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2010/10/22 空港土木施設技術に関する講演会

性能設計法による空港舗装設計

国土交通省国土技術政策総合研究所
空港研究部 坪川将丈

1

講演内容
空港舗装の設計法の概要
理論的設計法の具体例
今後の方向性21All Rights Reserved, Copyright(C)2010, National Institute for Landand Infrastructure Management

空港舗装の設計法の概要

3

空港舗装の設計に関する技術基準
空港土木施設の設置基準解説（H20.7改定，H22.4一部改訂）
基本施設等（滑走路・誘導路・エプロン等）に関する要求性能，性能規定，幅・勾配等
空港舗装設計要領（H20.7改定，H22.4一部改訂）
基本施設のAs舗装，Co舗装に求められる性能と照査方法（設計法）
空港舗装補修要領（案） （公式に制定されたものではない）
基本施設のAs舗装，Co舗装の調査法，評価法，補修設計法（空港舗装設計要領改定が反映されていない）
42

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空港As舗装に求められる性能
荷重支持性能路床・路盤の支持力，疲労ひび割れ，凍上
走行安全性能すべり，わだち掘れ
表層の耐久性能
気象劣化，剥離，骨材飛散，層間剥離
橙色の照査項目は，現時点で具体的な照査方法が確立している．
その他の照査項目は，見なし規定．
5

空港As舗装の設計供用年数
旧設計要領 設計年数10年（耐用年数ではない）
おおむね10年でオーバーレイ．
原因の多くはわだち掘れの悪化．
ひび割れは顕著ではない．

荷重支持性能20年
10年で構造的破損が生じては補修が非常に困難．
走行安全性能，表層の耐久性能
10年
構造的破損が生じずとも，表基層のAs層の劣化，わだち掘れは生じる．
63

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理論的設計法の具体例（As舗装）

7

As混合物の疲労ひび割れの照査方法
舗装断面の仮定
表基層，上層路盤，下層路盤
各層弾性係数の設定
As弾性係数
各月の平均気温と走行速度（低速・高速）から航空機によるAs層下面ひずみの算定
多層弾性理論により算定（仮定）
B747-400の離陸荷重では12月の気温（弾性係数）において，400μのひずみが発生
84

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As混合物の疲労ひび割れの照査方法
疲労破壊回数の算定
As層下面ひずみと破壊基準曲線からAs層下面ひずみ

B747-400のAs層下面ひずみ400μ

疲労破壊曲線

30万回で破壊破壊回数 9

As混合物の疲労ひび割れの照査方法
ここまでの過程でわかっていること
12月の気象条件，B747-400離陸荷重で発生するAs層下面の引張ひずみ400μが30万回発生するとAs層に疲労ひび割れが発生する
B747-400，離陸機，毎年12月の合計設計交通量は？
（仮定）
6万回
B747-400の離陸機による12月の疲労度
疲労度＝

6万回
30万回

＝ 0.2
105

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As混合物の疲労ひび割れの照査方法
横断方向走行位置分布の考慮
6万回は様々な位置を走行する航空機の合計．
航空機の走行位置は横断方向にばらつく．
B747主脚の位置
基本位置
基本位置より少し左

滑走路
縦断方向

基本位置よりかなり右横断方向位置別の確率分布で表す 11

5.5m
滑走路中心

As混合物の疲労ひび割れの照査方法
走行回数6万回のうち，滑走路中心線から4.0mの位置（タイヤ幅）を走行する回数は6万×0.01回＝600回となる．
滑走路中心線

中心線から5.5m
標準偏差σ＝ばらつきの程度を表す
4.0m
確率密度曲線（正規分布）
曲線で囲まれる面積＝1.0

この幅をタイヤが走行する確率＝囲まれた面積＝0.01

滑走路中心線からの距離

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As混合物の疲労ひび割れの照査方法
4.0m位置の疲労度の算出
疲労度＝

6万回×0.01＝600回30万回＝ 0.002・正規分布から求めた0.01を走行確率と呼ぶ．
0.01＝1回走行すれば4.0m位置を0.01回走行・走行確率の逆数をパス/カバレージ率と呼ぶ．
100＝4.0m位置を1回走行するために必要な航空機の全走行回数・設計条件において疲労度が1.0以上となるならば仮定した舗装厚では疲労ひび割れが発生する．
13→仮定する舗装厚を厚くして再計算

As混合物の疲労ひび割れの照査方法
全ての疲労度の合計
月別：各月平均気温 → 弾性係数が違うから機種別・離着陸別：荷重，横断方向位置分布が違うから滑走路中心線からの位置別：パス/カバレージ率が違うから
1.0
離陸機
B747-400
B747-400D
B777-300D
着陸機
B747-400
B747-400D
B777-300
合計0.8

疲労度

0.60.40.20.00200
400
600
800
滑走路中心線からの距離 (cm)

1000
147

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As舗装厚の比較（概念図）
アスファルト舗装

基準舗装厚 (cm)

黒線 経験的設計法
赤線 理論的設計法

02000040000
60000
設計反復作用回数 (回)

80000

設計反復作用回数が小さい場合は理論的＞経験的になる傾向あり
15

設計の手間
多層弾性理論によるひずみ算出が面倒．
・各月でAs層弾性係数が異なるため，1つの荷重条件（機種・離着陸別）で12回の計算が必要．ただし1回の計算は数秒程度．
・最も用いられるのがGAMES（東京電機大学 松井教授開発）・ひずみが算出されれば，その他の過程はExcelで処理可能．
設計プログラム・設計Excelシートを作成する際のチェック用資料として，「空港舗装設計要領及び設計例」（H22.4改訂版，SCOPE発行）に詳細且つ具体的な設計例が記載．

