (International Civil Aviation Organization ICAO) [5]. 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. Wyznaczanie liczby ACN odbywa się według określonej przez ICAO procedury, która zakłada, że standardowymi wielkościami w procesie jej obliczania są: ciśnienie w oponie pojedynczego koła głównego równe 1,25 MPa, dopuszczalne naprężenia zginające w płycie betonowej (dla nawierzchni sztywnych) równe 2,75 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 = 2 P r (1) gdzie: 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: P r 2 = π q a

4 8 Mariusz WESOŁOWSKI, Krzysztof BLACHA gdzie: q równomierne obciążenie o intensywności 1,25 MPa, rozłożone na powierzchni kołowej o promieniu a. Nośność nawierzchni lotniskowych uzależniona jest od wielu czynników. W przypadku konstrukcji nawierzchni sztywnej wpływ mają: 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 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. Na tej podstawie, w celu określenia oddziaływania samolotu na nawierzchnię przez liczbę ACN przyjęto w omawianej metodzie podział nośności podłoża na cztery kategorie: wysoką, średnią, niską i bardzo niską. W tabeli 1 przedstawiono zakresy nośności podłoża charakterystyczne dla tych kategorii oraz przyjęte wartości standardowe, różnicując wielkości fizyczne opisujące ten parametr ze względu na typ nawierzchni. Liczby ACN samolotu wyznacza się z uwzględnieniem standardowych wartości nośności podłoża gruntowego. Zakresy nośności podłoża dla nawierzchni lotniskowych Kategoria nośności podłoża Wysoka nośność Średnia nośność Niska nośność Bardzo niska nośność Zakres nośności podłoża 3 k [ MN / m ] CBR [%] > 120 > < 25 < 4 Tabela 1 Standardowa nośność podłoża 3 k [ MN / m ] CBR [%]

5 Ocena nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN 9 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 [9]. 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 w oponie równym 1,25 MPa. W ocenie nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych w wielu krajach wykorzystuje się procedury odwrotne do wymiarowania (back calculation) [1, 5]. W praktyce projektowania grubości warstw konstrukcyjnych nawierzchni lotniskowych stosowane są dwie grupy metod: empiryczne i teoretyczno-empiryczne. Istota metod teoretyczno-empirycznych 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. 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 i francuska [5]. W grupie metod empirycznych w ocenie nośności korzysta się z odwrotnej procedury do wymiarowania metodą CBR. Sposób ten jest stosowany w USA, Francji, Kanadzie [1, 5]. Grubość konstrukcji w przeliczeniu na tłuczeń oblicza się z zależności empirycznej: h = tα P A 8,1 CBR π (2) gdzie: h równoważna grubość konstrukcji nawierzchni w tłuczniu (w calach), P obciążenie równoważne jednokołowe (w funtach), CBR nośność podłoża (w %), A powierzchnia styku koła z nawierzchnią (w calach kwadratowych), t α współczynnik zależny od powtarzalności obciążeń i liczby kół w goleni, przyjmujący różne wartości dla różnych typów statków powietrznych. W tej metodzie identyfikacji podlegają grubości warstw, które przelicza się na tłuczeń oraz wskaźnik nośności podłoża CBR określony na podstawie próbek

