close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

252.Шашков И.Г.Мониторинг и прогнозирование аэродромных покрытий

код для вставкиСкачать
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 казѐнном 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 руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Попов Александр Николаевич
Официальные оппоненты:
Самодурова Татьяна Васильевна
доктор технических наук, профессор,
Воронежский государственный архитектурностроительный 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 государственный технический университет (МАДИ)
Защита состоится 10 января 2013 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220, тел./факс: +7(473)271-53-21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан 5 декабря 2012 г.
Учѐный секретарь
диссертационного совета
Колосов А.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие современной авиационной техники
предъявляет все более высокие требования к качеству и долговечности аэродромных покрытий. Это обусловливает необходимость совершенствования методов их проектирования, строительства, ремонта и содержания.
Наметившийся рост (в 1,5...2 раза) объемов авиаперевозок до 2020 г. ведет к увеличению интенсивности эксплуатации действующих аэродромов, количество 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 воздушных судов.
Основой обеспечения регулярной и безопасной работы авиационной техники является система планово-предупредительного ремонта аэродромных покрытий. Такая система предусматривает выполнение работ по поддержанию
эксплуатационных качеств аэродромных покрытий не по критерию достижения
предельного состояния поврежденностей, а с целью предупреждения их возникновения. Важным элементом структуры планово-предупредительного ремонта аэродромных покрытий является система мониторинга, результатом которой 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 инженерно-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 государственной 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 аэродромов государственной авиации.
Целью работы является разработка системы мониторинга и
прогнозирование работоспособности жестких аэродромных покрытий.
Основные задачи работы:
 определение перечня и коэффициентов весомости повреждений жесткого 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 аэродромного покрытия;
 проведение численного эксперимента на основе разработанной прогностической модели разрушения жесткого аэродромного покрытия;
 разработка по результатам исследований методики оценки эксплуатационно-технического состояния жестких аэродромных покрытий по показателю 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 повреждений по степени влияния на безопасность полетов;
 предложена система мониторинга жестких аэродромных покрытий, отличающаяся тем, что при оценке эксплуатационно-технического состояния используется 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 аэродромных покрытий, основанная на стохастической природе параметров, входящих в модель, позволяющая определить количество поврежденных плит под
воздействием эксплуатационных нагрузок;
 экспериментально определены значения надежности, позволяющие
оценить работоспособность участков аэродромного покрытия и определить категорию технического состояния элементов летного поля аэродрома;
 построены номограммы для определения эксплуатационной долговечности аэродромного покрытия в зависимости от интенсивности его эксплуатации воздушными судами.
Достоверность полученных результатов, научных положений и выводов,
приведѐнных в работе, подтверждается объѐмом 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 исследований 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 покрытий по показателю надежность с возможностью прогнозирования изменения
технического состояния во времени.
На защиту выносятся:
 перечень и коэффициенты весомости повреждений жесткого аэродромного покрытия, непосредственно влияющих на безопасность полетов и достаточных для оценки эксплуатационно-технического состояния покрытия;
 система мониторинга эксплуатационно-технического состояния аэродромного покрытия;
 теоретическое обоснование показателя надежности жесткого аэродромного покрытия – эксплуатационная долговечность и практические рекомендации 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 моделирование с использованием лицензионных программных средств
Апробация результатов исследований. Основные результаты
исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на: научнометодической 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 конференции «Материалы для дорожного строительства» (Москва, 2010, 2011); XV академических чтений РААСН Международной научно-технической конференции
«Достижения и проблемы материаловедения и модернизация строительной индустрии» (Казань, КГТУ, 2010); Научно-методических и научно-исследовательских конференциях (Москва, МАДГТУ, 2011, 2012), Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии»
(Белгород, БГТУ, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей общим объѐмом 78 страниц, из них лично автору принадлежит 51 страница. Четыре работы опубликованы в изданиях, включѐнных 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 моделирования развития и накопления повреждений в аэродромном покрытии; в работе [2] рассмотрены вопросы совершенствования методики прогнозирования изменения технического состояния жестких аэродромных покрытий; в работе [3]
представлены теоретические основы и практические рекомендации оценки технического состояния жестких аэродромных покрытий по допустимому уровню
надежности с учетом степени риска; в работе [4] представлена прогностическая
модель разрушения аэродромного покрытия под воздействием эксплуатационных нагрузок.
Объѐм и структура диссертации. Работа общим объѐмом 147 страниц
машинописного текста состоит из введения, четырѐх глав, выводов, списка литературы из 138 наименований и трех приложений. В текст диссертации включены 24 таблицы и 33 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены основные 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 прогноза 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, позволяющих дать объективную оценку его эксплуатационно-технического состояния (рис. 1). Определена методическая база, регламентирующая общий порядок
оценки состояния покрытия и методологический аппарат организации и проведения работ по оценки эксплуатационно-технического состояния покрытий.
Для решения задачи оценки и прогнозирования состояния аэродромного
покрытия проведено математическое моделирование изменения эксплуатационно-технического состояния аэродромного покрытия под воздействием эксплуатационных нагрузок. Математической моделью изменения эксплуатационнотехнического состояния аэродромного покрытия выступает совокупность формализованных связей, отношений и зависимостей между различными его показателями. Аэродромное покрытие представлено как объект управления с исходным
состоянием, определяемым количеством и величиной повреждений, возникающих в процессе его эксплуатации под воздействием природно-климатических,
механических и эксплуатационно-технологических факторов (рис.2).
В качестве критерия разрушения аэродромной плиты приняты напряжения, возникающие в аэродромном покрытии, в результате воздействия механических и природно-климатических факторов. Эксплуатационно-технологические 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 прикладываются 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 появления 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 применяемых в настоящее время показателей оценки технического состояния аэродромных 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 применѐн для любого свойства конструкции 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 эксплуатационных нагрузок определяется следующим выражением:
1
r ( x) 
S x 2
 1u  M
x
 2  S