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理論的設計法の具体例（Co舗装）

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空港Co舗装に求められる性能
荷重支持性能路床・路盤の支持力，疲労ひび割れ，凍上
走行安全性能すべり，段差橙色の照査項目は，現時点で具体的な照査方法が確立している．
その他の照査項目は，見なし規定．

189

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空港Co舗装の設計供用年数
旧設計法
設計年数10年（耐用年数ではない）・10年をはるかに超えることの説明困難．
荷重支持性能，走行安全性能 20年・10年で構造的破損が生じては補修が非常に困難．
・アスコンに比べて材料劣化しにくい．

19

Co版の疲労ひび割れの照査方法
舗装断面の仮定
コンクリート版厚，上層路盤K値
各層弾性係数の設定
Asと違い，季節変動は無し
版中央部・版下面の合成応力の算定
荷重応力－版FEMにより算出
温度応力－温度応力式により算出
合成応力＝荷重応力＋温度応力
疲労度の算出As舗装とほぼ同じ

2010

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コンクリート版厚の比較（概念図）
コンクリート舗装

コンクリート版厚 (cm)

黒線 経験的設計法
赤線 理論的設計法

02000040000
60000
設計反復作用回数 (回)80000

概ね理論的＝経験的
ただし経験的の版厚は10000～40000の広範囲で同一版厚
21

設計の手間
版FEMによる荷重応力算出が面倒
・1つの荷重条件（機種・離着陸別）で1回の計算が必要．ただし1回の計算は数秒程度．
最も用いられるのがCP-for（石川高専 西澤教授開発）
・荷重応力が算出されれば，その他の過程はExcelで処理可能．
設計プログラム・設計Excelシートを作成する際のチェック用資料として，「空港舗装設計要領及び設計例」（H22.4改訂版，SCOPE発行）に詳細且つ具体的な設計例が記載．

2211

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今後の方向性23

今後必要な研究（性能照査関係）
わだち掘れ量の照査方法の確立（As）
仕様
航空機の走行安全性の設計供用期間（10年）内にわだち掘れ量20mm以内（かなりキビシメの値）となる設計をするものとする．
提案A
ストアスを用いた断面．硬い路盤層が必要．
提案Bストアスより高価だが耐流動性に優れたアスコンを用いた断面．
ただし，アスコン層厚は薄くて済むので提案Aより安価
2412

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今後必要な研究（性能照査関係）
目地部温度応力算定手法の確立（Co）
現時点では目地部の温度応力が不明であり，版中央部における照査のみ応力
荷重応力は目地の方が大きい．
計算可能．

？
目地部

温度応力は？
（理論的には目地の方が小さい）
版中央部

25

今後必要な研究（性能照査関係）
NC舗装以外のCo舗装の理論的設計法
現場打ちプレストレストコンクリート舗装（PC）
プレキャストプレストレストコンクリート舗装（PPC）
プレキャスト鉄筋コンクリート舗装（PRC）
連続鉄筋コンクリート舗装（CRCP）

NC版と同様の疲労設計法がなじむか否かが不明

2613

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今後必要な研究（設計限界値関係）
航空機の運航を考慮した設計限界値
わだち掘れ
ハイドロプレーニング防止→深さ＆形状で規定？
グルービングハイドロプレーニング防止→グルービング消失率で規定？
（現行，摩擦係数の基準あり）
縦断方向平坦性（性能照査値ではないが）操縦に安全な路面→路面の波長や振幅で規定？

27

縦断方向平坦性
路面性状調査において３年に一度，3mプロフィルメータ（の原理を用いた測定車）による平坦性σの測定
・簡単
・わかることが少ない．
・路面の波長に大きく依存する値．
路面上で測定者が曳きながら歩行して路面の凹凸を測定

記録機

前輪

測定輪

測定輪と前後車輪との相対高さを測定

後輪

路面

1.5 m

1.5 m

3mプロフィロメータの原理による平坦性σの原理

2814

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縦断方向平坦性
波長3m
後輪

相対高さはゼロ

測定輪

前輪

振幅

1.5m

1.5m

相対高さは，またゼロ1.5mごとの相対高さは全てゼロなのでばらつきゼロ
路面の凹凸振幅が1mのとんでもない路面であっても平坦性σはゼロと算出される．
29

縦断方向平坦性現行
3mプロフィロメータの原理で相対高さを1.5mごとに計測し，相対高さの標準偏差である平坦性σを算出
改定案
・細かいピッチで路面の縦断絶対プロファイルを計測する．
・計測には，絶対プロファイルを測定可能な路面性状測定車により測定する．
・絶対プロファイルを測定すればこれまでの平坦性σの算出
IRI（International Roughness Index）の算出
航空機走行時の応答シミュレーションが可能となる．
3015

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絶対プロファイル（True プロファイル）
1000

路面高さ (mm)

水たまりの原因
滑走路南端から測定
航空機の大きな振動

500

0-500
滑走路北端から測定

-1000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

滑走路南端からの距離 (m)10mmピッチで測定した3000m滑走路の絶対プロファイル（測定開始点の高さをゼロ）

31

航空機走行シミュレーション
1.0

B747

0.5

鉛直加速度 (g)

0.0
-0.5
-1.00

500

1.0

1000

1500

2000

2500

3000

DC-90.5
0.0
-0.5
-1.00

500

1000 1500 2000 2500
滑走路南端からの距離 (m)3000

航空機走行時応答シミュレーションソフトAPRas（APR Consultant（現在非売品））により計算

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Boeing Roughness Criteria

K. J. DeBord : Runway Roughness Measurement, Quantification andApplication - The Boeing Method, Boeing Document D6-81746, Boeing
Commercial Airplane Company

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最後に
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