Hodnotenie únosnosti letiskových vozoviek na základe posúdenia ich technického stavu

Údaj o únosnosti vozoviek pohybových plôch letiska je dôležitým parametrom umožňujúcim stanoviť akceptovateľné druhy lietadiel z hľadiska optimalizácie prevádzky a zabezpečenia životnosti vozoviek.

V prípade letiskových vozoviek je ich únosnosť charakterizovaná parametrom PCN (Pavement Classification Number – klasifikačné číslo vozovky). Jeho číslo špecifikuje únosnosť vozovky pre neobmedzené operácie a vyjadruje jednu päťstotinu zaťaženia, ktoré dokáže vozovka preniesť pri zaťažení jedným kolesom s pneumatikou s hustením 1,25 MPa.

Stanovená hodnota PCN sa obvykle používa ako limit, ktorý stanovuje, že danú vozovku by mali používať iba lietadlá, ktorých parameter ACN (Aircraft Classification Number – klasifikačné číslo lietadla), vyjadrujúci účinok daného lietadla na vozovku, je rovný alebo menší ako hodnota PCN.

Hodnota PCN letiskovej vozovky sa zvyčajne stanovuje metódou ACN-PCN. Táto metóda je však v [1] aj [2] určená iba ako metóda, ktorú môžu prevádzkovatelia letísk použiť len na vyhodnotenie prijateľných operácií lietadiel. Nie je určená na navrhovanie alebo hodnotenie vozovky. Princíp stanovenia PCN letiskovej vozovky touto metódou spočíva v určení hodnoty ACN pre všetky lietadlá, ktoré majú dovolené používať vozovku, pričom najväčšia hodnota ACN sa vykazuje ako PCN.

Metóda ACN-PCN si nevyžaduje podrobné znalosti o konštrukcii vozovky a parametroch jej vrstiev, čo môže viesť k nadhodnoteniu únosnosti vozovky a jej rýchlej degradácii (ak stanovená hodnota PCN bude zodpovedať ACN lietadla nadmerne poškodzujúceho vozovku), alebo k podhodnoteniu únosnosti vozovky a jej nehospodárnemu využitiu tým, že sa zabráni prevádzke prijateľnej dopravy, hoci by vozovka dokázala preniesť väčšie zaťaženie ako to, ktoré zodpovedá najväčšej hodnote ACN lietadiel využí­vajúcich vozovku v danom čase.

Stanovenie hodnoty PCN letiskových vozoviek na základe posúdenia ich technického stavu umožňuje využiť rovnaké princípy, aké sa používajú pri návrhu vozoviek. Do úvahy sa berú parametre vrstiev vozovky (ich hrúbky, pevnostné a deformačné charakteristiky) stanovené z výsledkov diagnostiky či laboratórnych skúšok v aktuálnom čase.

Na ich základe sa výpočtom stanovuje zaťaženie, ktoré neprekročí prípustné úrovne namáhania (napätia) vo vrstvách vozovky a v jej podloží, stanovené s prihliadnutím na početnosť pohybov lietadiel na vozovke.

Faktory ovplyvňujúce PCN letiskovej vozovky

Stanovenie PCN letiskovej vozovky na základe posúdenia jej technického stavu súvisí so stanovením napätia vznikajúceho v kritickej polohe vo vozovke. Rozdelenie napätí vo vozovke a z toho vyplývajúca kritická poloha závisí od druhu vozovky (obr. 1). Pri vozovke s cementobetónovým krytom je rozhodujúce ohybové napätie vznikajúce na spodnej strane dosky krytu.

Pri vozovke s asfaltovým krytom je kritickou polohou spodná strana najnižšej stmelenej vrstvy (stmelenej asfaltovým alebo hydraulickým spojivom), kde vznikajú najväčšie napätia v ťahu pri ohybe (σr v obr. 1). Pri podloží je rozhodujúca veľkosť zvislého napätia (σz v obr. 1) na povrchu podložia (na jeho kontakte s najnižšou vrstvou vozovky).

