Συμβολή στην αξιολόγηση οδοστρωμάτων αεροδρομίων
Authors: Χαρωνίτης Γεώργιος 
Published: August 2021

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.