x
x1



2

du,

(2)
где x=lgnвс, nвс – число воздействий эксплуатационных нагрузок, вызывающих
разрушения; Sx – среднеквадратическое отклонение величины x; Мx – математическое ожидание величины x.
Надежность покрытия, как показатель эксплуатационно-технического состояния покрытия, зависит от количества поврежденных плит. Поскольку величины риска разрушения покрытия r(x) и надежность покрытия P(x) представляют взаимно-исключающие события, выражение надежности аэродромного
покрытия имеет следующий вид:
P( x)  1  r ( x)  1 
N ot ( x)
.
N0
(3)
Количество поврежденных плит в зависимости от интенсивности воздействия эксплуатационных нагрузок составит:
N ot ( x) 
 1u  Mx
  
2    2  S x
N0
Sx
x1



2

du.

(4)
Для объективной оценки эксплуатационной пригодности аэродромных
покрытий и определения их остаточного ресурса до капитального ремонта введен дополнительный показатель надежности аэродромного покрытия – эксплуатационная 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 количество которых допустимо из условия обеспечения безопасности полетов,
установленное предельно допустимым уровнем надежности Pэmin :
nвсдоп ( Pэmin )
(5)
t эд 
,
g
где nвсдоп ( Pэmin ) - допустимое количество воздействий исходя из заданной надежности Pэmin ; g – интенсивность воздействий эксплуатационных нагрузок.
Количество поврежденных плит является функцией некоторой совокупность повреждений. Различными методиками оценки эксплуатационнотехнического состояния жестких аэродромных покрытий учитывается от 3 до
19 повреждений поверхности покрытия. В связи с этим были проведены исследования с целью определения достаточного минимума повреждений, необходимого для объективной оценки эксплуатационно-технического состояния.
Предварительно была проведена классификация повреждений по природе их
происхождения и влиянию на безопасность полетов, на основании которой составлены карточки-анкеты для проведения экспертного опроса. Для участия в
экспертном опросе была сформирована экспертная группа, состоящая из специалистов 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 1
Перечень повреждений, непосредственно влияющих на безопасность полетов
Тип повреждения
Уступ
Просадка плит
Вздыбливание
Оголение арматуры
Сколы кромок плит
Выбоины
Разрушение заплатки
Недопустимый излом продольного профиля
Глубокое шелушение
Фонтанирование
D-образное растрескивание
Коэффициент весомости, mi
0,159
0,137
0,125
0,11
0,088
0,076
0,073
0,068
0,06
0,057
0,047
В третьей главе представлены методика и результаты численного эксперимента, проведенного с использованием разработанной прогностической модели разрушения жестких аэродромных покрытий с учетом изменения во времени параметров и условий эксплуатации.
Прогнозирование изменения эксплуатационно-технического состояния
проведено с использованием математических моделей, описывающих парамет-
ры вероятностного воздействия воздушного судна и распределения напряжений, возникающих в аэродромном покрытии.
Для моделирования распределения напряжений, возникающих в аэродромном покрытии в процессе его эксплуатации, использовано выражение,
предложенное А.П. Виноградовым:
 x( y) 
6 mmax K K N K x ( y )
t,
(6)
 c H 2 Ku
где mmax – максимальный изгибающий момент при центральном загружении
плиты; K – переходный коэффициент от изгибающего момента при центральном загружении к моменту при краевом загружении плиты; KN – коэффициент,
учитывающий накопление остаточных прогибов в основании; Kx(y) – коэффициент, учитывающий перераспределение внутренних усилий в плитах покрытий с
различной жесткостью Bx и By; σt – температурные напряжения; γс – коэффициент условий работы; H – толщина плиты; Ku – коэффициент, учитывающий количество 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 судов, температурные напряжения. Закономерности изменения указанных параметров взяты по результатам исследований А.П. Виноградова, Л.И. Комчихиной 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 интерпретации 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 классификация 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 воздушных судов различных групп эксплуатации, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
Вероятность воздействия самолетов на покрытие QВС
Группы ВС
I
II
III
IV
Вероятность
воздействия ВС
первый
начало конец
0,06
0,12
0,06
0,14
0,06
0,16
0,06
0,17
Размер участков покрытия от длины ИВПП
второй
третий
четвертый
пятый
начало конец начало конец начало конец начало конец
0,05
0,24
0,04
0,36
0,03 0,44 0,00
0,5
0,04
0,29
0,03
0,4
0,03
0,5
0,00
0,5
0,04
0,25
0,03
0,36
0,02 0,52 0,00
0,5
0,04
0,27
0,03
0,39
0,02 0,56 0,00
0,5
0,38
