ESWL-beräkningar för några vanliga flygplanstyper på svenska flygfältskonstruktioner

(1)

VTI notat 50-2000

ESWL-beräkningar för några vanliga

flygplanstyper på svenska

flygfälts-konstruktioner

O O O N D U) .H CU .hi O =

Författare

Håkan Carlsson

FoU-enhet

Väg- och banteknik

Projektnummer

60580

Projektnamn

ESWL-beräkningar flygfält

Uppdragsgivare

Fortifikatonsverket, H-E Fredbäck

istribution

Fri

Väg- och

transport-farskningsinstitutet

(2)

Innehållsförteckning SAMMANFATTNING 5

1 INLEDNING

6

2 BERÄKNINGAR 6 2.1 BERÄKNINGSFÖRUTSÄTTNINGAR ... 6 2.2 GEOGRAFISKT LÄGE ... .. 7 2.3 KONSTRUKTION ... .. 7 2.5 TRAFIKBELASTNING ... .. 8 2.6 KRITERIUM ... 9 2.7 PCN-BERÄKNING ... .. 9 3 BERÄKNINGSRESULTAT 10 3.1 ESWL-BERÄKNING ... .. 10 3.2 PCN-BERÄKNING ... .. 12 3.3 LASTBEROENDE BERÄKNING ... .. 13 3.4 SLUTSATSER... .. 13 REFERENSER 15

Bilaga 1. Beräkningar konstruktion 1.

Bilaga 2. Beräkningar konstruktion 2. Bilaga 3. Beräkningar konstruktion 3 Bilaga 4. Beräkningar konstruktion 4.

Bilaga 6. Beräkningar konstruktion 6. Bilaga 7. Beräkningar konstruktion 7.

(3)

(4)

ESWL-beräkningar för några vanliga flygplanstyper på svenska

flygfältskonstruktioner.

Sammanfattning

På uppdrag av Fortifikationsverket har VTI utfört beräkningar av Ekvivalenta Singel Hjul Belastningen (Ekvivalent Singel Wheel Load, ESWL) för sju olika flygplanstyper i varierande storlek. Syftet är att ta fram ESWL för ett antal flygplanstyper m.h.t. påkänningen (töjningen) i underkant på beläggningen på vanliga svenska överbyggnadskonstruktioner. I beräkningarna har tjockleken på asfaltbeläggningen, styvheten på asfaltbeläggningen samt styvheten på undergrunden varierats. PCN-tal har också beräknats enligt gängse svenskmetod för de 8 valda flygfältkonstruktionerna. De konstruktionsalternativ som använts i beräkningarna har PCN-tal

från ca 30 till 90, vilket väl representerar de flygfältsbanor i Sverige som har en omfattande trafik

med tyngre flygplan.

Beräkningsförfarandet följer i stort det som används för bärighetsklassificering av svenska civila och militära flygfältsbanor. Underlaget till beräkningarna består av antagna teoretiska värden på

E-modulerna för totalt 8 olika alternativa konstruktioner för ett flygfält med geografiskt läge i södra Mellansverige. Trafikbelastningen består av 7 olika flygplanstyper, tre stora flygplanstyper, tre mellanstora och ett mindre.

Syftet med beräkningarna är att ta fram den ekvivalenta singelhjulbelastning som ger

motsvarande livslängd som de verkliga hjulbelastningarna av huvudhjulstället med hänsyn till påkänningen i asfaltbeläggningen. De flygplanstyper som har huvudhjulställ av typen

dualtandem eller tandem åstadkommer 2 hjulbelastningar i samma spår vid varje överfart.

Detta tas hänsyn till i den jämförande livslängdsberäkningen med ekvivalenta

singelhjul-belastningen. För de stora och mellanstora flygplanstyperna är livslängden beräknad för en

belastning motsvarande 80% av maxvikten.

Variationen i ESWL mellan de olika konstruktionsalternativen är något större för de stora flygplanstyperna än för de övriga. För de stora flygplanstyperna är de beräknade ekvivalenta singelhjullasterna är ca 65-75% högre än de verkliga enskilda singelhjullasterna. De beräknade ESWL-värdena för de mellanstora flygplanstyperna varierar mycket lite mellan de olika konstruktionsalternativen. De beräknade ekvivalenta singelhjullasterna för de mellanstora flygplanen med huvudställ av typen dual är ca 35% högre än deenskilda singelhjullasterna. För

mellanstora flygplan med tandem hjulställ (Herkules) är ESWL något lägre än den enskilda

hjullasten.

Vid en jämförelse med ESWL-värdena utifrån de i litteraturen angivna ACN-talen visar det sig

att de beräknade ESWL-värdena m.h.t. påkänningen i beläggningen är högre för de stora

flygplanstyperna. Störst skillnad är det vid en undergrund med hög styvhet. På samma sätt som

för de stora flygplanstyperna ger även de mellanstora flygplanen ett högre beräknat ESWL m.h.t. påkänningen i beläggningen än ESWL utifrån ACN-tal vid en undergrund med hög styvhet.

Skillnaden är dock inte lika stor för de mellanstora flygplanen som för de stora. Vid en undergrund med låg styvhet är dock skillnaderna mellan beräknade ESWL och ESWL utifrån

ACN-tal mycket små.

(5)

Beräkningarna i denna analys pekar på att de ACN-tal som finns angivna i litteraturen är för låga

vid en undergrund med hög styvhet om hänsyn skall tas till påkänningen i asfaltbeläggingen. Det gäller främst de stora flygplanstyperna men också till viss del de mellanstora flygplanstyperna.

1 Inledning

På uppdrag av Fortifikationsverket har VTI utfört beräkningar av Ekvivalenta Singel Hjul

Belastningen (Ekvivalent Singel Wheel Load, ESWL) för sju flygplanstyper som kan tänkas trafikera svenska flygfält. Beräkningarna syftar till att ta fram ESWL för ett antal flygplanstyper

m.h.t. påkänningen (töjningen) i underkant på beläggningen, till skillnad mot de värden för ESWL som normalt används och som syftar på påkänningen på undergrunden.

De flygplanstyper som ESWL beräknats för är B747, A340, MDl 1, MD90, B737, Herkules och

JAS 39. Dessa flygplanstyper är eller kommer att bli vanliga på de svenska flygplatserna och är ofta dominerande vid dimensioneringar av förstärkningar och nybyggnad av flygfält.