Faktory ovplyvňujúce veľkosť napätí v kritickej polohe vo vozovke sú teda zároveň faktormi ovplyvňujúcimi PCN letiskovej vozovky. Najdôležitejšie sú:

• a) hrúbka vrstiev vozovky,
• b) tuhosť (modul) vrstiev vozovky,
• c) tuhosť (modul) podložia vozovky charakterizujúci jeho únosnosť.

Na obr. 2 je zmena veľkosti ohybových radiálnych napätí (σr) na spodnej strane najnižšej stmelenej vrstvy a zvislých napätí (σz) na povrchu podložia modelovej vozovky s hornou časťou z asfaltových vrstiev (tab. 1) spôsobená vplyvom rôzneho modulu pružnosti (rôznej únosnosti) podložia.

Z napätí vypočítaných pri zaťažovacej sile 50 kN a kontaktnom tlaku 1,25 MPa je evidentné, že nárast únosnosti podložia vedie k zmenšeniu namáhania najnižšej stmelenej vrstvy vozovky a zväčšeniu zvislého tlaku na podloží. Tuhosť (modul) vrstiev asfaltovej vozovky má vplyv aj na hodnoty napätí v jednotlivých vrstvách.

Napätia pre vozovku v tab. 1 pri únosnosti podložia 100 MPa doplnené o hodnoty modulov pružnosti asfaltovej vrstvy 3 000 a 8 000 MPa sú na obr. 3. Podobne ako pri rozdielnej únosnosti podložia, aj v tomto prípade dochádza k prerozdeleniu napätí vo vozovke a v jej podloží. Zvyšovanie modulu pružnosti asfaltovej vrstvy spôsobuje nárast kladných radiálnych napätí na spodnej strane asfaltovej vrstvy a znižovanie zvislého tlaku na povrchu podložia.

Ďalším faktorom ovplyvňujúcim veľkosť napätia v kritickej polohe asfaltovej vozovky je hrúbka jej vrstiev. Príklad vplyvu zmeny hrúbky asfaltovej vrstvy vozovky z tab. 1 na hodnoty ohybových radiálnych napätí pri únosnosti podložia 100 MPa je na obr. 4.

Pri vozovkách s cementobetónovým krytom je modul pružnosti dosky krytu oveľa väčší ako modul pružnosti vrstiev pod doskou (vrátane podložia). Z toho dôvodu sa napätia od zaťaženia kolesom lietadla koncentrujú do cementobetónovej dosky krytu, ktorá je po svojej hrúbke namáhaná tlakovými aj ťahovými napätiami.

Pevnosť cementobetónovej dosky v tlaku je výrazne vyššia, ako sú vznikajúce napätia v tlaku, preto sa vykonáva posúdenie napätí v ťahu pri ohybe, keďže nevystužený betón dosky krytu má pri tomto spôsobe namáhania limitovanú pevnosť.

Faktory ovplyvňujúce veľkosť napätia v ťahu pri ohybe v cementobetónovej doske krytu vozovky sú dokumentované výpočtami modelovej vozovky (tab. 2). Pri výpočtoch sa nepočítalo s jednotlivými vrstvami pod cementobetónovým krytom a s podložím samostatne, ale sa zoskupili do tzv. podkladového systému pod cementobetónovou doskou.

Jeho tuhosť reprezentoval modul reakcie podkladového systému, ktorý bol v tab. 2 použitý namiesto modulu pružnosti podložia. Cementobetónový kryt vozovky je delený na jednotlivé dosky, pričom pri posudzovaní sa počíta s napätiami v ťahu pri ohybe, ktoré vyvodzuje zaťaženie umiestnené v strede dosky, na jej hrane a v rohu dosky. Obvykle je najnepriaznivejšou situáciou poloha zaťaženia na hrane dosky.

