Ảnh hưởng của áp suất bánh hơi và nhiệt độ cao đến hằn lún vệt bánh tàu bay

ª GS. TS. Phạm Huy Khang Trường Đại học Giao thông vận tải ª ThS. Nguyễn Đình Chung Công TNHH MTV Thiết kế và Tư vấn XDCT Hàng không ADCC Người phản biện: GS. TS. Nguyễn Xuân Đào PGS. TS. Nguyễn Hữu Trí

Tóm tắt: Bài báo phân tích ảnh hưởng của áp suất bánh hơi tàu bay và nhiệt độ cao của mặt đường đến sự hình thành hằn lún vệt bánh (HLVB) tàu bay bằng thí nghiệm APA.

Từ khóa: Áp suất bánh hơi, nhiệt độ cao, hằn lún vệt bánh tàu bay.

Abstract: The Article analyses Aircraft’s high tire pressure effects and high temperature of pavement to create aircraft’s rutting depth by APA (Asphalt Pavement Analyzer).

Keywords: Tires pressure, high temperature aircraft wheel vicious streak subsidence.

 

1. Đặt vấn đề

Các sân bay trên thế giới, hiện tượng HLVB tàu bay trên mặt đường bê tông nhựa (BTN - Hot Mix Asphalt) cũng khá phổ biến, đã được quan tâm nghiên cứu, đưa ra các giải pháp khắc phục. Ở nước ta, hiện tượng HLVB tàu bay (Rutting depth) cũng xuất hiện nhiều, dẫn tới sự suy giảm chất lượng khai thác mặt đường nhưng chưa có nghiên cứu đánh giá và đề xuất các giải pháp khắc phục. Tác giả đã nghiên cứu mô hình thực nghiệm và thiết bị thí nghiệm đánh giá HLVB tàu bay và đề xuất áp dụng tại Việt Nam để từng bước xử lý HLVB tàu bay.

2. Phân cấp tải trọng theo áp suất bánh hơi của tàu bay

Tổ chức Hàng không dân dụng thế giới sử dụng ACN (chỉ số phân cấp tàu bay - Aircraft Classification Number) / PCN (chỉ số phân cấp mặt đường - Pavement Classification Number) để đánh giá sức chịu tải của mặt đường sân bay, có 4 giá trị áp suất bánh hơi (tải trọng) để đánh giá PCN ứng với mã chữ Z, Y, X và W tương ứng với giá trị áp lực bánh hơi 72,5 psi (0,5MPa), 181,25 psi (MPa 1,25MPa), 253,75 psi (1,75MPa) và không giới hạn áp suất bánh hơi (Hình 2.1).

Hình 2.1: Tải trọng và áp suất bánh hơi các loại máy bay đang khai thác tại các sân bay

Hãng Boeing và Airbus đang sản xuất các dòng tàu bay có tầm bay xa hơn và sức chở lớn hơn, số lượng càng bánh và số bánh ít để tăng tải trọng thương mại, tải trọng dồn lên trên càng bánh chính và áp suất bánh hơi sẽ lớn. Tàu bay A350-900 và B787-900 có áp suất bánh hơi 1,69MPa (245 psi). Vietnam Airline đã đặt mua các loại tàu bay này, đã tiếp nhận và khai thác các tuyến bay nội địa, quốc tế từ tháng 7/2015. Áp lực bánh hơi lớn tác động trực tiếp đến các lớp kết cấu mặt đường, đặt biệt là lớp mặt BTN.

3. Mô hình thực nghiệm và thí nghiệm HLVB tàu bay

Để đánh giá ảnh hưởng của áp suất bánh hơi và nhiệt độ cao đến sự hình thành HLVB tàu bay, các hãng sản xuất tàu bay và FAA (Cục Hàng không Liên bang Mỹ) đã xây dựng các mô hình thí nghiệm để nghiên cứu như sau:

- Mô hình thực nghiệm:

Hình 3.1: Mô hình thực nghiệm của Airbus

 

Hình 3.2: Mô hình thực nghiệm của Boeing

- Thí nghiệm trong phòng bằng máy thí nghiệm APA (Asphalt Pavement Analyzer).

Trong các phương pháp thí nghiệm, phương pháp sử dụng máy thí nghiệm APA có chi phí rẻ nhất và phù hợp với điều kiện Việt Nam. Dưới đây, tác giả trình bày chi tiết phương pháp này và các kết quả thử nghiệm cho mẫu BTN.

4. Thiết bị thí nghiệm

Cục Hàng không Liên bang Mỹ - FAA đã cải tiến thiết bị thí nghiệm APA (Asphalt Pavement Analyzer) để tăng áp lực bánh hơi phù hợp với tải trọng và áp lực bánh hơi của các dòng tàu bay thương mại khoảng 250 psi (1,72MPa) và có thể tăng lên từ 260 psi (1,79MPa) đến 500 psi (3,45MPa) qua một bánh xe bằng hợp kim nhôm và lốp cao su tương ứng với các tải trọng, áp lực khác nhau (mô phỏng tốc độ thay đổi của tàu bay). Thí nghiệm APA với 3 điều kiện khác nhau về áp suất và nhiệt độ để xác định ảnh hưởng của áp lực bánh hơn và nhiệt độ cao đến kết cấu mặt đường sân bay. Kết quả thí nghiệm xác định độ sâu vệt lún bánh tàu bay, tỉ lệ biến dạng (Hình 4.1, 4.2).

Hình 4.1: Máy thí nghiệm APA cải tiến

 

Hình 4.2: Đồng hồ điều chỉnh áp lực

 

5. Điều kiện thí nghiệm

Thí nghiệm với 3 mức áp suất và 3 mức nhiệt độ (Bảng 5.1).

