Мониторинг и прогнозирование работоспособности жестких аэродромных покрытий
На правах рукописи
ШАШКОВ ИГОРЬ ГЕННАДИЕВИЧ МОНИТОРИНГ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЖЕСТКИХ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ Специальность 05.23.11 — Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Воронеж 2012
Работа выполнена в Федеральном казнном государственном военном образовательном учреждении высшего профессионального образования Военном учебно-научном центре Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Попов Александр Николаевич
Официальные оппоненты: Самодурова Татьяна Васильевна доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный архитектурно строительный университет/ кафедра проектирования автомобильных дорог и мостов, профессор Земляков Андрей Николаевич кандидат технических наук, доцент, ФГУП «Администрации гражданских аэропортов (аэродромов)»/ главный инженер
Ведущая организация: Московский автомобильно-дорожный государ ственный технический университет (МАДИ)
Защита состоится 10 января 2013 года в 1000 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектур но-строительном университете по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Ок тября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220, тел./факс: +7(473)271-53-21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государ ственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан 5 декабря 2012 г.
Учный секретарь диссертационного совета Колосов А.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие современной авиационной техники предъявляет все более высокие требования к качеству и долговечности аэро дромных покрытий. Это обусловливает необходимость совершенствования ме тодов их проектирования, строительства, ремонта и содержания.
Наметившийся рост (в 1,5...2 раза) объемов авиаперевозок до 2020 г. ве дет к увеличению интенсивности эксплуатации действующих аэродромов, ко личество которых за последние годы уменьшилось с 1302 в 1992 году до 351 и возрастанию требований к их эксплуатационной готовности.
Вместе с тем около 70% аэродромов были построены более 20 лет назад, в настоящее время их искусственные покрытия летного поля имеют высокий уровень износа (до 80%) и не обеспечивают безопасную эксплуатацию воздуш ных судов.
Основой обеспечения регулярной и безопасной работы авиационной тех ники является система планово-предупредительного ремонта аэродромных по крытий. Такая система предусматривает выполнение работ по поддержанию эксплуатационных качеств аэродромных покрытий не по критерию достижения предельного состояния поврежденностей, а с целью предупреждения их воз никновения. Важным элементом структуры планово-предупредительного ре монта аэродромных покрытий является система мониторинга, результатом ко торой является заключение о эксплуатационно-техническом состоянии.
Недостаток средств воспроизводства основных фондов привел к тому, что планово-предупредительный ремонт элементов аэродромов сводится только к текущему ремонту, который не может заменить капитальный и предотвратить некомпенсируемый износ аэродромных покрытий. Однако в настоящих условиях это единственная мера, позволяющая поддержать аэродромные покрытия в работоспособном состоянии.
Применяемые на практике различные российские и зарубежные методики оперативной оценки эксплуатационно-технического состояния жестких аэродромных покрытий позволяют оценить покрытие только на момент мониторинга и не позволяют спрогнозировать изменение его состояния во времени. В тоже время, в условиях недостаточного финансирования особую актуальность приобретает необходимость в разработке метода, позволяющего спрогнозировать изменение эксплуатационно-технического состояния жестких аэродромных покрытий на основе обоснованной модели развития и накопления повреждений. Данные прогноза изменения технического состояния на ближайшие 3...5 лет позволят эксплуатационным подразделениям обоснованно спланировать денежные средства на текущее содержание, обеспечив, в первую очередь, ремонт тех участков, которые в перспективе подвергнутся наиболее интенсивному разрушению.
Исследования выполнены в соответствии с государственным заказом ин женерно-аэродромной службы управления начальника МТО ВВС в рамках научно-исследовательской работ шифр «Колотушка» номер государственной регистрации 1607910 от 19.08.2010 г. и «Инфраструктура» номер государствен ной регистрации 1-477/11 от 1.06.2011 г.
Объект исследования – жесткие покрытия аэродромов государственной авиации.
Предмет исследования – совокупность параметров, характеризующих эксплуатационно-техническое состояние поверхности жестких покрытий аэро дромов государственной авиации.
Целью работы является разработка системы мониторинга и прогнозирование работоспособности жестких аэродромных покрытий.
Основные задачи работы:
определение перечня и коэффициентов весомости повреждений жест кого аэродромного покрытия, непосредственно влияющих на безопасность полетов и достаточных для оценки его эксплуатационно-технического состояния;
разработка системы мониторинга жестких аэродромных покрытий и обоснование в качестве критерия эксплуатационно-технического состояния показателя - надежность;
разработка прогностической модели разрушения жесткого аэродромно го покрытия;
проведение численного эксперимента на основе разработанной прогно стической модели разрушения жесткого аэродромного покрытия;
разработка по результатам исследований методики оценки эксплуата ционно-технического состояния жестких аэродромных покрытий по показате лю надежность.
Научная новизна заключается в следующем:
методом экспертных оценок определен перечень повреждений, достаточных для оценки эксплуатационно-технического состояния покрытия и впервые установлены значения коэффициентов весомости указанных повре ждений по степени влияния на безопасность полетов;
предложена система мониторинга жестких аэродромных покрытий, от личающаяся тем, что при оценке эксплуатационно-технического состояния ис пользуется определенный в ходе экспертного опроса перечень повреждений, достаточных для определения надежности покрытия;
теоретически обоснован дополнительный показатель надежности аэродромного покрытия – эксплуатационная долговечность, позволяющий объективно оценить срок службы покрытия до капитального ремонта;
разработана прогностическая модель разрушения жестких аэрод ромных покрытий, основанная на стохастической природе параметров, входя щих в модель, позволяющая определить количество поврежденных плит под воздействием эксплуатационных нагрузок;
экспериментально определены значения надежности, позволяющие оценить работоспособность участков аэродромного покрытия и определить ка тегорию технического состояния элементов летного поля аэродрома;
построены номограммы для определения эксплуатационной долговеч ности аэродромного покрытия в зависимости от интенсивности его эксплуата ции воздушными судами.
Достоверность полученных результатов, научных положений и выводов, приведнных в работе, подтверждается объмом теоретических исследований, выполненных в ходе изучения развития и накопления повреждений жестких аэродромных покрытий с учетом изменения во времени параметров и условий эксплуатации, а также использованием математических моделей, адекватность которых была ранее подтверждена результатами экспериментальных исследо ваний известных ученых.
Научная значимость заключается в разработке прогностической модели разрушения жестких аэродромных покрытий, основанной на стохастической природе параметров, входящих в модель.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики оценки эксплуатационно-технического состояния жестких аэродромных покры тий по показателю надежность с возможностью прогнозирования изменения технического состояния во времени.
На защиту выносятся:
перечень и коэффициенты весомости повреждений жесткого аэродром ного покрытия, непосредственно влияющих на безопасность полетов и доста точных для оценки эксплуатационно-технического состояния покрытия;
система мониторинга эксплуатационно-технического состояния аэро дромного покрытия;
теоретическое обоснование показателя надежности жесткого аэро дромного покрытия – эксплуатационная долговечность и практические реко мендации по ее определению;
прогностическая модель разрушения жестких аэродромных покрытий с учетом стохастической природы параметров, входящих в модель;
методика оценки эксплуатационно-технического состояния жестких покрытий аэродромов по показателю надежность.
Методы исследования. В работе использовалось численное моделирова ние с использованием лицензионных программных средств Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на: научно методической конференции молодых ученых и соискателей (Воронеж, ВГАСУ, 2009);
Всероссийских научно-практических конференциях (Воронеж, ВАИУ, 2009, 2011);
Межвузовских научно-практических конференциях «Перспектива» (Воронеж, ВАИУ, 2010, 2012);
Всероссийской научно-практической конферен ции «Материалы для дорожного строительства» (Москва, 2010, 2011);
XV ака демических чтений РААСН Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизация строительной ин дустрии» (Казань, КГТУ, 2010);
Научно-методических и научно-исследова тельских конференциях (Москва, МАДГТУ, 2011, 2012), Международной науч но-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, БГТУ, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей об щим объмом 78 страниц, из них лично автору принадлежит 51 страница. Че тыре работы опубликованы в изданиях, включнных в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Строительные материалы» и «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура».
В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] рассмотрены вопросы модели рования развития и накопления повреждений в аэродромном покрытии;
в рабо те [2] рассмотрены вопросы совершенствования методики прогнозирования из менения технического состояния жестких аэродромных покрытий;
в работе [3] представлены теоретические основы и практические рекомендации оценки тех нического состояния жестких аэродромных покрытий по допустимому уровню надежности с учетом степени риска;
в работе [4] представлена прогностическая модель разрушения аэродромного покрытия под воздействием эксплуатацион ных нагрузок.
Объм и структура диссертации. Работа общим объмом 147 страниц машинописного текста состоит из введения, четырх глав, выводов, списка ли тературы из 138 наименований и трех приложений. В текст диссертации вклю чены 24 таблицы и 33 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены ос новные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен аналитический обзор состояния вопроса, формулировка цели и задач исследования.
Во второй главе рассматриваются методологические основы оценки и про гноза изменения показателя работоспособности жестких аэродромных покрытий.
На основе анализа действующих нормативных документов и обобщения результатов научных исследований разработана система мониторинга жесткого аэродромного покрытия, представляющая собой комплекс мероприятий, позво ляющих дать объективную оценку его эксплуатационно-технического состоя ния (рис. 1). Определена методическая база, регламентирующая общий порядок оценки состояния покрытия и методологический аппарат организации и прове дения работ по оценки эксплуатационно-технического состояния покрытий.
Для решения задачи оценки и прогнозирования состояния аэродромного покрытия проведено математическое моделирование изменения эксплуатацион но-технического состояния аэродромного покрытия под воздействием эксплуа тационных нагрузок. Математической моделью изменения эксплуатационно технического состояния аэродромного покрытия выступает совокупность фор мализованных связей, отношений и зависимостей между различными его показа телями. Аэродромное покрытие представлено как объект управления с исходным состоянием, определяемым количеством и величиной повреждений, возникаю щих в процессе его эксплуатации под воздействием природно-климатических, механических и эксплуатационно-технологических факторов (рис.2).
В качестве критерия разрушения аэродромной плиты приняты напряже ния, возникающие в аэродромном покрытии, в результате воздействия механи ческих и природно-климатических факторов. Эксплуатационно-технологичес кие факторы, как элементы объекта управления эксплуатационно-техническим состоянием покрытия, в работе не рассматриваются.
Рис 1. Система мониторинга эксплуатационно-технического состояния жесткого аэродромного покрытия Рис. 2. Модель изменения состояния покрытия как объекта управления Принято, что природно-климатические факторы воздействуют одинаково для всех точек аэродромного покрытия. Механические нагрузки прикладыва ются локально в зависимости от глиссады взлета и посадки воздушных судов.
При этом повреждения в плите возникают только при совместном воздействии этих факторов.
На основании принятых допущений количество поврежденных плит N ot (x) при числе нагружений, равном nвс, определится суммированием:
N ot ( x) N 0 Q QВС, (1) где N0 – общее количество плит аэродромного покрытия, Q – вероятность по явления повреждений в результате напряжений, возникающих в аэродромном покрытии в процессе его эксплуатации;
QВС – вероятность воздействия на плиту воздушного судна.
В качестве критерия оценки эксплуатационно-технического состояния аэродромного покрытия теоретически обоснован показатель – надежность Pэ, характеризующий свойство системы не отказывать в работе, т.е. обеспечивать безопасные взлет, посадку и руление воздушных судов. В отличие от применя емых в настоящее время показателей оценки технического состояния аэро дромных покрытий, которые носят абстрактный характер, и вывод о состоянии покрытия делают по предложенной разработчиками градации, этот критерий обладает следующими выгодными свойствами:
- общностью, т.е. он может быть применн для любого свойства кон струкции или покрытия (прочности, деформативности и др.);
- связью со временем;
- определяет безопасность покрытия в любой момент;
- описывается математически.
Надежность аэродромного покрытия определяется через риск разрушения покрытия r(х) под воздействием эксплуатационных нагрузок. Установлено, что риск разрушения покрытия в зависимости от интенсивности воздействия эксплуа тационных нагрузок определяется следующим выражением:
1u M x 2 S r ( x) du, x (2) S x 2 x где x=lgnвс, nвс – число воздействий эксплуатационных нагрузок, вызывающих разрушения;
Sx – среднеквадратическое отклонение величины x;
Мx – математи ческое ожидание величины x.
Надежность покрытия, как показатель эксплуатационно-технического со стояния покрытия, зависит от количества поврежденных плит. Поскольку вели чины риска разрушения покрытия r(x) и надежность покрытия P(x) представ ляют взаимно-исключающие события, выражение надежности аэродромного покрытия имеет следующий вид:
N ot ( x) P( x) 1 r ( x) 1. (3) N Количество поврежденных плит в зависимости от интенсивности воздей ствия эксплуатационных нагрузок составит:
1u Mx x N N ot ( x) du. (4) 2 2 S x Sx Для объективной оценки эксплуатационной пригодности аэродромных покрытий и определения их остаточного ресурса до капитального ремонта вве ден дополнительный показатель надежности аэродромного покрытия – эксплу атационная долговечность, характеризующий свойство аэродромного покрытия сохранять работоспособность до граничного состояния, удовлетворяющего требованиям по несущей способности, но не обеспечивающего безопасность полетов. Эксплуатационная долговечность tэд – это интервал времени работы аэродромного покрытия при наличии отдельных повреждений, суммарное ко личество которых допустимо из условия обеспечения безопасности полетов, установленное предельно допустимым уровнем надежности Pэmin :
доп nвс ( Pэmin ) t эд (5), g где nвс ( Pэmin ) - допустимое количество воздействий исходя из заданной надеж доп ности Pэmin ;
g – интенсивность воздействий эксплуатационных нагрузок.
Количество поврежденных плит является функцией некоторой совокуп ность повреждений. Различными методиками оценки эксплуатационно технического состояния жестких аэродромных покрытий учитывается от 3 до 19 повреждений поверхности покрытия. В связи с этим были проведены иссле дования с целью определения достаточного минимума повреждений, необхо димого для объективной оценки эксплуатационно-технического состояния.