0,32
0,21
0,08
0,01
Допуская, что воздействие самолетов на покрытие имеет одинаковую интенсивность 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 3
Площади участков аэродромного покрытия
Группа ВС
I
II
III
IV
Вероятность
воздействия ВС
0,38
0,32
0,21
0,08
0,38
0,32
0,21
0,08
0,38
0,32
0,21
0,08
0,38
0,32
0,21
0,08
Площадь участка аэродромного покрытия, м2
А
Б
В
Г
0
116
301
486
0
176
458
435
0
144
324
359
0
162
298
312
694
3102
4213
3349
903
3982
4190
3241
1632
4318
2729
3136
2398
3931
4416
3197
0
92
7269
10214
0
1667
10242
11354
0
18
7420
12888
0
584
7531
13563
0
0
0
2232
0
0
0
2963
0
0
0
3298
0
0
0
3474
Площадь участка, на котором вероятность воздействия воздушного судна
4
составляет Qвс=0,01, вычисляется по формуле: S 5  S общ   S i , где Sобщ – плоi 1
щадь покрытия ИВПП; Si – площадь i-го участка покрытия.
Результаты хорошо согласуются с данными, полученными А.П. Степушиным и А.П. Виноградовым, а также с результатами натурных наблюдений на
ряде аэродромов государственной авиации.
Полученный математический аппарат реализован в статистиковероятностной 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 прочности при сжатии Rbtb, группа участков аэродромного покрытия: параметры механического 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 искусственного основания K sио , коэффициент постели естественного основания K sео .
В качестве выходного параметра – количество разрушенных плит.
Для автоматизации расчетов разработана прикладная программа «Nadeznost», реализованная в среде Mathlab.
По результатам численного эксперимента установлено, что надежность
аэродромного покрытия в зависимости от типа ВС и типа искусственного основания 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 исходных данных ярко выражены три периода накопления повреждений аэродромного 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 вследствие физико-химических процессов формирования цементного камня и возникновения температурных деформаций; период Т2 ( Pф  0,95; Pкр ) – нормальная эксплуатации покрытия: происходит развитие дефектов и появление повреждений, связанных с воздействием эксплуатационных нагрузок от ВС, в
этот период возникают повреждения, влияющие на безопасное производство
полетов; период Т3 (Рф<Pкр) – интенсивный износ: происходит неконтролируемое разрушение конструкций аэродромного покрытия, угрожающие безопасности 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 покрытия находится в пределах 0,52 – 0,71.
1 – из плит ПАГ-14 по
искусственному основанию с KS=3500 МН/м3
на участке А для I группы эксплуатации ВС;
2 – из плит ПАГ-14 по
искусственному основанию с KS=2100 МН/м3
на участке Б для II группы эксплуатации ВС;
3 – из плит ПАГ-14 по
искусственному основанию с KS=2100 МН/м3
на участке Б для III
группы эксплуатации
ВС
Рис. 6. Показатели состояния аэродромного покрытия
Анализ результатов мониторинга эксплуатационно-технического состояния искусственных покрытий аэродромов, расположенных в 2, 3, 4 дорожноклиматических 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 колейного ряда. Соответствует периоду Т2 эксплуатации покрытия;
тип 2 – продольные и поперечные тонкие усадочные трещины в плитах,
шелушение поверхности плит, D-образное растрескивание. Характер – усадочные, температурные, появляющиеся в результате воздействия природноклиматических факторов. Соответствует периоду Т1 эксплуатации покрытия;
тип 3 – появление сквозных трещин, делящих плиту на фрагменты, образование просадок, уступов плит, сколов кромок бетона, фонтанирования,
вздыбливания, выбоин, глубокого шелушения. Указанные повреждения не достигли 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 2
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 обеспечивается условие безопасного производства полетов: повреждения достигли значений, превышающие предельно допустимые.
По результатам численного эксперимента получены допустимые и критические значения надежности для различных групп эксплуатации ВС, групп
участков покрытия.
В четвертой главе представлена альтернативная методика оценки эксплуатационно-технического состояния жестких аэродромных покрытий по показателю надежность.
Методика позволяет оценить эксплуатационно-технического состояния
каждого участка искусственного покрытия в отдельности, элемента летного поля 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:
Р( пл) i 
P
n
i
ф
mi ,
(7)
i 1
где mi – весовой коэффициент i-го повреждения.
Надежность по i-му повреждению плиты Pi ф  1  ri оценивается по степени риска ri разрушения плиты при наличии и величине повреждения:
 Н max  Н ( деф) i 
,
(8)
ri  0,5  
2
2
 S S