Bảng 5.1

 

Mẫu thí nghiệm BTN được thiết kế theo phương pháp Marshall đáp ứng tiêu chuẩn P401 - Advisory Circular - AC 150/5370-10E (2009) Standards for Specifying Construction of Airport. Kích thước mẫu có đường kính 6 ins (152mm), chiều cao 3 ins (76mm), mỗi chỉ tiêu thí nghiệm từ 2 - 4 mẫu để đánh giá.

6. Kết quả thí nghiệm độ sâu HLVB tàu bay (Hình 6.1, 6.2)

Hình 6.1: Kết quả thí nghiệm tại nhiệt độ 700F (210C) và 1400F (600C) với áp suất bánh hơi 250 psi (17,2MPa)

 

Hình 6.2: Kết quả thí nghiệm tại nhiệt độ 700F (210C) với áp suất bánh hơi 100 psi (0,69MPa) và 250 psi (17,2MPa)

 Thí nghiệm cũng nghiên cứu ảnh hưởng nhớt đàn hồi dẻo của vật liệu BTN với việc sử dụng đường cong đồng từ biến phụ thuộc vào ứng suất và nhiệt độ xác định theo 3 trạng thái làm việc của vật liệu trong phân tích mô-đun đàn hồi động DMA (Dynamic Mechanical Analysis) và thí nghiệm từ biến động (Hình 6.3).

Hình 6.3: Kết quả thí nghiệm với áp suất bánh hơi 250 psi (17,2MPa) tại nhiệt độ 1400F (600C)

Từ kết quả thí nghiệm trên, xác định được mối quan hệ giữa độ sâu vệt hằn bánh tàu bay với số lần tác dụng của tải trọng trên cơ sở tỉ lệ độ sâu vệt hằn với số lần tác dụng của tải trọng (Bảng 6.1).

Bảng 6.1

Sử dụng phương pháp VESYS để dự tính HLVB tàu bay dựa trên giả thuyết “biến dạng lâu dài của mặt đường tỉ lệ với biến dạng đàn hồi”. Công thức tính HLVB tàu bay cho hệ kết cấu mặt đường như sau:

 

 

 

 

 

7. Nhận xét

- Dưới tác dụng cùng điều kiện tải trọng, nhiệt độ mặt đường tăng từ 21⁰C lên 60⁰C, HLVB tàu bay tăng lên 4 lần;

- Trong điều kiện nhiệt độ không thay đổi (60⁰C), áp suất bánh hơi tác dụng lên mặt đường tăng từ 100 psi (0,69MPa) đến 250 psi (1,72MPa), HLVB tàu bay tăng lên 2 lần;

- Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến sức chịu tải của lớp BTN, việc nghiên cứu chế tạo cấp phối BTN có cường độ ổn định với nhiệt độ môi trường và chịu được áp suất bánh hơi lớn của tàu bay là rất quan trọng và cần thiết, quyết định chất lượng và tuổi thọ khai thác mặt đường sân bay;

- Sử dụng thí nghiệm APA để đánh giá chất lượng hỗn hợp BTN và xác định các tham số để dự tính độ sâu HLVB tàu bay theo công thức do FAA đã nghiên cứu có thể áp dụng vào điều kiện nước ta;

- Vật liệu, cấp phối BTN sử dụng làm mặt đường sân bay và đưa vào trong thí nghiệm APA được quy định tại mục P401 HMA -  Advisory Circular - AC 150/5370-10E (2009) Standards for Specifying Construction of Airports, cần có những nghiên cứu chi tiết, đánh giá và thử nghiệm để xây dựng quy trình thi công, nghiệm thu mặt đường BTN trong sân bay theo điều kiện của Việt Nam.

8. Kết luận

- Việc xây dựng các mô hình thực nghiệm như của các hãng sản xuất tàu bay tại các sân bay sẽ cho kết quả chính xác nhất khi xét đến đầy đủ các yếu tố tác động thực tế. Tuy nhiên, việc xây dựng các mô hình thực nghiệm sẽ rất tốn kém và khó thực hiện trên thực tế;

- Việc áp dụng thí nghiệm APA của FAA để thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của áp suất bánh hơi và nhiệt độ cao đến HLVB tàu bay sẽ phù hợp hơn với điều kiện nước ta.

Tài liệu tham khảo

[1]. International Civil Aviation Organization, Aerodrome Design Manual (Doc 9157-AN/901), Part 3, Pavement, Second Edition 1983.

[2]. Advisory Circular - AC No 150/5320-6E (2009), Airport Pavement Design and Evaluation.

[3]. Advisory Circular - AC 150/5370-10E (2009), Standards for Specifying Construction of Airport.

[4]. CTPOиTEљHЫE HOPMЫ и пPABилA POCCийCKOй фEДEPAции,AЭРОДРОМЫ CHип 2.05.08 - 1985 - 1996.

[5]. TCVN 10907:2015, Sân bay dân dụng - Mặt đường sân bay - Yêu cầu thiết kế.

[6]. High tire pressure and Temperature effects on hot mix asphalt concrete permanent deformation using customized Asphat Pavement Analyzer (APA) (2010), Presented for the 2010 FAA Worldwide Airport Technology Transfer Conference Atlantic City, New Jersey, USA.

[7]. Zhang Qi-sen, Chen Yu-Liang, Li Xue-Lian (2009), Rutting in Asphalt Pavement under Heavy Load and High Temperature.

[8]. Effect of Temperature on the Elastic Response of Asphalt Treated Base Material (1972), Michigan Department of State Highways.