6 10 Mariusz WESOŁOWSKI, Krzysztof BLACHA gruntu pobranych spod konstrukcji nawierzchni. Mając wyznaczone te parametry, określa się ze wzoru (2) wartość dopuszczalnego obciążenia, a następnie rodzaj eksploatowanego samolotu i jego liczbę ACN. Przyjmuje się, że wskaźnik nośności nawierzchni PCN jest równy liczbie ACN. W metodzie tej są podane zależności pomiędzy nośnością podłoża a grubością warstw w przeliczeniu na tłuczeń. W obliczaniu nośności nawierzchni lotniskowej algorytm postępowania jest podobny jak w metodzie CBR. Do wymiarowania nawierzchni lotniskowych wykonanych z betonu cementowego stosuje się model Westergaarda, czyli płytę ułożoną na podłożu typu Winklera, opisanym współczynnikiem reakcji podłoża k [5]. W tym modelu identyfikacji podlegają moduł sprężystości płyty betonowej oraz współczynnik reakcji podłoża, który jest wyznaczany podczas bezpośredniego pomiaru na gruncie. Płytę o średnicy 0,76 m obciąża się taką siłą, aby uzyskać jej przemieszczenie równe 1,25 mm. Stosunek pomierzonej siły do przemieszczenia wyznacza współczynnik reakcji podłoża. Sposób ten jest stosowany m.in. w USA, Kanadzie i Francji [1, 5]. Moduł sprężystości płyty betonowej jest wyznaczany w laboratorium na próbkach walcowych, pobranych z konstrukcji badanej nawierzchni. Nośność oblicza się, wyznaczając dopuszczalne obciążenie przyłożone do nawierzchni, które nie spowoduje uszkodzeń nawierzchni w założonym czasie, tj. dla określonej liczby powtórzeń. Dla dopuszczalnego obciążenia określa się typ użytkowanego statku powietrznego. Wskaźniki nośności PCN dla nawierzchni określa się poprzez porównanie ze wskaźnikami ACN dopuszczonego do eksploatacji samolotu. W Polsce do badania nośności nawierzchni lotniskowych stosuje się metody adaptowane z zagranicy [5]. W przypadku 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 przyle-

7 Ocena nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN 11 gającą do badanej nawierzchni. W momencie zrzutu obciążenia generowana jego wartość wynosi od 30 do 240 kn w zależności od rodzaju konstrukcji nawierzchni, a czas trwania jednego impulsu wynosi od 0,025 do 0,03 s. Przeliczeniowy nacisk jednostkowy na podłoże wynosi wówczas około 1,25 MPa. W czasie pomiaru geofony (najczęściej dziewięć) zamontowane na listwie pomiarowej i centralnie pod płytą obciążającą urządzenia rejestrują ugięcia badanej nawierzchni. Maksymalna odległość punktu pomiarowego od środka płyty obciążającej wynosi 2,5 m. Obsługa urządzenia jest w pełni zautomatyzowana. 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 rys. 1 [2]. Rys. 1. Widok czaszy ugięcia z pomiarów urządzeniem HWD Wielkość ugięć w całej czaszy jest zależnością, którą opisuje poniższy wzór [2]: ( h,e,ν ) U i = f (3) gdzie: U i wartość ugięcia badanej powierzchni w punkcie i, f zależność funkcyjna czynników składowych, h grubość poszczególnych warstw konstrukcyjnych nawierzchni,

8 12 Mariusz WESOŁOWSKI, Krzysztof BLACHA E moduł sprężystości poszczególnych warstw konstrukcyjnych nawierzchni i podłoża, ν współczynnik Poissona warstw konstrukcyjnych nawierzchni i podłoża. Wraz ze zmianą grubości poszczególnych warstw konstrukcyjnych, ich sztywności oraz współczynnika Poissona, zmienia się rozkład czaszy ugięć badanej nawierzchni. Największy wpływ na kształt całej czaszy ugięć ma sztywność podłoża. Zmiany sztywności podłoża gruntowego bardzo istotnie wpływają na wartości ugięć we wszystkich punktach pomiarowych. Powodują przesunięcie całej czaszy ugięć w górę (większa sztywność podłoża) lub w dół (mniejsza sztywność podłoża). 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 [2]. Wartość współczynnika, w zależności od rodzaju materiału w warstwie, może zawierać się w przedziale od 0,2 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 (4), z której wynika, że współczynnik Poissona ma niewielki wpływ na wartości ugięć [2]. ( 1 ν ) 2 2 p r u = 0 uz, E ( r z) (4) gdzie: 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:

9 Ocena nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN 13 F = k j = 1 2 ( w j u j ) (5) gdzie: 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: E0 2 2 ( ) ( 1 ν ) 0 = u ( 0) q a (6) E ν q a ( ) ( r = r u )( r ) (7) gdzie: 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, ν współczynnik Poissona, u ugięcie w badanym punkcie (0 pod płytą obciążającą), q naprężenie pod płytą obciążającą. Do szacunkowego określenia modułu zastępczego konstrukcji badanej nawierzchni lotniskowej korzysta się ze skróconej wersji powyższych wzorów: E Z 2 q a = (8) u ( 0)

10 14 Mariusz WESOŁOWSKI, Krzysztof BLACHA Na rys. 2 przedstawiono urządzenie HWD wykorzystywane przez ITWL do pomiarów ugięć sprężystych nawierzchni lotniskowych. Rys. 2. 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. 4. 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

11 Ocena nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN 15 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 Boussinesqa. 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 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 1927, rozważał płyty ćwierćnieskończone (wymiary płyty: długość i szerokość są nieokreślone), uwzględniając trzy najbardziej charakterystyczne położenia obciążenia modelującego nacisk kół, a mianowicie położenie w narożu płyty, w środku i na jej krawędzi. Opisane przypadki obciążenia płyty przedstawiono na rys. 3.

12 16 Mariusz WESOŁOWSKI, Krzysztof BLACHA 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 [6, 7, 10]: dla położenia I: 0,6 3P a 2 σ r = 1 (9) 2 h l dla położenia II: dla położenia III: gdzie: P obciążenie płyty [kn], h grubość płyty [m], ν współczynnik Poissona, P l σ r = 0,275 ( 1+ ν ) 4log + 1, (10) h b P l σ r = 0,529( 1+ 0,540ν ) 4log + 0, (11) h b l promień względnej sztywności płyty: 3 E h l = 4 12 k 2 ( 1 ν ) 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],

13 Ocena nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN ( 1,6 a + h ) 0, h b = 675, gdy a< 1,724h, b = a, gdy a > 1,724h. 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). Należy także zaznaczyć, że zastosowanie modelu Westergaarda jest ograniczone w sytuacji, gdy płyta spoczywa na układzie warstwowym, np. na starej nawierzchni. Wówczas pojawia się problem oszacowania wartości współczynnika reakcji podłoża k. Ponadto, model podłoża typu Winklera nie umożliwia obliczania naprężeń i odkształceń w podłożu. Większość kryteriów odnoszących się do podłoża jest związana z modułem sprężystości i wartością oddziałującego naprężenia pionowego 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 rys. 4. Rys. 4. Model sprężystej półprzestrzeni warstwowej

14 18 Mariusz WESOŁOWSKI, Krzysztof BLACHA 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 m.in. w metodach wymiarowania i projektowania wzmocnień: FAA, Shella oraz w metodzie czechosłowackiej. Model ten wykorzystują również Szydło, Pilujski, Pownug [7, 11] w zagadnieniu identyfikacji nawierzchni lotniskowych metodą statyczną. Omówione 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. Próby takie były podejmowane np. przez Borkowskiego i zespół [3]. 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 [4]. W rzeczywistych układach warstwowych występują złożone zjawiska dynamiczne, wśród nich wyodrębnić można powstawanie różnego rodzaju fal: poprzecznych, podłużnych, powierzchniowych Rayleigha i fal Love a [10]. 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. 5. Prezentacja wyników nośności Zgodnie z przyjętymi ustaleniami, w metodzie ACN-PCN nośność nawierzchni lotniskowej opisana jest przez grupę symboli przedstawiających poszczególne parametry konstrukcji oraz informujących 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 A jest równa 46, zatem może on bezpiecznie wykonywać starty i lądowania na przedstawionej w przykładzie nawierzchni lotniskowej. Szczegółowy sposób interpretacji omówionego zapisu przedstawiono w tabeli 2.