( деф) i 
 max
где Н(деф)i – фактическая величина i-го повреждения на рассматриваемой плите;
S(деф)i – среднеквадратическое отклонение фактической величины i-го повреждения на участке покрытия; Нmax– максимальная величина i-го повреждения;
Smax – среднеквадратическое отклонение максимальной величины i-го повреждения 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 уч 
 Р( обр) i
i 1
(9)
,
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 5
Допустимые значения надежности участков покрытия
Группа
участков
покрытия
Б
А
В
Г
Б
Б
Элемент аэродрома
Участки ИВПП, примыкающие к концевым участкам
Концевые участки ИВПП, магистральная
рулежная дорожка
Средняя часть ИВПП
Краевые участки в средней части ИВПП,
за исключением примыкающих к соединительной рулежной дорожки
Места стоянки воздушных судов
Соединительные и выводные рулежные
дорожки
Допустимое
Критическое
значение
значение
min
надежности, Pэ
надежности, Pкр
0,81
0,66
0,84
0,71
0,77
0,59
0,74
0,52
0,74
0,66
0,74
0,66
 если Р уч  Pэmin , то участок покрытия считается исправным, достаточно ограничиться планированием работ эксплуатационного содержания.
min
 если Р уч  Pэ , то участок аэродромного покрытия считается неисправным и производится проверка на работоспособность из условия:
Р уч  Pкр (значения Ркр приведены в табл. 5): если условие выполняется - участок 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 6
Категории эксплуатационно-технического состояния элемента покрытия
Состояние участков элемента покрытия
исправны и работоспособны
один и более участок - неисправен и
работоспособен
один и более участок - неработоспособен
Состояние элемента покрытия
работоспособное
ограниченно
работоспособное
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 аэродромного покрытия разработаны номограммы (пример представлен на рис. 6),
позволяющие определить допустимое количество приложений эксплуатационных нагрузок до капитального ремонта покрытия в зависимости от фактического 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 интенсивности полетов воздушных судов, используя формулу (5), определяется эксплуатационная долговечность покрытия.
Результаты сравнительной оценки эксплуатационно-технического состояния аэродромного покрытия ИВПП действующими методами и альтернативной
методикой, приведены в табл. 7.
Таблица 7
Результаты определения категории эксплуатационно-технического
состояния покрытия
№
п.п.
1
2
3
Расчетная
методика
По индексу состояния покрытия
По комплексному
показателю
Сигнальной оценки
Значение
Показатель элемента участка
4
6
По индексу сохранения покрытия
Н.В. Свиридова
покрытия
42
–
–
удовлетворительное
–
Кк
68
–
–
хорошее
–
Sк
3,8
–
–
стадия нормальной
эксплуатации
–
Б – 0,93
Рэ
0,94
В – 0,96
Г – 0,96
5
участка
Прогнозидоп
руемое nвс
PSI
А – 0,94
По показателю
надежность
Состояние
MI
исправен и работоспособен
исправен и работоспособен
работоспособное
исправен и работоспособен
исправен и работоспособен
4,7·104
4,3·104
3,1·105
5,3·105
3,6
–
–
работоспособное
–
1,3
–
–
удовлетворительное
–
1 – III группа эксплуатации
ВС, покрытие из плит ПАГ,
основание с KS≤1200 МН/м3;
IV группа эксплуатации ВС,
покрытие из плит ПАГ, основание с KS≤1200 МН/м3;
2 – II группа эксплуатации
ВС, покрытие из плит ПАГ,
основание с KS≤1200 МН/м3;
III группа эксплуатации ВС,
покрытие из плит ПАГ, основание с 1200<KS<2100
МН/м3; IV группа эксплуатации ВС, покрытие из плит
ПАГ,
основание
с
3
1200<KS<2100 МН/м ; III
группа эксплуатации ВС,
цементобетон, основание с
KS≤1200 МН/м3;
3 – I группа эксплуатации
ВС, покрытие из плит ПАГ,
основание с KS≤1200 МН/м3;
4 – II группа эксплуатации
ВС, покрытие из плит ПАГ,
основание с 1200<KS<2100
МН/м3; III группа эксплуатации ВС, покрытие из плит
ПАГ, основание с KS≥3500