De ESWL som finns idag och som ligger till grund för de ACN-tal (Aircraft Classifcation Number) som används är beräknade med en amerikansk metod och undergrundskriterium samt utifrån amerikanska konstruktioner. I den här analysen utförs ESWL-beräkningarna på vanliga svenska överbyggnadskonstruktioner med asfaltbeläggning, bärlagergrus och krossat förstärkningslager. De parametrar som har varierats i beräkningaran är tjockleken på asfaltbeläggningen, styvheten på asfaltbeläggningen samt styvheten på undergrunden. För

samtliga ovanstående konstruktioner har också PCN-tal beräknats enligt gängse svensk metod.

Utifrån den beräknade tillåtna ESWL i PCN-beräkningen görs också beräkningar av det antal

belastningar som kan tillåtas för 50% respektive 200% av ESWL. På liknande sätt görs

beräkningar för att ta fram PCN-tal för 20 000, 30 000 och 40 000 belastningar (i normalfallet

görs beräkningen för 10 000 belastningar).

2 Beräkningar

Antalet överbyggnadsalternativ som har beräknats är 8. Underlaget till beräkningarna består av två normala svenska flygfältsöverbyggnader där de antagna teoretiska värden på E-modulerna har

varierats för beläggningen och undergrunden. Beräkningarna har utförts med datorprogrammet

BISAR [4], som beräknar påkänningar i en flygfältskonstruktion vid hjulbelastning. Beräkningarna syftar till att ta fram den ekvivalenta singelhjulbelastning, med ringtrycket 1,25 MPa, som ger motsvarande livslängd som den verkliga hjulbelastningen av huvudhjulstället med hänsyn till påkänningen i asfaltbeläggningen.

2.1 Beräkningsförutsättningar

Beräkningsförfarandet följer i stort det som används för bärighetsklassificering av svenska civila

och militära flygfältsbanor. En bärighetsklassificering grundar sig dock vanligtvis på en

provbelastning med fallviktsapparat medan beräkningarna i denna analys utgår från teoretiskt antagna värden.

(6)

2.2 Geografiskt läge

Beräkningarna har gjorts för ett flygfält som har ett geografiskt läge motsvarande Stockholm. Året delas i tre perioder, vår/tjällossning, sommar och höst. Det antas inte ske någon

nedbrytningen under den tjälade vinterperioden. Längden på respektive period och asfaltbeläggningen medeltemperatur är beroende av flygfältets geografiska läge, i detta fall södra Mellansverige. Tjällossningsperioden antas var ca 1 månad lång och beläggningstemperaturen 3°C. Motsvarande värden för sommarperioden är 3 månader och 21°C samt för höstperioden 4,5

månader och 11°C.

2.3 Konstruktion

Överbyggnad

Beräkningarna har utförts på två överbyggnadsalternativ där tjockleken på asfaltbeläggningen är

150 respektive 200 mm tjock. Överbyggnaden består uppifrån av 150 alternativt 200 mm asfaltbeläggning, 120 mm krossat bärlagergrus och 400 mm krossat förstärkningslagergrus. För de två överbyggnadsalternativet harstyvheten på asfaltbeläggningen varierats mellan en hög styvhet och en låg styvhet. Överbyggnadslagrens antas ha en styvhet (elasticitetsmodul) enligt tabell 1. Tvärkontraktionstalet antas vara 0,40 för asfaltbeläggningen och 0,35 för samtliga övriga i konstruktionen ingående material. Full friktion antas råda mellan lagren.

Tabell 1. Antagna elasticitetsmoduler för överbyggnadslager, hög/låg.

Material E-modul (MPa) Vår E-modul (MPa) Sommar E-modul (MPa) Höst Asfaltbeläggning 13000/8000 4000/2000 8500/4500

Bärlager 450 450 450

Förstärkningslager 300 300 300

Undergrund

Beräkningarna har gjorts för två antagna undergrundsalternativ, ett stark och en svag undergrund.

Tabell 2. Antagna elasticitetsmoduler för undergrundsmaterial. Elasticitetsmodul, MPa

Undergrund Vår/tj ällossning Sommar och höst

Stark 85 100

Svag 40 60

(7)

Konstruktionsalternativ

Variationen i asfaltbeläggningens tjocklek och styvhet samt undergrundens styvhet resulterar i

totalt 8 olika konstruktionsalternativ där ESWL har beräknats för de 7 utvalda flygplanstyperna. Tabell 3. Beräkningsparametrar för de 8 konstruktionsalternativen.

Beläggningsstyvhet Tjocklek beläggning Undergrundsstyvhet

Konstruktion 1 Hög 150 mm Hög Konstruktion 2 Hög 200 mm Hög Konstruktion 3 Hög 150 mm Låg Konstruktion 4 Hög 200 mm Låg Konstruktion 5 Låg 150 mm Hög Konstruktion 6 Låg 200 mm Hög Konstruktion 7 Låg 150 mm Låg Konstruktion 8 Låg 200 mm Låg 2.5 Trafikbelastning

Trafikbelastningen består av 7 olika flygplanstyper, tre stora flygplanstyper, tre mellanstora och

ett mindre. Dessa flygplanstyper är valda med hänsyn till att de är eller kommer att bli vanligt förekommande på svenska flygfält samt att de ofta är dimensionerande för de flygfältsbanor de

trafikerar. I tabell 4 redovisas de vikter, hjulbelastningar och ringtryck som använts i

beräkningarna. Eftersom flygplanen mycket sällan går med maximala vikten utförs beräkningarna med en hjullast som grundar sig på 75-80% av den maximala vikten.

Tabell 4. Trafikbelastningen av valda flygplanstyper.

Flygplanstyp Maxvikt % max Vikt % på Typ av Antal Hjullast Ringtryck (kg) (kg) huv.ställ hjulställ hjul/ställ (kN) (MPa) B747-400F 396000 80% 316800 23,4 DT 4 182 1,41 A340-200 255000 80% 204000 39,0 DT 4 195 1,38 MD11 285000 80% 228000 39,2 DT 4 219 1,41 MD 90 71000 80% 56800 47,5 D 2 132 1,38 B737-400 65000 80% 52000 46,9 D 2 120 1,44 Herkules 71000 80% 56800 48,2 T 2 134 0,72 JAS 12000 75% 9000 47,0 S 1 41 1,90

B747 har totalt 4 st. huvudhjulställ av typen Dualtandem , med 4 hjul i varje. A340 och MD11 har förutom 2 st. huvudhjulställ av typen Dualtandem också ett hjulställ av typen Dual under

flygplanskroppen, s.k. Belly gear . MD 90 och B737 har huvudhjulställ av typen dual

(parhjul) och Herkules av typen tandem (boggi).