15 Ocena nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN 19 Sposób interpretacji zapisu wskaźnika PCN Tabela 2 1 Bezwymiarowa liczba PCN 2 Rodzaj nawierzchni 3 4 Kategoria gruntu (dla nawierzchni sztywnych k, dla nawierzchni podatnych CBR) Dopuszczalne ciśnienie w oponach samolotu 5 Metoda oceny R F Sztywna Podatna A duża nośność k >120 MN/m 3 CBR>13 B średnia nośność MN/m C niska nośność MN/m D W X Y Z T U bardzo niska nośność k<25 MN/m 3 CBR<4 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 zatem na porównaniu liczby PCN nawierzchni dla poszczególnych elementów funkcjonalnych lotniska oraz liczby ACN samolotu. Należy również zwrócić uwagę, że ICAO w Aneksie 14, w załączniku A, pkt 19 [4], wprowadziła ograniczenia w ruchu samolotów przekraczających nośność (powodujących przeciążenie) danej nawierzchni, gdy ACN>PCN: dla nawierzchni sztywnych lub złożonych, których warstwa sztywna stanowi główny element konstrukcji jest dopuszczalny ograniczony (sporadyczny) ruch samolotów, gdy relacja ACN>PCN przekroczona jest nie więcej niż o 5%, dla nawierzchni podatnych dopuszczalny jest ograniczony (sporadyczny) ruch samolotów, dla których relacja ACN>PCN przekroczona jest nie więcej niż o 10%, roczna liczba przeciążeń nie powinna przekraczać 5% całkowitej rocznej liczby operacji na danym elemencie funkcjonalnym nawierzchni.

16 20 Mariusz WESOŁOWSKI, Krzysztof BLACHA 6. Podsumowanie i 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 wytrzymałościowych materiałów poszczególnych warstw konstrukcyjnych uzyskanych w warunkach laboratoryjnych, i tym samym precyzyjne prognozowanie czasu eksploatacyjnego nawierzchni przy znanych prognozach naziemnego ruchu lotniczego statków powietrznych. W naszym kraju, przyjmuje się, że nawierzchnie lotniskowe o konstrukcji podatnej projektuje się na 20-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. Zgodnie z założeniami metody ACN-PCN, nośność konstrukcji nawierzchni lotniskowych wyraża się wskaźnikiem PCN, którego sposób wyznaczania przedstawiono w niniejszym artykule. Literatura 1. FAA, Advisory Circular 150/ c Graczyk M.: Nośność konstrukcji nawierzchni wielowarstwowych w krajowych warunkach klimatycznych. Studia i materiały, zeszyt 63, IBDiM, Warszawa Graczyk M., Rafa J.: Badanie nośności nawierzchni lotniskowych urządzeniem UL-1. Drogownictwo 1993, nr Graczyk M., Rafa J.: Model konstrukcji nawierzchni, uwzględniający zjawiska falowe, w ujęciu quasi dynamicznym. Drogi i Mosty nr 1, IBDiM, Warszawa ICAO, Aerodrome Design Manual, Part 3, Pavements 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 2005.

17 Ocena nośności konstrukcji nawierzchni lotniskowych metodą ACN-PCN Nita P.: Nawierzchnie lotniskowe z prefabrykowanych płyt wstępnie sprężonych. Rozprawa Habilitacyjna, Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Warszawa NO-17-A500:2007 Nawierzchnie drogowe i lotniskowe. Badanie nośności. 10. Szydło A.: Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego, Teoria, Wymiarowanie, Realizacja. Polski Cement Sp. z o.o., Kraków Szydło A.: Statyczna identyfikacja parametrów modeli nawierzchni lotniskowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Wesołowski M., Grabowski P.: Wpływ warunków klimatycznych na nośność betonowych nawierzchni lotniskowych. Drogi: lądowe, powietrzne, wodne 2009, nr Westergaard H.M.: Stress concentrations in plates loaded over small areas. Transformation ASCE 1943, vol Directorate of Civil Engineering Services Property Services Agency Department of the Environment Apollo House: A Guide to Airfield Pavement Design and Evaluation, United Kingdom 1989.