Na obr. 5 sú uvedené hodnoty ohybových napätí vypočítané pri zaťažovacej sile 50 kN a kontaktnom tlaku 1,25 MPa v závislosti od modulu reakcie podkladového systému. Je vidieť evidentný pozitívny účinok vyššieho modulu reakcie podkladového systému na znižovanie napätia v ťahu pri ohybe. Na obr. 5 možno sledovať aj vplyv modulu pružnosti (tuhosti) betónu dosky krytu.

Pri výpočte sa použili návrhové hodnoty modulov pružnosti uvedené v [3]. Väčšie napätia vznikajú v kryte zhotovenom z betónu vyššej kvalitatívnej triedy s väčším návrhovým modulom pružnosti. Vplyv faktora hrúbky dosky vyplýva z obr. 6, na ktorom sú napätia pri rôznych hrúbkach dosky vypočítané pri zaťažovacej sile 50 kN, kontaktnom tlaku 1,25 MPa a module reakcie podkladového systému 250 MN/m3.

Je zrejmé, že nárast hrúbky dosky krytu redukuje veľkosť napätí v ťahu pri ohybe. Rozdiel v napätiach pri dvoch kvalitatívnych triedach betónu dosky krytu je však minimálny.

Výpočet PCN letiskovej vozovky z aktuálnych parametrov vrstiev a podložia
Variabilita napätí v ťahu pri ohybe v kritických polohách konštrukcie asfaltovej alebo cementobetónovej vozovky spôsobená najdôležitejšími faktormi, ktorá je prezentovaná v predchádzajúcej časti, jednoznačne poukazuje na dôležitosť potreby informácií o reálnych parametroch konštrukcie vozovky hodnotených pohybových plôch letiska.

Hrúbky vrstiev z príbuzných materiálov (asfaltové zmesi, cementobetónový kryt, nestmelené či stmelené vrstvy) sú podstatným vstupom pri stanovení PCN vozovky. Akceptovateľné môžu byť údaje z projektovej dokumentácie, veľmi vhodné sú nedeštruktívne stanovenia georadarom, doplnené o vývrty či kopané sondy.

Tuhosť (modul pružnosti) jednotlivých častí vozovky z príbuzných materiálov možno odvodiť z výsledkov nedeštruktívnej diagnostiky únosnosti vozoviek (obr. 8). Použitie vhodných deflektometrov FWD (zaťaženie je generované padajúcim závažím) poskytuje širokú škálu pôsobiaceho zaťaženia a umožňuje vyvodiť dostatočné deformácie aj na vozovkách s cementobetónovým krytom.

Z priehybov povrchu vozovky v rôznych vzdialenostiach od osi zaťaženia (štandardne merané deflektometrami FWD) sa dá viacerými softvérmi určiť modul pružnosti materiá­lovo príbuzných vrstiev vozovky. Pri podloží vozovky možno využiť aj spôsob stanovenia jeho modulu pružnosti na základe hodnoty CBR materiálu tvoriaceho toto podložie.

Pretože PCN vyjadruje podiel zaťaženia, pri ktorom nedôjde k prekročeniu dovoleného namáhania v kritickej polohe, je nevyhnutné poznať aktuálne pevnosti v ťahu pri ohybe materiálu kritickej vrstvy. Z ich hodnôt a predpokladaného poklesu z dôvodu únavy spôsobenej očakávaným opakovaným zaťažovaním prejazdmi lietadiel sa určí maximálne dovolené napätie, ktoré môže nastať v kritickej polohe vo vozovke pri zaťažení jej povrchu kolesom s pneumatikou nahustenou na 1,25 MPa.

Pri vozovke s cementobetónovým krytom treba brať ešte do úvahy napätia v ťahu pri ohybe vyvolané teplotným gradientom medzi horným a dolným povrchom cementobetónovej dosky krytu. Pokiaľ ide o podložie, na základe parametrov jeho materiálu je potrebné určiť maximálne zvislé tlakové napätie, ktoré môže pôsobiť na povrchu podložia.