МН/м3; III группа эксплуатации ВС, цементобетон,
основание с 1200<KS<2100
МН/м3;
5 – I группа эксплуатации
ВС, покрытие из плит ПАГ,
основание с 1200<KS<2100
МН/м3; IV группа эксплуатации ВС, покрытие из плит
ПАГ, основание с KS≥3500
МН/м3;
6 – II группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS≥3500 МН/м3; III группа
эксплуатации ВС, цементобетон, основание с KS≥3500 МН/м3; IV группа эксплуатации ВС, цементобетон, основание с KS≤1200 МН/м3;
7 – I группа эксплуатации ВС, покрытие из плит ПАГ, основание с KS≥3500 МН/м3; IV группа
эксплуатации ВС, цементобетон, основание с 1200<KS<2100МН/м3;
18 – IV группа эксплуатации ВС, цементобетон, основание с KS≥3500 МН/м3
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 существующих методик оценки эксплуатационно-технического покрытия жестких аэродромных 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 повреждений, достаточных для оценки эксплуатационно-технического состояния
покрытия и впервые установлены значения коэффициентов весомости указанных
повреждений по степени влияния на безопасность полетов. Использование полученных коэффициентов позволяет оценить и спрогнозировать эксплуатационнотехническое состояние жестких покрытий аэродромов.
2. Впервые предложена система мониторинга жестких аэродромных покрытий, отличающаяся от известных тем, что используется при оценке эксплуатационно-технического состояния определенный в ходе экспертного опроса перечень повреждений, достаточный для определения надежности покрытия.
3. Для прогнозирования срока службы аэродромного покрытия впервые
введен новый показатель надежности – эксплуатационная долговечность, характеризующий свойство покрытия сохранять работоспособность до граничного 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 пороговые значения надежности аэродромного покрытия для различных периодов накопления повреждений в зависимости от интенсивности эксплуатации покрытия воздушными судами, а также значения надежности, определяющие работоспособность аэродромного покрытия для различных групп эксплуатации ВС.
5. Разработана
прогностическая
модель
разрушения
жестких
аэродромных покрытий под воздействием эксплуатационных нагрузок, базирующаяся 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 работоспособности 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 состояния бетонных аэродромных покрытий на основе вероятностностатистического 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 аэродромных 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 аэродромных покрытий под воздействием эксплуатационных нагрузок / А.Н. Попов,
И.Г. Шашков // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. – 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 Israel-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 академических 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 авиации: 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 эксплуатационно-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»: Инженерноаэродромное обеспечение – Воронеж: ВАИУ, 2012. – С. 169 - 173.
Шашков Игорь Геннадиевич
МОНИТОРИНГ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЖЕСТКИХ АЭРОДРОМНЫХ
ПОКРЫТИЙ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учѐной степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 4.12.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага писчая.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ №
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии
Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий
Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
20
Размер файла
1 454 Кб
Теги
мониторинг, 252, прогнозирование, покрытия, аэродромных, шашкова
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа