Investigation of airfield pavement evaluation parameters

Pavements are one of the most important airfield infrastructures that determines airport’s operation. To ensure the safe operation of aircrafts, it is necessary to assess pavement condition at regular intervals. In particular, the assessment of the structural condition of a pavement determines the required interventions in order to maintain pavement condition at desired levels. This process is inextricably linked to the determination of the bearing capacity of a pavement, for which various methodologies have been developed internationally. Initially, pavement evaluation was based on empirical design procedures that were implemented on highway pavements. However, developments in the field of pavement analysis and the development of sophisticated analytical design procedures have led to the modification of airfield pavement evaluation techniques. At the same time, the development of classification systems for reporting the bearing capacity of airfield pavements provided a useful tool for airport management procedures. Although the implimentation of classification systems has been used for over half a century, even the official ACN-PCN (Aircraft Classification Number-Pavement Classification Number) classification method has several disadvantages. On this basis, the updated ACR-PCR (Aircraft Classification Rating-Pavement Classification Rating) system is expected to come into force in the near future. In the light of the above, in the present research, the effect of the evolution of flexible airfield pavement evaluation procedures was investigated. The relevant investigation showed that pavements designed with empirical design procedures seem to be structurally adequate when evaluated using the recent detailed evaluation procedures that have been developed. In addition, the applicability of these methodologies in conditions different from those for which they have been developed was investigated. Special emphasis was given to the assumptions made for the mechanical characteristics of the materials of the individual layers of the pavement and in particular to the behavior of the asphalt layers. The investigation highlighted the importance of the appropriate assumptions concerning the modulus of elasticity of the asphalt layers, which is affected by temperature, when assessing the structural condition of airfield pavements in Greece. Moreover, the analysis took into account advanced material assumptions, such as the viscoelastic assumption, which is not included in the current airfield pavement evaluation procedures. The relevant investigation showed that the elastic behavior of the materials adopted so far, appears to be more favorable in terms of pavement response, a fact that can influence the decision-making in terms of airfield pavement management. A preliminary investigation was then carried out in order to examine the effect of the introduction of the updated ACR-PCR airfield pavement reporting system. The relevant procedure showed that the updated system has been improved, however some shortcomings are still identified concerning the ACR modelling for flexible pavements. In addition, the ACR-PCR system still does not take into account the failure mechanism of the asphalt concrete layers, which can lead to extensive damage in terms of airfield management. Regarding the investigation of the correlation between PCN and PCR indices, it emerged that there is a satisfactory correlation, which can give a preliminary view of the modification of bearing capacity reporting, during the implementation of the updated system for aircraft traffic data located in Greece. In addition, from the implementation of the two reporting systems at Greek airports, practical issues were identified that may arise during the implementation of the new ACR-PCR system. Regarding the transition period until the full implementation of the ACR-PCR reporting system, the adequacy of the bearing capacity of existing airfield pavements, where overloading is observed, was investigated. From the relevant analysis it occurs that the empirical overload criterion of the International Civil Aviation Organization (ICAO) should be used with caution for the period during which the ACN-PCN method is still in force. Field experiments were performed for the accurate assessment of the insitu pavement condition and the evaluation of its structural condition in order to feed the reporting systems. The combination of field data and laboratory test data can optimize the bearing capacity reporting procedures when applying methods in countries other than those in which the existing methodologies have been developed.The highlight of the investigation was the development of a model for estimating the PCR index for reporting the bearing capacity of an airfield pavement based on the PCN index. This model could provide a useful tool during the preliminary phase of the implementation of the new reporting system.Τα οδοστρώματα αποτελούν μία από τις βασικές υποδομές ενός αεροδρομίου που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη λειτουργία του. Για την εξασφάλιση της κίνησης των αεροσκαφών με ασφάλεια είναι απαραίτητη η αξιολόγηση της κατάστασης των οδοστρωμάτων του αεροδρομίου σε τακτά χρονικά διαστήματα. Ειδικότερα η αξιολόγηση της δομικής κατάστασης ενός οδοστρώματος καθορίζει τις απαιτούμενες ενέργειες για επέμβαση προκειμένου να διατηρηθεί η κατάσταση του οδοστρώματος σε επιθυμητά επίπεδα. Η υπόψη διαδικασία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τον προσδιορισμό της φέρουσας ικανότητας ενός οδοστρώματος, για την οποία έχουν αναπτυχθεί διάφορες μεθοδολογίες διεθνώς. Αρχικά, η αξιολόγηση βασίστηκε σε εμπειρικές διαδικασίες σχεδιασμού που εφαρμόστηκαν και σε οδοστρώματα οδών. Πλην όμως, οι εξελίξεις στον τομέα της ανάλυσης των οδοστρωμάτων και η ανάπτυξη εξελιγμένων αναλυτικών μεθοδολογιών σχεδιασμού οδήγησαν στην τροποποίηση και των διαδικασιών αξιολόγησης οδοστρωμάτων αεροδρομίων. Παράλληλα, χρήσιμο εργαλείο για τη διαχείριση οδοστρωμάτων αεροδρομίων αποτέλεσε η ανάπτυξη συστημάτων κατάταξης της φέρουσας ικανότητάς τους σε καθορισμένο σύστημα αναφοράς φορτίων. Παρόλο που η εφαρμογή συστημάτων κατάταξης τυγχάνει αποδοχής πάνω από μισό αιώνα, ακόμα και η επίσημη μέθοδος κατάταξης ACN-PCN (Aircraft Classification Number-Pavement Classification Number) παρουσιάζει αρκετές αδυναμίες. Προς τούτο στο εγγύς μέλλον αναμένεται να τεθεί σε ισχύ η επικαιροποιημένη διαδικασία κατάταξης οδοστρωμάτων αεροδρομίων ACR-PCR (Aircraft Classification Rating-Pavement Classification Rating) .Υπό το πρίσμα των παραπάνω στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας διερευνήθηκε η επίδραση της εξέλιξης των μεθοδολογιών αξιολόγησης εύκαμπτων οδοστρωμάτων αεροδρομίων. Από τη σχετική διερεύνηση προέκυψε ότι οδοστρώματα που έχουν σχεδιαστεί με εμπειρικές διαδικασίες σχεδιασμού φαίνεται να είναι δομικά επαρκή όταν αξιολογούνται με τις πρόσφατες αναλυτικές διαδικασίες αξιολόγησης που έχουν αναπτυχθεί. Επιπλέον διερευνήθηκε η εφαρμοσιμότητα των υπόψη μεθοδολογιών σε συνθήκες διαφορετικές από εκείνες για τις οποίες έχουν αναπτυχθεί. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη θεώρηση των μηχανικών χαρακτηριστικών των υλικών των επιμέρους στρώσεων του οδοστρώματος και ειδικότερα στη συμπεριφορά των ασφαλτικών στρώσεων. Η διερεύνηση ανέδειξε τη σημασία της ορθής θεώρησης του μέτρου ελαστικότητας των ασφαλτικών στρώσεων, το οποίο επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, κατά την αξιολόγηση της δομικής κατάστασης οδοστρωμάτων του ελλαδικού χώρου. Επίσης κατά την ανάλυση ελήφθησαν υπόψη και εξελιγμένες θεωρήσεις των υλικών, όπως είναι η ιξωδοελαστική θεώρηση, η οποία μέχρι στιγμής δεν περιλαμβάνεται στις ισχύουσες μεθοδολογίες αξιολόγησης οδοστρωμάτων αεροδρομίων. Από τη σχετική διερεύνηση προέκυψε ότι η συνήθης θεώρηση της ελαστικής συμπεριφοράς των υλικών που υιοθετείται μέχρι στιγμής εμφανίζεται ευμενέστερη ως προς την αναπτυσσόμενη εντατική κατάσταση των οδοστρωμάτων, γεγονός το οποίο μπορεί να επηρεάσει τη λήψη αποφάσεων για τη διαχείριση των οδοστρωμάτων αεροδρομίων. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε προκαταρκτική διερεύνηση της επίδρασης της εισαγωγής της επικαιροποιημένης διαδικασίας κατάταξης της φέρουσας ικανότητας οδοστρωμάτων αεροδρομίων ACR-PCR. Από τη σχετική διαδικασία προέκυψε ότι το επικαιροποιημένο σύστημα είναι βελτιωμένο, εντούτοις εξακολουθούν να εντοπίζονται κάποιες αδυναμίες όσον αφορά στο προσομοίωμα εκτίμησης του δείκτη ACR για την περίπτωση των εύκαμπτων οδοστρωμάτων. Επιπλέον το σύστημα ACR-PCR εξακολουθεί να μην λαμβάνει υπόψη το μηχανισμό αστοχίας των ασφαλτικών στρώσεων, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε εκτεταμένη φθορά κατά τη λήψη αποφάσεων στο πλαίσιο της διαχείρισης του αεροδρομίου. Αναφορικά με τη διερεύνηση της ύπαρξης συσχέτισης μεταξύ των δεικτών PCN και PCR, προέκυψε ότι υπάρχει ικανοποιητική συσχέτιση, η οποία μπορεί να δώσει μία προκαταρκτική εικόνα της μεταβολής της κατάταξης κατά την εφαρμογή του επικαιροποιημένου συστήματος για σενάρια κυκλοφορίας που εντοπίζονται στον ελλαδικό χώρο. Επιπλέον από την εφαρμογή των δύο συστημάτων κατάταξης σε αεροδρόμια του ελλαδικού χώρου εντοπίστηκαν πρακτικά θέματα που μπορεί να προκύψουν κατά την εφαρμογή του νέου συστήματος ACR-PCR. Σχετικά με τη μεταβατική περίοδο μέχρι την πλήρη ισχύ του συστήματος κατάταξης ACR-PCR διερευνήθηκε ο έλεγχος της επάρκειας της φέρουσας ικανότητας υφιστάμενων οδοστρωμάτων αεροδρομίων στα οποία παρατηρούνται φαινόμενα υπερφόρτωσης. Από τη σχετική διαδικασία προέκυψε ότι το εμπειρικό κριτήριο υπερφόρτωσης του Διεθνούς Οργανισμού Πολιτικής Αεροπορίας ICAO (ICAO: International Civil Aviation Organization) θα πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή για το χρονικό διάστημα κατά το οποίο είναι σε ισχύ η μέθοδος ACN-PCN. Ακολούθησε η διεξαγωγή πειραμάτων πεδίου για την ακριβέστερη εκτίμηση των επιτόπου στοιχείων του οδοστρώματος και την αξιολόγηση της δομικής κατάστασής του με στόχο την τροφοδότηση των συστημάτων κατάταξης. Ο συνδυασμός στοιχείων πεδίου και στοιχείων εργαστηριακών δοκιμών μπορεί να συμβάλλει στη βελτιστοποίηση των διαδικασιών κατάταξης της φέρουσας ικανότητας οδοστρωμάτων κατά την εφαρμογή μεθόδων σε χώρες διαφορετικές από εκείνες στις οποίες έχουν αναπτυχθεί οι ισχύουσες μεθοδολογίες. Επιστέγασμα της διερεύνησης αποτέλεσε η ανάπτυξη ενός μοντέλου εκτίμησης του επικαιροποιημένου δείκτη κατάταξης της φέρουσας ικανότητας του οδοστρώματος ενός αεροδρομίου PCR με βάση τον ισχύοντα δείκτη PCN. Το υπόψη μοντέλο θα μπορούσε να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο κατά την προκαταρκτική φάση εφαρμογής του νέου συστήματος κατάταξης