(8)

Hjulkonfigurationen på respektive flygplanstyp används för att ta fram de koordinater för

hjullasterna som används i beräkningarna. I tabell 5 redovisas hjulens koordinater för respektive

flygplans huvudhjulställ.

Tabell 5. Belastningskoordinater med hänsyn till hjulkonfiguration på huvudhjulställ. Lastkoordinater (mm) Flygplanstyp Hjulställ X Y X Y X Y X Y B747-400F DT 0 0 1120 0 0 1470 1120 1470 A340-200 DT 0 0 1400 0 0 1980 1400 1980 MD11 DT 0 0 1370 0 0 1630 1370 1630 MD 90 D 0 0 710 0 B737-400 D 0 0 780 0 Herkules T 0 0 0 1540 JAS S 0 0

De ovan beräknade hjullasterna ooh framtagna koordinaterna används som indata i

beräkningsprogrammet BISAR.

2.6 Kriterium

Som kriterium för påkänningen i asfaltbeläggningen används Kinghams formel. Det är samma

kriterium som används vid bärighetsklassificeringen av svenska flygfältsbanor.

Kinghams formel:

N = 216 *10-14 >x< 1,16 (1,8 * T + 32) / gd

= tillåtet antal hjulbelastningar - medeltemperaturen i beläggningen

= dragtöj ningen i underkant på asfalten

= är en materialberoende konstant, vanligtvis 4,1

m m * 4 2 I

Tillåtet antal hjulbelastningar beräknas för respektive period enligt ovanstående kriterium med d=4,1 och räknas sedan samman till ett totalt tillåtet antal Överfarter enligt Miners delskade-hypotes.

2.7 PCN-beräkning

Den beräkningsmetod som används i klassificeringsberäkningen är en standardmetod som har använts i Sverige under ca 30 år för att i normalfallet bärighetsklassificera civila och militära flygfältsbanor. Beräkningsmetoden är av typen linjärelastisk modell. Nedan följer en kort beskrivning av beräkningsgången. Överbyggnaden delas i lämpliga lager och elasticitetsmoduler (E-moduler) sätts på lagren. Överbyggnadslagren antas homogena. Hänsyn tas till klimatet

(9)

genom att året indelas i perioder, vår sommar och höst. Någon nedbrytning under den frusna

vinterperioden antas inte ske. Periodernas längd och medeltemperatur är beroende av flygfältets

geografiska läge. De bitumenbundna lagrens E-modul korrigeras med hänsyn till periodernas

medeltemperatur. Undergrundens E-modul nedsätts under vårperioden. Beräkning görs av de kritiska påkänningarna i överbyggnaden vid belastning av en viss storlek med singelhjul

(ESWL). För asfaltbeläggningen är det den horisontella dragtöjningen i underkant på lagret som är den kritiska påkänningen. Ur sambandet mellan kritisk töjning i det bitumenbundna lagret och antalet belastningsväxlingar (antalet passerande plan i samma hjulspår) har det största värde på

ESWL (med ringtrycket = 1,25 MPa), som kan tillåtas för antalet belastningsväxlingar = 10 000,

beräknats med hjälp av asfalttöjningskriteriet Kinghams formel. Tillåtet antal hjulöverfarter för respektive period vägs samman m.h.t. periodens längd för att erhålla tillåtet antal hjulöverfarter

för hela livslängden. Då 1 PCN-enhet motsvaras av ESWL= 5000 N fås PCN-talet genom

division av ESWL i N med detta tal.

3 Beräkningsresultat

En sammanställning av ESWL-beräkningarna för var och en av de 8 olika överbyggnads-konstruktionerna redovisas i bilaga 1-8.

3.1 ESWL-beräkning

Syftet med beräkningarna är att ta fram den ekvivalenta singelhjulbelastning, med ringtrycket

1,25 MPa, som ger motsvarande livslängd som den verkliga hjulbelastningarna av

huvudhjulstället med hänsyn till påkänningen i asfaltbeläggningen. De flygplanstyper som har huvudhjulställ av typen dualtandem eller tandem åstadkommer 2 hjulbelastningar i samma spår vid varje överfart. Detta tas hänsyn till i den jämförande livslängdsberäkningen med

ekvivalenta singelhjulbelastningen. I tabell 6 redovisas de beräknade ekvivalenta

singelhjulbelastningarna för respektive flygplanstyp och konstruktionsalternativ. För de stora och mellanstora flygplanstyperna är livslängden beräknad för en belastning motsvarande 80% av maxvikten.

Tabell 6. Beräknade ESWL, kN, för valda flygplanstyper på de 8 konstruktionsalternativen. Konstruktion Flygplanstyp 1 2 3 4 5 6 7 8 B747-400F 310 275 310 285 385 295 370 300 A340-200 315 280 310 285 385 305 370 300 MD11 360 320 355 325 455 345 435 345 MD 90 180 185 185 185 180 175 180 185 B737-400 160 165 165 165 160 160 160 160 Herkules 125 135 130 140 110 125 115 130 JAS 45 40 45 40 50 40 50 45

Variationen i ESWL mellan de olika konstruktionsalternativen är något större för de stora

flygplanstyperna än för de övriga. Det beror troligen på de högre lasterna och de mer komplexa

(10)

huvudhjulställen, dualtandem . Beläggningens tjocklek och beläggnigen styvhet har en större inverkan på de beräknade ESWL-värdena än undergrundens styvhet. Asfaltbeläggningens styvhet

har vid tidigare analyser av metoden för bärighetsklassificering, PCN-klassificering, visat sig

vara en faktor som har stor inverkan på beräkningen avflygfältsbanans bärighet [2, 3]. För de stora flygplanstyperna är de beräknade ekvivalenta singelhjullasterna är ca 65-75% högre än de verkliga enskilda singelhjullasterna. Det betyder att de tre Övriga hjulen på huvudhjulstället bidrar

till att öka påkänningen i beläggningen motsvarande ca 65-75% högre enskild hjullast.