Všetky uvedené údaje umožňujú vo výpočtovom modeli daného typu vozovky stanoviť, aká sila pôsobiaca na zaťažovacie koleso vyvodí v príslušnej kritickej polohe maximálne dovolené napätie. Menšia z vypočítaných síl sa použije na stanovenie hodnoty PCN danej vozovky.

Na obr. 7 možno vidieť príklad rôznorodosti hodnôt PCN pri vozovke s cementobetónovým krytom z dôvodu zmien hrúbky dosky, modulu pružnosti betónu krytu dosky (E) a rozdielneho maximálneho dovoleného napätia v ťahu pri ohybe na spodnej strane cementobetónového krytu (na obr. 7 ako Sigmax). Hodnoty PCN na hrane dosky vypočítané pri module reakcie podkladu 80 MN . m3 poukazujú na vplyv jednotlivých parametrov.

V prezentovanom príklade má najmenší vplyv modul pružnosti betónu krytu dosky.Jeho nárast v rozsahu 20 až 40 GPa spôsobuje približne o 8-percentný pokles PCN, pričom pri náraste z 35 na 40 GPa je pokles PCN približne iba 1 %. Významnejší vplyv má hodnota dovoleného napätia v ťahu pri ohybe, kde nárast o 1 MPa vedie k zvýšeniu hodnoty PCN približne o 40 %. Najdôležitejším faktorom ovplyvňujúcim PCN tuhej vozovky je hrúbka dosky krytu. Zväčšenie hrúbky krytu o 10 cm má za následok 1,7- až 2,2-násobnú hodnotu PCN.

Závery

Hodnota PCN letiskovej vozovky je dôležitým údajom z hľadiska prevádzky letiska a stanovenia akceptovateľného zaťaženia lietadlami. Postup jej stanovenia metódou ACN-PCN však nevyužíva možnosti komplexného hodnotenia, ktoré umožňujú podrobná diagnostika zameraná na zistenie reálnej variability parametrov vrstiev vozovky na jednotlivých plochách letiska a posúdenia aktuálneho technického stavu vozovky.

Takýto postup umožňuje stanoviť hodnotu PCN zo zaťaženia, ktoré nespôsobí prekročenie dovoleného namáhania (napätia) v kritickej polohe vo vozovke a v jej podloží. Výhodou je tiež minimalizovanie nadhodnotenia alebo podhodnotenia únosnosti vozovky, čím sa zabráni buď rýchlej degradácii vozovky alebo jej nehospodárnemu využitiu.

Rôznorodosť parametrov vrstiev vozovky a podložia na ploche hodnotenej vozovky ovplyvňuje stanovenú hodnotu PCN. Vplyv jednotlivých parametrov (hrúbka a modul pružnosti vrstiev vozovky, druh a únosnosť zeminy podložia) na hodnotu PCN sa líši v závislosti od druhu krytu vozovky (asfaltové vrstvy, cementobetónová doska).

Vzhľadom na rozdielne hodnoty PCN vyplývajúce z variability parametrov vozovky a ich vplyvu umožňuje podrobná diagnostika objektívne stanoviť hodnotu PCN zabezpečujúcu optimálne využitie letiska pri zachovaní potrebnej životnosti jeho pohybových plôch.

TEXT: Ing. Zsolt Boros, prof. Dr. Ing. Jozef Komačka, obaja pôsobia v TPA Spoločnosti pre zabezpečenie kvality a inovácie, s. r. o.
FOTO A OBRÁZKY: TPA Spoločnosť pre zabezpečenie kvality a inovácie, s. r. o.

Literatúra:

• International Civil Aviation Organization (ICAO): Aerodrome design manual. Part 3 Pavements, druhé vydanie, 1983.
• U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration: Standardized Method of Reporting Airport Pavement Strength – PCN. Advisory Circular AC No: 150/5335-5C.
• TP 098 Navrhovanie cementobetónových vozoviek na cestných komunikáciách. Technické podmienky. MDVRR SR, 2015.

Článok bol uverejnený v časopise IS 6/2021