Предварительно была проведена классификация повреждений по природе их происхождения и влиянию на безопасность полетов, на основании которой со ставлены карточки-анкеты для проведения экспертного опроса. Для участия в экспертном опросе была сформирована экспертная группа, состоящая из специ алистов в области аэродромного строительства. По результатам экспертной оценки определен перечень повреждений жестких аэродромных покрытий, непосредственно влияющих на безопасность полетов, а также коэффициенты весомости указанных повреждений. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица Перечень повреждений, непосредственно влияющих на безопасность полетов Тип повреждения Коэффициент весомости, mi Уступ 0, Просадка плит 0, Вздыбливание 0, Оголение арматуры 0, Сколы кромок плит 0, Выбоины 0, Разрушение заплатки 0, Недопустимый излом продольного профиля 0, Глубокое шелушение 0, Фонтанирование 0, D-образное растрескивание 0, В третьей главе представлены методика и результаты численного экспе римента, проведенного с использованием разработанной прогностической мо дели разрушения жестких аэродромных покрытий с учетом изменения во вре мени параметров и условий эксплуатации.
Прогнозирование изменения эксплуатационно-технического состояния проведено с использованием математических моделей, описывающих парамет ры вероятностного воздействия воздушного судна и распределения напряже ний, возникающих в аэродромном покрытии.
Для моделирования распределения напряжений, возникающих в аэро дромном покрытии в процессе его эксплуатации, использовано выражение, предложенное А.П. Виноградовым:
6 mmax K K N K x ( y ) x( y) t, (6) c H 2 Ku где mmax – максимальный изгибающий момент при центральном загружении плиты;
K – переходный коэффициент от изгибающего момента при централь ном загружении к моменту при краевом загружении плиты;
KN – коэффициент, учитывающий накопление остаточных прогибов в основании;
Kx(y) – коэффици ент, учитывающий перераспределение внутренних усилий в плитах покрытий с различной жесткостью Bx и By;
t – температурные напряжения;
с – коэффици ент условий работы;
H – толщина плиты;
Ku – коэффициент, учитывающий ко личество приложений колесных нагрузок.
Значения выражения (6) характеризуются параметрами статистических распределений напряжений в плитах: модуль упругости бетона, коэффициент постели основания, толщина плиты, действующая нагрузка от воздушных су дов, температурные напряжения. Закономерности изменения указанных пара метров взяты по результатам исследований А.П. Виноградова, Л.И. Комчихи ной и А.А. Чуткова.
В результате моделирования распределения напряжений, возникающих в аэродромном покрытии в процессе его эксплуатации, определены вероятности возникновения повреждений в различные периоды эксплуатации покрытия.
Для установления параметров законов распределения воздействия на аэродромное покрытие воздушных судов использованы геометрические интер претации распределения динамического воздействия при разбеге и пробеге (рис. 3) с применением прикладной программа Mathlab-Simulink.
а) б) Рис. 3. Огибающая интенсивности динамического воздействия самолета на ИВПП при:
а) разбеге;
б) пробеге Ввиду того, что на аэродромах эксплуатируются разнотипные самолеты с различными тактико-техническими характеристиками, была произведена клас сификация воздушных судов (ВС) по группам эксплуатации. ВС были объедине ны в 4 группы эксплуатации в зависимости от массы ВС, длин разбега и пробега, количества колес на основной опоре, расстояния между основными опорами.
По результатам моделирования получены вероятности воздействия воз душных судов различных групп эксплуатации, приведенные в табл. 2.
Таблица Вероятность воздействия самолетов на покрытие QВС Размер участков покрытия от длины ИВПП Группы ВС первый второй третий четвертый пятый начало конец начало конец начало конец начало конец начало конец I 0,06 0,12 0,05 0,24 0,04 0,36 0,03 0,44 0,00 0, II 0,06 0,14 0,04 0,29 0,03 0,4 0,03 0,5 0,00 0, III 0,06 0,16 0,04 0,25 0,03 0,36 0,02 0,52 0,00 0, IV 0,06 0,17 0,04 0,27 0,03 0,39 0,02 0,56 0,00 0, Вероятность 0,38 0,32 0,21 0,08 0, воздействия ВС Допуская, что воздействие самолетов на покрытие имеет одинаковую ин тенсивность с обеих сторон искусственной взлетно-посадочной полосы (ИВПП), получены диаграммы изополей вероятностей воздействия воздушных судов для всех групп эксплуатации ВС (рис. 4) и определены площади изополей воздействия ВС по участкам А, Б, В и Г, принятых в соответствии со СНиП 32.03.96 и представленных в табл. 3.
Рис. 4. Вероятность воздействия воздушных судов на примере IV группы эксплуатации Таблица Площади участков аэродромного покрытия Площадь участка аэродромного покрытия, м Вероятность Группа ВС воздействия ВС А Б В Г 0,38 0 694 0 0,32 116 3102 92 I 0,21 301 4213 7269 0,08 486 3349 10214 0,38 0 903 0 0,32 176 3982 1667 II 0,21 458 4190 10242 0,08 435 3241 11354 0,38 0 1632 0 0,32 144 4318 18 III 0,21 324 2729 7420 0,08 359 3136 12888 0,38 0 2398 0 0,32 162 3931 584 IV 0,21 298 4416 7531 0,08 312 3197 13563 Площадь участка, на котором вероятность воздействия воздушного судна составляет Qвс=0,01, вычисляется по формуле: S 5 S общ S i, где Sобщ – пло i щадь покрытия ИВПП;
Si – площадь i-го участка покрытия.
Результаты хорошо согласуются с данными, полученными А.П. Степу шиным и А.П. Виноградовым, а также с результатами натурных наблюдений на ряде аэродромов государственной авиации.
Полученный математический аппарат реализован в статистико вероятностной модели расчета количества поврежденных плит, представленной на рис. 5.
Рис. 5. Структурно-логическая схема статистико-вероятностного моделирования расчета количества поврежденных плит аэродромного покрытия В качестве входных параметров рассматриваются: параметры исходного состояния 1, 2, n : толщина плиты H, расчетное сопротивление по прочно сти при сжатии Rbtb, группа участков аэродромного покрытия: параметры меха нического воздействия 1', '2, 'd : масса самолета G, длина разбега Lр, длина пробега Lп (таблица 3.5);
параметры природно-климатического воздействия 1", "2,"d : температура наружного воздуха to, коэффициент постели искус ственного основания K sио, коэффициент постели естественного основания K sео.
В качестве выходного параметра – количество разрушенных плит.
Для автоматизации расчетов разработана прикладная программа «Nadez nost», реализованная в среде Mathlab.
По результатам численного эксперимента установлено, что надежность аэродромного покрытия в зависимости от типа ВС и типа искусственного осно вания изменяется по одному закону, но с различной интенсивностью. Влияние места расположения аэродрома (дорожно-климатической зоны) на надежность незначительно. Это объясняется тем, что температурные напряжения имеют относительно малые значения по сравнению с напряжениями от воздействия колесной нагрузки ВС.
Результаты моделирования подтвердили, что для всех принятых исход ных данных ярко выражены три периода накопления повреждений аэродромно го покрытия на каждом из участков в зависимости от количества приложений нагрузки (рис. 6): период Т1 ( Pф 0;
0,95 ) – приработка покрытия: возникают дефекты аэродромного покрытия технологического характера, а также вслед ствие физико-химических процессов формирования цементного камня и воз никновения температурных деформаций;
период Т2 ( Pф 0,95;
Pкр ) – нормаль ная эксплуатации покрытия: происходит развитие дефектов и появление по вреждений, связанных с воздействием эксплуатационных нагрузок от ВС, в этот период возникают повреждения, влияющие на безопасное производство полетов;
период Т3 (РфPкр) – интенсивный износ: происходит неконтролируе мое разрушение конструкций аэродромного покрытия, угрожающие безопасно сти полетов и маневрированию на покрытии ВС. Ркр – надежность покрытия, соответствующая предельному состоянию как по наличию и степени развития повреждений, так и по несущей способности;
в зависимости от участка покры тия находится в пределах 0,52 – 0,71.
1 – из плит ПАГ-14 по искусственному основа нию с KS=3500 МН/м на участке А для I груп пы эксплуатации ВС;
2 – из плит ПАГ-14 по искусственному основа нию с KS=2100 МН/м на участке Б для II груп пы эксплуатации ВС;
3 – из плит ПАГ-14 по искусственному основа нию с KS=2100 МН/м на участке Б для III группы эксплуатации ВС Рис. 6. Показатели состояния аэродромного покрытия Анализ результатов мониторинга эксплуатационно-технического состоя ния искусственных покрытий аэродромов, расположенных в 2, 3, 4 дорожно климатических зонах, а также результаты численного эксперимента позволили установить наличие нескольких типов повреждений покрытий, зависящих от природы их происхождения и развития:
тип 1 – трещины, возникающие в результате воздействия нагрузок от ВС на покрытие, проявление которых незначительно, наблюдается в плитах колей ного ряда. Соответствует периоду Т2 эксплуатации покрытия;
тип 2 – продольные и поперечные тонкие усадочные трещины в плитах, шелушение поверхности плит, D-образное растрескивание. Характер – усадоч ные, температурные, появляющиеся в результате воздействия природно климатических факторов. Соответствует периоду Т1 эксплуатации покрытия;
тип 3 – появление сквозных трещин, делящих плиту на фрагменты, обра зование просадок, уступов плит, сколов кромок бетона, фонтанирования, вздыбливания, выбоин, глубокого шелушения. Указанные повреждения не до стигли предельно допустимых значений;
тип 4 – повреждения типа 3, которые достигли предельно допустимых значений, представляющие опасность производству полетов воздушных судов.
