Международный стандарт по расчету нежестких аэродромных покрытий — метод CBR

Рассмотренный выше метод расчета нежестких аэродромных покрытий аналогичен расчету нежестких дорожных одежд капитального типа с учетом изменений, касающихся условий работы аэродромной конструкции и многократного воздействия многоколесных опор тяжелых самолетов. Он был создан как несложный, но вместе с тем достаточно точный аппарат, пригодный для практических инженерных расчетов.

Расчет толщины нежесткого покрытия по существующему в международной практике стандарту базируется на Калифорнийском показателе несущей способности (число CBR), который был разработан и впервые применен Калифорнийским дорожным департаментом в конце 20-х годов. Метод относится к эмпирическим. В нем значение Калифорнийского показателя несущей способности CBR используют для того, чтобы определить прочностные свойства грунта, верхнего и нижнего слоев искусственного основания. Полученные значения сопоставляют затем с результатами ускоренного испытания покрытий подвижными нагрузками и с действительной работой существующих покрытий при нормальном движении на них.

В основу метода положены экспериментальные зависимости толщины нежесткого покрытия от параметров колесной нагрузки и грунтового основания, классифицируемого числом CBR. Число CBR характеризует сопротивление грунта нагрузкам и определяется как отношение нагрузки в фунтах на квадратный дюйм, необходимой для вдавливания штампа в грунт на глубину 0,1 дюйма, к нагрузке для вдавливания на ту же глубину в мелкий щебень. Образец грунта с нарушенной структурой для насыпей или ненарушенной структурой для нулевых мест и выемок увлажняется в лаборатории на протяжении 4 суток путем капиллярного насыщения в цилиндре, диаметр и высота которого равны 6 дюймам, и затем испытывается штампом диаметром 1,95 дюйма, вдавливаемым на глубину 0,5 дюйма со скоростью 0,05 дюйма в минуту. Таким образом, образцы испытываются в условиях, являющихся с расчетной точки зрения критическими.

Анализ результатов испытаний, выполненных в 50-е годы, и обобщение опыта эксплуатации нежестких покрытий позволили установить расчетную зависимость общей толщины покрытия от параметров одноколесной нагрузки и несущей способности грунта основания (числа CBR) для нормативного количества взлетно- посадочных операций (соответствующего 5000 приложений нагрузки):

(8)

где — коэффициент, учитывающий повторность воздействия нагрузок.

ESWL — эквивалентная одноколесная нагрузка.

А — площадь отпечатка шины, кв. дюймы A (кв. дюйм = 6,452 см2).

В метрической системе единиц (толщина покрытия h в см; нагрузка на расчетную опору F_n в кг; площадь отпечатка колеса расчетной опоры А в см2) формула (8) принимает вид:

где К_m — коэффициент пропорциональности между значениями эквивалентной одноколесной нагрузки и нагрузки на одно колесо основной опоры;

п — число колес основной опоры.

Корпусом инженеров армии США на основе метода CBR разработаны расчетные кривые [219], позволяющие определить общую требуемую толщину нежесткого покрытия (суммарную толщину слоя асфальтобетона, верхнего и нижнего слоев искусственного основания) для конкретных расчетных условий/.

Таким образом, метод расчета нежестких аэродромных покрытий, основанный на Калифорнийском показателе несущей способности грунтового основания CBR, как уже было отмечено, является эмпирическим, т.е. проектирование заключается в "подражании" конструкциям аэродромных покрытий, хорошо зарекомендовавшим себя в практике эксплуатации. В связи с изложенным, метод CBR не позволяет решать задачи, выходящие за рамки накопленного опыта. Так, появление новых самолетов (В-777) с новой конфигурацией основных опор (шасси с шестиколесной тележкой) привело к необходимости проведения широкомасштабного экспериментального исследования взаимодействия этой опоры с покрытием (гл. 11). Кроме того, метод CBR не позволяет учесть реального распределения напряжений и деформаций в многослойной конструкции нежесткого покрытия, так как в качестве расчетной модели использует упругое изотропное полупространство, параметром которого является эквивалентный модуль упругости, интегрально характеризующий деформативные свойства слоистой системы "покрытие-грунтовое основание".

3 РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ СЛОИСТОГО УПРУГОГО ПОЛУПРОСТРАНСТВА — СТАНДАРТ FAA

Рассматриваемая процедура расчета нежесткого покрытия, реализованная в компьютерной программе LEDFAA, соответствует стандарту Advisory Circular AC 150/6320-16 Федеральной Авиационной Администрации (FAA) США, используемому для расчета покрытий, предполагаемых для обслуживания как самолетов текущего поколения (В-727, В-747, DC-8 и т.д.), так и нового, начинающегося с В-777.

Для описания работы нежесткого покрытия под действием самолетной нагрузки используется математическая модель слоистого упругого полупространства при условии полного контакта на границах слоев. Нагрузка распределена равномерно по площади круга (осесимметричная задача). Свойства всех слоев покрытия описываются модулем упругости, коэффициентом Пуассона и толщиной, свойства грунтового основания - также модулем упругости вместо числа CBR.

Между значениями CBR и модулем упругости грунта Е_sg (в МПа) существует приближенная зависимость:

(10)

Уравнение (10.28), базирующееся на экспериментальных данных, было использовано при разработке моделей отказа покрытия для процедуры упругого слоистого расчета.

По стандарту FAA конструкция нежесткого покрытия, предназначенного для эксплуатации группой самолетов, в состав которой входит В-777, включает:

- слой асфальтобетона - минимальная толщина 5 дюймов (1 дюйм = 2,54 см);

- верхний слой искусственного основания (щебень, обработанный вяжущим) - минимальная толщина 8 дюймов;

- нижний слой искусственного основания (щебень, не обработанный вяжущим) - толщина устанавливается расчетом.

Расчетными критериями для определения толщины нежесткого покрытия являются вертикальные деформации поверхности грунтового основания и горизонтальные деформации нижней поверхности асфальтобетонного слоя.

Модель отказа покрытия, используемая для нахождения количества проходов по полосе охвата до отказа по критерию вертикальной деформации поверхности грунтового основания, представлена выражением

(11)

где С — количество проходов по полосе охвата до отказа покрытия;

E_sg — модуль упругости грунтового основания, фунт/дюйм²;

— вертикальные деформации поверхности грунтового основания.

Из уравнения (10.29), включающего модуль упругости грунтового основания, следует: чем слабее грунтовое основание (меньше его модуль упругости), тем меньше допустимое количество проходов по полосе охвата, вызывающее отказ покрытия. Модель отказа покрытия, используемая для определения количества проходов по полосе охвата до момента отказа по критерию горизонтальной деформации нижней поверхности асфальтобетонного слоя, принята в следующем виде:

( 12)

где Е_A — модуль упругости асфальтобетона, фунт/дюйм2;

— горизонтальные деформации нижней поверхности асфальтобетонного слоя.

При расчете толщины покрытия используют условие исчерпания ресурса за принятый проектный срок службы покрытия (20 лет), эксплуатирующегося заданным набором воздушных судов. При этом концепция "расчетного воздушного судна" заменена концепцией усталостного разрушения, выражаемого термином "коэффициент накопления разрушений" (Cumulative Damage Factor—CDF). Коэффициент накопления разрушений CDF — это количество усталостной жизни уже использованного покрытия. Он определяется как отношение числа приложенных повторений нагрузки к допустимому числу ее повторений до отказа покрытия или для одного самолета и постоянного числа ежегодных вылетов:

Если CDF = 1, то покрытие уже использовало весь свой усталостный ресурс.

Если CDF < 1, то покрытие еще имеет некоторый остаток ресурса, а значение CDF показывает долю использованного усталостного ресурса.

Если CDF > 1, то весь усталостный ресурс уже использован и покрытие потерпит "аварию". Это не обязательно означает, что покрытие не будет больше поддерживать движение воздушных судов, а подтверждает, что оно отказало согласно определению отказа, используемому в расчетной процедуре. Расчет толщины базируется на условии, что этот отказ происходит, когда CDF = 1.

Коэффициент накопления разрушений CDF для заданного набора воздушных судов определяют с использованием правила Майнера (Miner):

(14)

где CDFi — CDF для г-го самолета из предполагаемого списка.

Каждый режим отказа покрытия, включенный в процедуру определения его толщины, будет иметь собственный CDF. В расчете нежесткого покрытия толщины слоев корректируются таким образом, чтобы CDF для отказа грунтового основания стал равен 1. После этого проводят дополнительные вычисления для определения CDF для отказа слоя асфальтобетона. Если асфальтовый CDF будет меньше 1, можно предсказать, что асфальт не растрескается прежде, чем разрушится грунтовое основания. Но если асфальтовый CDF будет больше 1, то можно предположить, что асфальт разрушится прежде, чем основание, и поэтому необходима корректировка толщин верхнего и нижнего слоев искусственного основания таким образом, чтобы в итоговом решении асфальтовый CDF стал меньше 1.

В процедуре расчета коэффициента накопления разрушений CDF рассматривают полосу покрытия общей шириной 820 дюймов (21 м), которую, в свою очередь, делят на 82 полосы 10-дюймовой (25 см) ширины каждая.

CDF вычисляют для каждой такой полосы. При этом соотношение PCR (см. табл. 10.3) между количеством вылетов и количеством проходов по каждой полосе определяют на основании нормального распределения движений самолета по ширине полосы со среднеквадратичным отклонением в 30,5 дюймов (78 см) (эквивалентно движению самолета по рулежной дорожке) и используют затем в уравнении (10.31). Определенные таким образом CDFj для каждого самолета из расчетного списка применяют в вышеупомянутом уравнении Майнера (Miner) A0.32) с целью получения значения коэффициента накопления дефектов для полосы от воздействий заданного набора воздушных судов. При расчете общей толщины покрытия выбирают максимальное из всех значений CDF, определенных для каждой из 82 полос 10-дюймовой ширины. Следовательно, самолеты с одной и той же геометрией опоры, но с различным расстоянием между стойками основных опор будут иметь различные коэффициенты PCR в каждой из 10-дюймовых полос и поэтому будут оказывать различное влияние на эффект накопления разрушений.

Таким образом, алгоритм определения толщины нежесткого покрытия для заданного списка воздушных судов состоит в следующем.

1. Для заданной в качестве первого приближения толщины конструкции нежесткого покрытия вычисляют максимальное значение вертикальных деформаций поверхности грунтового основания для каждого самолета из расчетного списка.

Дата добавления: 2014-01-04