De beräknade ESWL-värdena för de mellanstora flygplanstyperna varierar mycket lite mellan de

olika konstruktionsalternativen. De lägre lasterna och få antal hjul är troligen orsaken till detta. De beräknade ekvivalenta singelhjullasterna för de mellanstora flygplanen med huvudställ av

typen dual är ca 35% högre än deenskilda singelhjullasterna. För mellanstora flygplan med

tandem hjulställ (Herkules) är ESWL något lägre än den enskilda hjullasten. Det betyder att en överfart med tandemhjulställ orsakar en mindre nedbrytning av banan än två överfarter med de enskilda hjullasterna.

ESWL-värdena för det mindre flygplanet (JAS) med singelhjulställ är nästan de samma som hjullasten. Det ska naturligtvis vara så då det är endast ringtrycket som skiljer mellan verklig hjullast och beräknade ESWL.

Ur ICAO Design Manual [1] hämtas ACN-tal (Aircraft Classification Number) för de olika flygplanstyperna som använts i beräkningarna. Eftersom Airbus340-200 är en ny flygplanstyp finns inga ACN-tal framtagna och redovisade i litteraturen ännu.

Tabell 7. ACN-värden enligt ICAO Design Manual för valda flygplanstyper och vikter för asfaltöverbyggnad och fyra nivåer på undergrundens bärighet.

Flygplanstyp Hög Medium Låg Extra låg

B747-400F 44 49 59 76 A340-200 MDl 1 52 56 67 90 MD 90 32 35 37 41 B737-400 27 29 32 35 Herkules 21 25 26 31 IAS 15 15 15 15

De ovan angivna ACN-talen grundar sig på påkänningar i undergrunden vid olika bärighet (CBR)

på undergrunden, Hög - Extra låg. ACN-talet för JAS är ett generellt riktvärde som angivits av Fortifikationsverket.

De ovan redovisade ACN-talen kan räknas om till en ekvivalent singelhjulbelastning genom att

ACN-talet multipliceras med 5.

(11)

Tabell 8. Från ACN-talen beräknade ekvivalenta singelhjulbelastningar, kN, vid olika

undergrundsbärighet.

Flygplanstyp Hög Medium Låg Extra låg

B747-400F 21 9 244 297 379 A340-200 MDl 1 258 280 337 448 MD 90 159 173 187 205 B737-400 136 144 158 176 Herkules 106 123 131 153 JAS 75 75 75 75

Den högre styvheten på undergrunden som använts i beräkningarna kan sägas ligga mellan Hög och Medium enligt tabell 8, medan den låga styvheten motsvaras av Låg. En jämförelse visar att

de beräknade ESWL-värdena m.h.t. påkänning i beläggningen är högre än ESWL från ACN-talen vid låg och främst hög undergrundsbärighet för de stora flygplanstyperna. För de mellanstora

flygplanstyperna är det främst vid hög styvhet på undergrunden som det finns en skillnad i

ESWL, beräknad ESWL högre än ESWL från ACN, medan det vid låg styvhet inte finns någon

skillnad. Det angivna ACN-talet för IAS (15), vilket ger ESWL 75 kN är betydligt högre än det beräknade ESWL m.h.t. påkänningen beläggningen (ca 45 kN).

3.2 PCN-beräkning

För att redovisa nivån på bärigheten på de 8 konstruktionsalternativen som använts i ESWL-beräkningen utfördes också en vanlig bärighetsklassificering, PCN-klassificering, av de olika konstruktionerna. Det gjordes med utgångspunkt de från antagna beräkningsförutsättningarna. I normalfallet beräknas PCN-talet för en trafikbelastning motsvarande 10 000 singelhjul-belastningar. I vissa fall med högtrafikerade flygfältsbanor redovisas också ett PCN-tal motsvarande 20 000, 30 000 och 40 000 singelhjulbelastningar (N) benämnda PCN N=20 000, PCN N=30 000 respektive PCN N=40 000. I tabell 9 redovisas samtliga beräknade PCN-tal för de 8 konstruktionsalternativen.

Tabell 9 PCN-tal för de 8 konstruktionsalternativen.

PCN-tal

i

N=10000 N:20000 N=30000 N=40000 Konstruktionl 56 36 31 28 Konstruktion2 8 8 62 51 45 Konstruktion3 5 1 35 30 27 Konstruktion4 77 76 47 41 Konstruktion5 3 1 24 21 l 8 Konstruktion6 49 34 29 27 Konstruktion7 30 23 20 l 8 Konstruktion8 45 32 28 26 12 VTI notat 50-2000

(12)

De konstruktionsalternativ som använts i beräkningarna har ett normalt PCN-tal från 30 till 88.

Det täcker väl in de större och vältrafikerade flygfältsbanor som finns i Sverige. 3.3 Lastberoende beräkning

Som ett mått på respektive konstruktions känslighet för storleken på singelhjulbelastningen, lägre

och högre belastning i förhållande till det ESWL som motsvaras av ovanstående PCN-tal,

beräknas kvoter för tillåtet antal belastningar i förhållande till de normenliga 10 000. Beräkningar

med singelhjulbelastningar motsvarande 50 respektive 200 % av det ESWL som motsvaras av

ovanstående PCN-tal resulterar i nedanstående kvoter. Exempel: En singelhjulbelastning motsvarande 50 % av ESWL resulterar i 40 000 tillåtna belastningar till skillnad mot ESWL som resulterar i de normenliga 10 000. Därmed blir kvoten 4 för 50 % ESWL (40 000/10 000=4). På

motsvarande sätt beräknas kvoten för belastningen 200 % ESWL. I tabell 10 redovisas de

beräknade kvoterna.

Tabell 10. Kvoter för konstruktionernas lastberoende.

50 % ESWL 200 % ESWL Konstruktionl 3,88 0,36 Konstruktion2 4,23 0,3 1 Konstruktion3 4,26 0,32 Konstruktion4 4,87 0,26 Konstruktion5 3,85 0,36 Konstruktion6 4,35 0,3 1 Konstruktion7 3,94 0,32 Konstruktion8 4,88 0,28

Ovanstående kvoter visar att om lasten dubbleras, i förhållande till ESWL i PCN-beräkningen, så blir livslängden bara 25-30%. Vid en halvering av lasten så ökar däremot livslängden med ca 4

gånger.

3.4 Slutsatser

De 8 olika konstruktionsalternativ som använts i beräkningarna täcker ett ur

bärighets-sammanhang brett område, med PCN-tal från 30 till 88. Det betyder att de väl kan sägas

representera de större och mer vältrafikerade flygfältsbanorna i Sverige.

Resultatet av ESWL-beräkningarna visar på en större variation i beräknat ESWL mellan de olika konstruktionsalternativen för de stora flygplanstyperna än för de övriga. Asfaltbeläggningen styvhet och tjocklek i kombination med de höga lasterna och komplexa huvudhjulställen gör att samverkan mellan de olika hjulen varierar. En överfart med huvudhjulstället motsvaras av en

ekvivalent singelhjullast som är ca 65-75% större en den enskilda hjullasten. Med tanke på att

hjulstället orsakar fyra lika stora belastningar är tillskottet på bara 65-75% relativt litet. Det beror

(13)

främst på de relativt långa avstånden mellan hjulen, som tillsammans med beläggningens tjocklek och styvhet kan medföra att ett hjul har en positiv inverkan på påkänningen under ett annat hjul. Vid en jämförelse med ESWL-värdena utifrån de i litteraturen angivna ACN-talen visar det sig att de beräknade ESWL-värdena m.h.t. påkänningen i beläggningen är högre för de stora flygplanstyperna. De höga lasterna och komplexa hjulställen i samverkan med konstruktions-typen resulterar i större påkänningar i beläggningen än vad mosvarande belastning ger på undergrunden. Störst skillnad är det vid en undergrund med hög styvhet.

Beräkningarna på de medelstora flygplanstyperna, med hjulställ av typen dual och tandem, resulterar inte i någon större spridning i de beräknade ESWL-värdena mellan de olika

konstruktionsalternativen. De lägre lasterna och de mindre komplexa hjulställen är troligen orsaken till detta. De ekvivalenta singelhjullasterna för flygplanen med huvudställ av typen dual är ca 35% högre än de enskilda singelhjullasterna. För flygplan med tandemhjulställ (Herkules) är ESWL något lägre än den enskilda hjullasten, vilket betyder att en överfart med

tandemhjulställ orsakar en mindre nedbrytning av banan än två överfarter med de enskilda

hjullasterna. Avstånden mellan hjulen i samverkan med asfaltbeläggningens tjocklek och styvhet gör att respektive hjul har en positiv inverkan på påkänningen i beläggningen under det andra hjulet.

På samma sätt som för de stora flygplanstyperna ger även de mellanstora flygplanen ett högre beräknat ESWL m.h.t. påkänningen i beläggningen än ESWL utifrån ACN-tal vid en undergrund med hög styvhet. Skillnaden är dock inte lika stor för de mellanstora flygplanen som för de stora.

Vid en undergrund med låg styvhet är dock skillnaderna mellan beräknade ESWL och ESWL utifrån ACN-tal mycket små.

Beräkningarna för JAS, som har hjulställ av typen singelhjul, ska naturligtvis resultera i nästan

samma ESWL som den enskilda hjullasten, vilket det också gjort, ca 45 kN.

Beräkningarna i denna analys pekar på att de ACN-tal som finns angivna i litteraturen är för låga vid en undergrund med hög styvhet om hänsyn skall tas till påkänningen i asfaltbeläggingen. Det gäller främst de stora flygplanstyperna men också till viss del de mellanstora flygplanstyperna. De av Fortifikationsverket angivna ACN-talen, med motsvarande ESWL, för JAS är betydligt högre än de beräknade ESWL-värdena m.h.t. påkänningen i beläggningen.

(14)

Referenser

1. ICAO Areodrome Design Manual, Part 3 Pavements (1983).

2. Carlsson, Håkan, (1992) Bärighetsklassificering av flygfältsbanor. Etapp 1. Inledande parameterstudie. VTI Notat nr V188, Väg- och transportforskningsinstitutet, Linköping.

3. Carlsson, Håkan, (1996) Bärighetsklassificering av flygfältsbanor. Etapp 2. Uppgradering av

beräkningsparametrar. VTI Notat nr 33-1996, Väg- och transportforskningsinstitutet, Linköping.

4. BISAR 3.0. (1998): Shell International Oil Products BV.

5. Kingham, R.I., Failure criteria developed from AASHO road test data. Third international

conference on structural design of asphalt pavements, 1972.

6. Carlsson, Hans-Erik, (1978) Dimensionering av vägöverbyggnader för transportytor inom

tung industri, hamnar, terminaler och flygfält. VTI Meddelande 86, 1978.

(15)

(16)

Bilaga 1

ESWL-beräkningar

Konstruktion 1 Höq E1 och höq E4 Lageruppbyggnad: 1) 150 mm asfaltbeläggning 2) 120 mm bärlagergrus 3) 400 mm krossat förstärkningslager 5) Stark undergrund PCN 20 PCN 30 PCN= 56 AIt.PCN= 36 31 Beräkning Period 1 2 3

Årstid Tjällossn. Sommar Höst

Temp 3 21 11 (Stockholm) Längd 1 3 4,5 Pois. Tjockl. mm E1 13000 4000 8500 0,40 150 E2 450 450 450 0,35 120 E3 300 300 300 0,35 400 E4 85 100 100 0,35 Bäriqhetsanalvs BISAR

Horisontell töjning i u.k. beläggningen, Kinghams formel

Penod Töjning i bel. 1 2 3 B747-400F 242,2 428,5 302,9 micostrain z=150 mm A340-200 245,8 425,7 305,6 micostrain MD11 259,4 443,2 321,1 micostrain MD 90 231,2 396,7 284,7 micostrain B737-400 215,6 381,5 268,2 micostrain Herkules 154,3 246 185,9 micostrain JAS 97,42 211,6 130,7 micostrain ESWL 50 kN 102,2 212,4 135,1 micostrain ESWL 150 kN 204,9 368 258 micostrain ESWL 250 kN 267,9 435 326,3 micostrain ESWL 350 kN 313 470 371,8 micostrain ESWL 450 kN 348,1 488,4 404,1 micostrain Peñod Ntill bel 1 2 3 B747-400F 3 716 43 916 12 591 hjulöverfarter A340-200 3 498 45 112 12 141 hjulöverfarter MD11 2 805 38 244 9 912 hjulöverfarter MD 90 4 496 60 246 16 233 hjulöverfarter B737-400 5 987 70 712 20 735 hjulöverfarter Herkules 23 598 427 354 93 182 hjulöverfarter JAS 155 498 792 514 395 046 hjulöverfarter ESWL 50 kN 127 771 780 347 344 898 hjulöverfarter ESWL 150 kN 7 377 81 968 24 307 hjulöverfarter ESWL 250 kN 2 458 41 287 9 280 hjulöverfarter ESWL 350 kN 1 299 30 062 5 434 hjulöverfarter ESWL 450 kN 840 25 683 3 862 hjulöverfarter Sida 1 PCN 40 28

(17)

Bilaga 1 ESWL-beräkningar Konstruktion 1 Tot Ntlll bel= B747-400F 8635 rörelser A340-200 8298 rörelser MD11 6749 rörelser MD 90 21841 rörelser B737-400 28138 rörelser Herkules 61420 rörelser JAS 555364 rörelser ESWL 50 kN 485471 rörelser ESWL 150 kN 33586 rörelser ESWL 250 kN 12442 rörelser ESWL 350 kN 7067 rörelser ESWL 450 kN 4853 rörelser Sida 2

(18)

Bilaga 2

ESWL-beräkningar

Konstruktion 2 Höq E1 och höq E4 Lageruppbyggnad: 1) 200 mm asfaltbeläggning 2) 120 mm bärlagergrus 3) 400 mm krossat förstärkningslager 5) Stark undergrund PCN 20 PCN 30 PCN 40 PCN= 88 AIt.PCN= 62 51 45 Beräkning Period 1 2 3

Årstid Tjällossn. Sommar Höst

Horisontell töjning i u.k. beläggningen, Kinghams formel C: 4,1 Peñod Töjning i bei. 1 2 3 B747-400F 182,6 346,7 231,7 micostrain 2:200 mm A340-200 185,2 350,8 236,2 micestrain MD11 197,4 368,5 249,7 micostrain MD 90 177,6 325,2 223,1 micostrain B737-400 163,2 304,9 206,2 micostrain Herkules 122,4 214,2 151,3 micostrain JAS 61,9 137,3 83,5 micostrain ESWL 50 kN 68,3 147,4 91,3 micostrain ESWL 150 kN 151,4 296,0 195,6 micostrain ESWL 250 kN 207,4 376,2 261,3 micostrain ESWL 350 kN 250,7 428,4 309,6 micostrain ESWL 450 kN 286,4 465,1 347,6 micostrain Peñod NtiII bei 1 2 3 B747-400F 11 831 104 667 37 773 hjulöverfarter A340-200 11 165 99 742 34 908 hjulöverfarter MD11 8 595 81 513 27 795 hjulöverfarter MD 90 13 258 136 083 44 109 hjulöverfarter B737-400 18 751 177 246 60 925 hjulöverfarter Herkules 60 993 753 809 216 789 hjulöverfarter JAS 999 600 4 668 444 2 483 722 hjulöverfarter ESWL 50 kN 666 095 3 489 649 1 721 998 hjulöverfarter ESWL 150 kN 25 507 200 136 75 642 hjulöverfarter ESWL 250 kN 7 019 74 887 23 073 hjulöverfarter ESWL 350 kN 3 226 43 958 11 510 hjulöverfarter ESWL 450 kN 1 869 31 382 7 161 hjulöverfarter Sida 1

(19)

Bilaga 2

ESWL-beräkningar

Konstruktion 2 Tot Ntill bel=

B747-400F 25827 rörelser A340-200 24140 rörelser MD11 19045 rörelser MD 90 60152 rörelser B737-400 83266 rörelser Herkules 145870 rörelser JAS 3473419 rörelser ESWL 50 kN 2412440 rörelser ESWL 150 kN 105555 rörelser ESWL 250 kN 31783 rörelser ESWL 350 kN 15601 rörelser ESWL 450 kN 9531 rörelser Sida 2

(20)

Bilaga 3

ESWL-beräkningar

Konstruktion 3 Höq E1 och låg E4 Lageruppbyggnad: 1) 150 mm asfaltbeläggning 2) 120 mm bärlagergrus 3) 400 mm krossat förstärkningslager 5) Svag undergrund PCN 20 PCN 30 PCN= 51 AIt.PCN= 35 30 Beräkning Period 1 2 3

Ärstid Tjällossn. Sommar Höst

Horisontell töjning i u.k. beläggningen, Kinghams formel Penod Töjning i bel. 1 2 3 B747-400F 259,4 433,5 312,4 micostrain z=150 mm A340-200 260,1 430,7 314,1 micostrain MD11 277,4 448,5 331,1 micostrain MD 90 246,0 403,3 294,4 micostrain B737-400 228,9 387,4 276,8 micestrain Herkules 166,1 250,7 193,4 micostrain JAS 100,0 212,9 132,4 micostrain ESWL 50 kN 105,4 213,9 137,2 micostrain ESWL 150 kN 214,2 372,5 264,3 micostrain ESWL 250 kN 283,3 442,3 336,7 micostrain ESWL 350 kN 334,6 480,0 386,1 micostrain ESWL 450 kN 375,1 501,0 422,1 micostrain Penod Ntill bel 1 2 3 B747-400F 2 805 41 876 11 093 hjulöverfarter A340-200 2 774 43 004 10 849 hjulöverfarter MD11 2 130 36 425 8 741 hjulöverfarter MD 90 3 486 56 305 14 149 hjulöverfarter B737-400 4 684 66 400 18 218 hjulöverfarter Herkules 17 445 395 447 79 233 hjulöverfarter JAS 139 753 772 861 374 660 hjulöverfarter ESWL 50 kN 112 599 758 154 323 762 hjulöverfarter ESWL 150 kN 6 149 77 984 22 018 hjulöverfarter ESWL 250 kN 1 954 38 564 8 160 hjulöverfarter ESWL 350 kN 988 27 576 4 655 hjulöverfarter ESWL 450 kN 618 23 136 3 230 hjulöverfarter Sida 1 PCN 40 27

(21)

Bilaga 3

ESWL-beräkningar

Konstruktion 3 Tot Ntill bel=

(22)

Bilaga 4

ESWL-beräkningar

Konstruktion 4 Höq E1 och låg E4 Lageruppbyggnad: 1) 200 mm asfaltbeläggning 2) 120 mm bärlagergrus 3) 400 mm krossat förstärkningslager 5) Svag undergrund PCN 20 PCN 30 PCN 40 PCN= 77,4 Alt.PCN= 76 47 41 Beräkning Peri0d 1 2 3

Ärstid

Tjällossn. Sommar

Höst

Horisontell töjning i u.k. beläggningen, Kinghams formel C: 4,1 Penod Töjning i bel. 1 2 3 B747-400F 202,0 356,1 243,5 micostrain 2:200 mm A340-200 200,9 359,0 245,9 micostrain MD11 217,9 378,4 262,1 micostrain MD 90 191,8 334,8 233,3 micostrain B737-400 175,9 313,4 215,4 micostrain Herkules 134,3 221,5 159,5 micostrain JAS 64,3 139,0 85,2 micostrain ESWL 50 kN 71,2 149,5 93,4 micostrain ESWL 150 kN 160,1 302,1 202,0 micostrain ESWL 250 kN 221,7 386,3 271,8 micostrain ESWL 350 kN 270,7 442,2 324,1 micostrain ESWL 450 kN 311,8 482,7 366,1 micostrain Peñod Ntill bei 1 2 3 B747-400F 7 821 93 794 30 813 hjulöverfarter A340-200 7 998 90 727 29 598 hjulöverfarter MD11 5 732 73 118 22 786 hjulöverfarter MD 90 9 672 120 782 36 722 hjulöverfarter 8737-400 13 791 158 349 50 941 hjulöverfarter Herkules 41 694 657 036 174 606 hjulöverfarter JAS 855 207 4 438 750 2 280 071 hjulöverfarter ESWL 50 kN 561 067 3 293 006 1 564 529 hjulöverfarter ESWL 150 kN 20 285 184 079 66 288 hjulöverfarter ESWL 250 kN 5 340 67 178 19 632 hjulöverfarter ESWL 350 kN 2 355 38 600 9 541 hjulöverfarter ESWL 450 kN 1 319 26 949 5 789 hjulöverfarter Sida 1

(23)

Bilaga 4

ESWL-beräkningar

Konstruktion 4 Tot Ntill bel:

(24)

Bilaga 5

ESWL-beräkningar

Konstruktion 5 Låq E1 och höq E4 Lageruppbyggnad: 1) 150 mm asfaltbeläggning 2) 120 mm bärlagergrus 3) 400 mm krossat förstärkningslager 5) Stark undergrund PCN 20 PCN 30 PCN 40 PCN= 30,8 AIt.PCN= 24 21 38 Beräkning Period 1 2 3

Horisontell töjning i u.k. beläggningen, Kinghams formel

C: 4,1 Penod Töjning i bel. 1 2 3 B747-400F 315,4 531,6 408,7 micostrain z=150 mm A340-200 317,6 518,9 407,1 micostrain MD11 333,7 533,2 424,6 micostrain MD 90 296,3 492,4 378,9 micostrain B737-400 279,3 484,6 363,1 micostrain Herkules 193,2 283,4 237,3 micostrain JAS 136,7 306,1 197,2 micostrain ESWL 50 kN 141,1 297,2 198,9 micostrain ESWL 150 kN 268,4 460,8 350,5 micostrain ESWL 250 kN 338,6 502,6 419,3 micostrain ESWL 350 kN 385,2 509,1 457,2 micostrain ESWL 450 kN 418,0 500,6 478,9 micostrain Penod Ntill bel 1 2 3 B747-400F 1 258 18 144 3 687 hjulöverfarter A340-200 1 223 20 034 3 746 hjulöverfarter MD11 999 17 921 3 153 hjulöverfarter MD 90 1 626 24 838 5 028 hjulöverfarter B737-400 2 072 26 519 5 988 hjulöverfarter Herkules 9 388 239 211 34 250 hjulöverfarter JAS 38 773 174 414 73 158 hjulöverfarter ESWL 50 kN 34 050 196 844 70 628 hjulöverfarter ESWL 150 kN 2 439 32 600 6 921 hjulöverfarter ESWL 250 kN 941 22 835 3 319 hjulöverfarter ESWL 350 kN 554 21 664 2 328 hjulöverfarter ESWL 450 kN 397 23 212 1 925 hjulöverfarter Sida 1

(25)

Bilaga 5

ESWL-beräkningar

Konstruktion 5

Tot NtilI bel=

(26)

Bilaga 6

ESWL-beräkningar

Konstruktion 6 Låq E1 och höq E4 Lageruppbyggnad: 1) 200 mm asfaltbeläggning 2) 120 mm bärlagergrus 3) 400 mm krossat förstärkningslager 5) Stark undergrund PCN 20 PCN 30 PCN 40 PCN= 49 AIt.PCN= 34 29 27 Beräkning Penod 1 2 3

H0risontell töjning i u.k. beläggningen, Kinghams formel

C: 4,1 Penod Töjning i bel. 1 2 3 B747-400F 243,5 459,7 327,4 micostrain 2:200 mm A340-200 247,5 459,7 331,8 micostrain MD11 262,0 479,2 348,9 micostrain MD 90 233,8 423,9 308,3 micostrain B737-400 216,2 404,1 288,3 micostrain Herkules 158,6 267,9 204,1 micostrain JAS 87,7 201,5 127,6 micostrain ESWL 50 kN 95,8 212,1 137,5 micostrain ESWL 150 kN 204,9 395,8 279,1 micostrain ESWL 250 kN 273,3 474,9 357,8 micostrain ESWL 350 kN 323,6 515,6 410,3 micostrain ESWL 450 kN 363,2 537,6 448,1 micostrain Penod Ntill bel 1 2 3 B747-400F 3 635 32 921 9 153 hjulöverfarter A340-200 3 400 32 921 8 665 hjulöverfarter MD11 2 692 27 765 7 052 hjulöverfarter MD 90 4 295 45 903 11 711 hjulöverfarter 8737-400 5 919 55 849 15 418 hjulöverfarter Herkules 21 083 301 254 63 536 hjulöverfarter JAS 239 828 968 487 435 903 hjulöverfarter ESWL 50 kN 166 708 784 883 320 875 hjulöverfarter ESWL 150 kN 7 377 60 809 17 610 hjulöverfarter ESWL 250 kN 2 264 28 811 6 360 hjulöverfarter ESWL 350 kN 1 133 20 565 3 628 hjulöverfarter ESWL 450 kN 706 17 328 2 528 hjulöverfarter Sida 1

(27)

Bilaga 6

ESWL-beräkningar

Konstruktion 6 T0t NtilI be|= B747-400F 6994 rörelser A340-200 6633 rörelser MD11 5369 rörelser MD 90 17583 rörelser B737-400 23322 rörelser Herkules 46796 rörelser JAS 682180 rörelser ESWL 50 kN 503253 rörelser ESWL 150 kN 27246 rörelser ESWL 250 kN 9575 rörelser ESWL 350 kN 5289 rörelser ESWL 450 kN 3560 rörelser Sida 2

(28)

Bilaga 7

ESWL-beräkningar

Konstruktion 7 Låq E1 och låg E4 Lageruppbyggnad: 1) 150 mm asfaltbeläggning 2) 120 mm bärlagergrus 3) 400 mm krossat förstärkningslager 5) Svag undergrund PCN 20 PCN 30 PCN 40 PCN= 29,6 AIt.PCN= 23 20 18 Beräkning Period 1 2 3

Horisontell töjning i u.k. beläggningen, Kinghams formel Penod Töjning i bel. 1 2 3 B747-400F 330,5 527,4 414,7 micostrain z=150 mm A340-200 330,9 516,0 413,0 micostrain MD11 349,8 528,7 431,1 micostrain MD 90 310,7 491,0 386,3 micostrain 8737-400 292,2 483,4 369,7 micostrain Herkules 204,4 281,8 242,7 micostrain JAS 139,3 305,9 198,6 micostrain ESWL 50 kN 144,3 297,0 200,6 micostrain ESWL 150 kN 277,6 460,3 355,5 micostrain ESWL 250 kN 353,8 501,6 427,4 micostrain ESWL 350 kN 406,1 507,6 468,4 micostrain ESWL 450 kN 444,6 498,7 493,0 micostrain Penod Ntill bel 1 2 3 B747-400F 1 039 18 743 3 473 hjulöverfarter A340-200 1 034 20 500 3 532 hjulöverfarter MD11 823 18 555 2 962 hjulöverfarter MD 90 1 338 25 130 4 645 hjulöverfarter B737-400 1 721 26 789 5 562 hjulöverfarter Herkules 7 451 244 829 31 231 hjulöverfarter JAS 35 891 174 882 71 066 hjulöverfarter ESWL 50 kN 31 059 197 388 68 206 hjulöverfarter ESWL 150 kN 2 124 32 746 6 530 hjulöverfarter ESWL 250 kN 786 23 023 3 069 hjulöverfarter ESWL 350 kN 446 21 927 2 108 hjulöverfarter ESWL 450 kN 308 23 577 1 709 hjulöverfarter Sida 1

(29)

Bilaga 7

ESWL-beräkningar

Konstruktion 7 Tot Ntill bel:

B747-400F 2481 rörelser A340-200 2513 rörelser MD11 2072 rörelser MD 90 6538 rörelser 8737-400 7989 rörelser Herkules 20650 rörelser JAS 110764 rörelser ESWL 50 kN 105846 rörelser ESWL 150 kN 9588 rörelser ESWL 250 kN 4182 rörelser ESWL 350 kN 2660 rörelser ESWL 450 kN 1997 rörelser Sida 2

(30)

Bilaga 8

ESWL-beräkningar

Konstruktion 8 Låq E1 och låg E4 Lageruppbyggnad: 1) 200 mm asfaitbeläggning 2) 120 mm bäriagergrus 3) 400 mm krossat förstärkningslager 5) Svag undergrund PCN 20 PCN 30 PCN 40 PCN= 45 AIt.PCN= 32 28 26 Beräkning Period 1 2 3

Horisonteil töjning i u.k. beläggningen, Kinghams formel

C= 4,1 Penod Töjning i bei. 1 2 3 B747-400F 262,9 462,7 337,5 micostrain 2:200 mm A340-200 263,5 462,6 340,5 micostrain MD11 282,5 482,2 359,5 micostrain MD 90 249,4 428,7 318,2 micostrain B737-400 230,2 408,3 297,1 micostrain Herkules 171,4 271,3 211,8 micostrain JAS 90,3 202,4 129,4 micostrain ESWL 50 kN 99,0 213,2 139,6 micostrain ESWL 150 kN 214,5 399,0 285,4 micostrain ESWL 250 kN 289,2 480,0 368,2 micostrain ESWL 350 kN 345,7 522,8 424,6 micostrain ESWL 450 kN 391,3 546,6 466,3 micostrain Penod NtiII bel 1 2 3 B747-400F 2 655 32 055 8 081 hjulöverfarter A340-200 2 630 32 083 7 793 hjulöverfarter MD11 1 977 27 064 6 238 hjulöverfarter MD 90 3 295 43 832 10 287 hjulöverfarter B737-400 4 577 53 531 13 629 hjulöverfarter Herkules 15 337 286 073 54 586 hjulöverfarter JAS 212 161 950 951 411 573 hjulöverfarter ESWL 50 kN 145 391 768 412 301 542 hjulöverfarter ESWL 150 kN 6 114 58 835 16 070 hjulöverfarter ESWL 250 kN 1 796 27 576 5 655 hjulöverfarter ESWL 350 kN 864 19 429 3 153 hjulöverfarter ESWL 450 kN 520 16 187 2 147 hjulöverfarter Sida 1

(31)

Bilaga 8

ESWL-beräkningar

Konstruktion 8

Tot Ntill bel=

B747-400F 5842 rörelser A340-200 5708 rörelser MD11 4484 rörelser MD 90 14827 rörelser 8737-400 19844 rörelser Herkules 37944 rörelser JAS 638237 rörelser ESWL 50 kN 466827 rörelser ESWL 150 kN 24263 rörelser ESWL 250 kN 8211 rörelser ESWL 350 kN 4381 rörelser ESWL 450 kN 2854 rörelser Sida 2

(32)