Соответствует периоду Т3 эксплуатации покрытия.
Для определения границы перехода повреждений типа 1 в тип 3 и типа в тип 3 период Т2 (рис. 6) делится на: Т2н – период, при котором обеспечивается условие безопасного производства полетов: повреждения имеют значения, не превышающие предельно допустимые;
Т2пр – период, при котором не обеспечи вается условие безопасного производства полетов: повреждения достигли зна чений, превышающие предельно допустимые.
По результатам численного эксперимента получены допустимые и крити ческие значения надежности для различных групп эксплуатации ВС, групп участков покрытия.
В четвертой главе представлена альтернативная методика оценки экс плуатационно-технического состояния жестких аэродромных покрытий по по казателю надежность.
Методика позволяет оценить эксплуатационно-технического состояния каждого участка искусственного покрытия в отдельности, элемента летного по ля целиком, спрогнозировать остаточный ресурс обследуемого элемента исходя из прогнозируемого количества взлетно-посадочных операций ВС.
В качестве исходной единицы эксплуатационно-технического состояния покрытия принята плита. Надежность плиты определяется по имеющимся на ней повреждениям, приведенным в табл. 2, следующим выражением:
P n Р( пл) i ф mi, (7) i i где mi – весовой коэффициент i-го повреждения.
Надежность по i-му повреждению плиты Pi ф 1 ri оценивается по сте пени риска ri разрушения плиты при наличии и величине повреждения:
Н max Н ( деф) i ri 0,5, (8) S S 2 max ( деф) i где Н(деф)i – фактическая величина i-го повреждения на рассматриваемой плите;
S(деф)i – среднеквадратическое отклонение фактической величины i-го повре ждения на участке покрытия;
Нmax– максимальная величина i-го повреждения;
Smax – среднеквадратическое отклонение максимальной величины i-го повре ждения на участке покрытия;
Ф(и) – функция Лапласа.
Надежность участка покрытия Руч определяется через отношение суммы значений надежности образцов данного участка к их количеству:
n Р( обр) i Р уч (9) i, nобр где nобр – количество образцов на участке покрытия.
За образец принят участок покрытия, состоящий из 20±8 смежных плит.
Вывод о состоянии покрытия выполняем путем сравнения фактической надежности Руч с допустимой Pэmin, определяемой по табл. 5:
Таблица Допустимые значения надежности участков покрытия Группа Допустимое Критическое участков Элемент аэродрома значение значение min покрытия надежности, Pэ надежности, Pкр Участки ИВПП, примыкающие к конце Б 0,81 0, вым участкам Концевые участки ИВПП, магистральная А 0,84 0, рулежная дорожка В Средняя часть ИВПП 0,77 0, Краевые участки в средней части ИВПП, Г за исключением примыкающих к соедини- 0,74 0, тельной рулежной дорожки Б Места стоянки воздушных судов 0,74 0, Соединительные и выводные рулежные Б 0,74 0, дорожки если Р уч Pэmin, то участок покрытия считается исправным, достаточ но ограничиться планированием работ эксплуатационного содержания.
если Р уч Pэ, то участок аэродромного покрытия считается неис min правным и производится проверка на работоспособность из условия:
Р уч Pкр (значения Ркр приведены в табл. 5): если условие выполняется - уча сток покрытия работоспособен, достаточно ограничиться проведением работ текущего ремонта;
если условие не выполняется - участок покрытия считается неработоспособным, необходимо проведение работ капитального ремонта.
Категории эксплуатационно-технического состояния элемента покрытия устанавливается по табл. 6.
Таблица Категории эксплуатационно-технического состояния элемента покрытия Состояние участков элемента покрытия Состояние элемента покрытия исправны и работоспособны работоспособное один и более участок - неисправен и ограниченно работоспособен работоспособное один и более участок - неработоспособен неработоспособное Данная методика реализована в прикладной программе «Расчет надежности», разработанной с использованием визуальной, объектно-ориентированной среды Microsoft Excel на языке программирования Using Visual Basic for Applications 5.
С целью оперативной оценки эксплуатационной долговечности аэро дромного покрытия разработаны номограммы (пример представлен на рис. 6), позволяющие определить допустимое количество приложений эксплуатацион ных нагрузок до капитального ремонта покрытия в зависимости от фактическо го значения надежности, определенного в ходе обследования для всех групп участков покрытия.
Допустимое количество взлетно-посадочных операций определяем через эквивалентное покрытие путем уточнения типа ВС и конструкции покрытия.
Исходя из допустимого количества взлетно-посадочных операций и интенсив ности полетов воздушных судов, используя формулу (5), определяется эксплуа тационная долговечность покрытия.
Результаты сравнительной оценки эксплуатационно-технического состоя ния аэродромного покрытия ИВПП действующими методами и альтернативной методикой, приведены в табл. 7.
Таблица Результаты определения категории эксплуатационно-технического состояния покрытия Значение Состояние Прогнози № Расчетная Пока доп п.п. методика затель элемента участка руемое nвс участка покрытия По индексу состоя – – – удовлетворительное 1 PSI ния покрытия По комплексному Кк – – – хорошее 2 показателю стадия нормальной – – Сигнальной оценки – 3 Sк 3, эксплуатации исправен и ра 4,7· А – 0,94 ботоспособен исправен и ра 4,3· Б – 0, По показателю ботоспособен Рэ работоспособное 4 0, надежность исправен и ра 3,1· В – 0,96 ботоспособен исправен и ра 5,3· Г – 0,96 ботоспособен По индексу сохране – – – работоспособное 5 MI 3, ния покрытия – – Н.В. Свиридова – удовлетворительное 6 1, 1 – III группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS1200 МН/м3;
IV группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, ос нование с KS1200 МН/м3;
2 – II группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS1200 МН/м3;
III группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, ос нование с 1200KS МН/м3;
IV группа эксплуа тации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с 1200KS2100 МН/м ;
III группа эксплуатации ВС, цементобетон, основание с KS1200 МН/м3;
3 – I группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS1200 МН/м3;
4 – II группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с 1200KS МН/м3;
III группа эксплуа тации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS МН/м3;
III группа эксплуа тации ВС, цементобетон, основание с 1200KS МН/м3;
5 – I группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с 1200KS МН/м3;
IV группа эксплуа тации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS МН/м3;
6 – II группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS3500 МН/м3;
III группа эксплуатации ВС, цементобетон, основание с KS3500 МН/м3;
IV группа эксплуатации ВС, це ментобетон, основание с KS1200 МН/м3;
7 – I группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS3500 МН/м3;
IV группа эксплуатации ВС, цементобетон, основание с 1200KS2100МН/м3;
18 – IV группа эксплуатации ВС, цементобетон, основание с KS3500 МН/м Рис. 6. Номограммы определения количества приложения эксплуатационных нагрузок до наступления предельного состояния покрытия для групп участков В Сравнительный анализ показывает, что вывод о состоянии покрытия по предлагаемой методике в целом хорошо согласуется с результатами существу ющих методик оценки эксплуатационно-технического покрытия жестких аэро дромных покрытий. Отличительной особенностью методики по показателю надежность является дифференцированная оценка по участкам и определение остаточного ресурса аэродромного покрытия.
ВЫВОДЫ 1. С использованием метода экспертных оценок определен перечень по вреждений, достаточных для оценки эксплуатационно-технического состояния покрытия и впервые установлены значения коэффициентов весомости указанных повреждений по степени влияния на безопасность полетов. Использование полу ченных коэффициентов позволяет оценить и спрогнозировать эксплуатационно техническое состояние жестких покрытий аэродромов.
2. Впервые предложена система мониторинга жестких аэродромных по крытий, отличающаяся от известных тем, что используется при оценке эксплуа тационно-технического состояния определенный в ходе экспертного опроса пе речень повреждений, достаточный для определения надежности покрытия.
3. Для прогнозирования срока службы аэродромного покрытия впервые введен новый показатель надежности – эксплуатационная долговечность, ха рактеризующий свойство покрытия сохранять работоспособность до гранично го состояния, удовлетворяющего требованиям по несущей способности, но не обеспечивающего безопасность полетов. Введение такого показателя позволяет объективно оценить срок службы покрытия до капитального ремонта.
4. По результатам численного эксперимента впервые получены порого вые значения надежности аэродромного покрытия для различных периодов на копления повреждений в зависимости от интенсивности эксплуатации покры тия воздушными судами, а также значения надежности, определяющие работо способность аэродромного покрытия для различных групп эксплуатации ВС.
5. Разработана прогностическая модель разрушения жестких аэродромных покрытий под воздействием эксплуатационных нагрузок, бази рующаяся на их стохастической природе, впервые позволяющая определить количество поврежденных плит под воздействием эксплуатационных нагрузок.
Основные результаты исследований отражены в следующих работах:
Публикации в изданиях, входящих в Перечень ВАК 1. Шашков, И.Г. Совершенствование методов прогнозирования работо способности аэродромных покрытий / А.Н. Попов, А.В. Кочетков, И.Г.
Шашков // Строительные материалы. – 2009. – № 1 1. – С. 69 - 72.
2. Шашков, И.Г. Совершенствование методики оценки технического со стояния бетонных аэродромных покрытий на основе вероятностно статистического прогноза / А.Н. Попов, Д.Е. Барабаш, И.Г. Шашков // Строительные материалы. – 2010. – № 5. - С. 2 - 5.
3. Шашков, И.Г. Методика оценки технического состояния жестких аэ родромных покрытий с позиции теории риска / А.Н. Попов, И.Г. Шашков // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. – 2011. – № 2. – С.90 - 101.
4. Шашков, И.Г. Прогностическая модель разрушения жестких аэрод ромных покрытий под воздействием эксплуатационных нагрузок / А.Н. Попов, И.Г. Шашков // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архи тектура. – 2012. – № 2. – С.116 - 127.
Публикации в других изданиях 5. Шашков, И.Г. Моделирование динамики развития и накопления пов реждений аэродромных покрытий на основе теории надежности / А.Н. Попов, И.Г. Шашков, А.Н. Скляров, Е.В. Печкуров // Сборник научно-методических материалов Всероссийской НПК № 33, часть 3, ВАИУ, 2009. – С. 200 - 205.
6. Shashkov. Assessment of the operational life of concrete airfield pavements on the basis of reliability theory / Yu.Borisov, A.Popov, I.Shashkov // Scientific Isra el-Technological Advantages. – 2010. – № 2. – S. 134 - 138.
7. Шашков, И.Г. Оценка эксплуатационной долговечности бетонных аэродромных покрытий на основе теории надежности / Ю.М. Борисов, А.Н.
Попов, И.Г. Шашков // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. – Казань: Материалы XV акаде мических чтений РААСН Международной научно-технической конференции, 2010. – Т. 2. – С. 9 - 14.
8. Шашков, И.Г. Методика оценки технического состояния аэродромных покрытий на основе математического аппарата теории надежности / А.Н. Попов, И.Г. Шашков, Е.В. Печкуров // Современные методы подготовки специалистов и совершенствование наземного обеспечения авиации:
межвузовский сборник научно-методических трудов – Воронеж: ВАИУ, 2010.
– Ч. 3. – С. 200 - 206.
9. Шашков, И.Г. Основные факторы, влияющие на состояние жестких аэродромных покрытий / А.Н. Попов, И.Г. Шашков // Современные методы подготовки специалистов и совершенствование наземного обеспечения авиа ции: межвузовский сборник научно-методических трудов – Воронеж: ВАИУ, 2010. – Ч. 3 – С. 186 - 189.
10. Шашков, И.Г. Методы оперативной оценки технического состояния аэродромных покрытий / А.Н. Попов, И.Г. Шашков // Деп. в ЦВНИ МО РФ, инв. № В7186. Серия Б. Выпуск № 91. - М.: ЦВНИ МО РФ, 2010. – 10 с.
11. Шашков, И.Г. Теоретическая оценка параметров эксплуатационной долговечности покрытий аэродромов / А.Н. Попов, И.Г. Шашков // Деп. в ЦВНИ МО РФ, инв. № В7187. Серия Б. Выпуск № 91. – М.: ЦВНИ МО РФ, 2010. – 10 с.
12. Шашков, И.Г. Сравнительный анализ методов оценки эксплуатаци онно-технического состояния аэродромного покрытия на примере аэродрома «Курск» / А.Н. Попов, И.Г. Шашков, Е.В. Печкуров // Современные методы подготовки специалистов и совершенствование наземного обеспечения авиации: межвузовский сборник научно-методических трудов – Воронеж:
ВАИУ, 2011. – Ч. 3. – С. 195 - 202.
13. Шашков, И.Г. Методика оценки технического состояния жестких аэродромных покрытий с позиции теории риска / А.Н. Попов, И.Г. Шашков // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. Междунар. науч.-практ.
конф., Белгород, 11 – 12 окт., 2011г. / Белгор. гос. технол. ун-т. – Белгород:
Изд-во БГТУ, 2011. – Ч. 2. – С. 68 - 74.
14. Шашков, И.Г. Методика оценки технического состояния жестких аэродромных покрытий с позиции теории риска / А.Н. Попов, И.Г. Шашков, А.Н. Масалыкин, Д.А. Рыжков // Сборник статей по материалам докладов XXII научно-практической конференции ВАИУ «Перспектива-2012»: Инженерно аэродромное обеспечение – Воронеж: ВАИУ, 2012. – С. 169 - 173.
Шашков Игорь Геннадиевич МОНИТОРИНГ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЖЕСТКИХ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук Подписано в печать 4.12.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага писчая.