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4. AFFONDAMENTO DELLA RUOTA
La previsione dell'affondamento delle ruote nello strato superficiale delle strip realizzato con terreno naturale è il dato più importante derivante dalle indagini di interazione ruota-terreno poiché, sulla base delle indicazioni fornite dai costruttori, è in grado di darci informazioni sul livello di rischio cui aeromobile e passeggeri sarebbero esposti qualora ricorresse il caso di un'escursione.
Il presente lavoro ha ricercato e raggruppato in tre categorie le soluzioni proposte negli anni dagli Autori che si sono occupati di dare una risposta al problema della previsione dell'affondamento; le tre categorie di cui sopra sono le seguenti:
metodi empirici;
metodi analitici;
metodi sperimentali.
Nell'ambito della ricerca bibliografica sono stati individuati diversi metodi sviluppati negli anni da vari Autori; tuttavia nel corso di questo lavoro verranno proposti solo quelli maggiormente utilizzati come modelli di previsione che nascono da solide basi teoriche e sperimentali.
Occorre premettere che quello dell'affondamento è un problema che per molti anni è risultato di secondaria importanza: gli studiosi che si sono occupati di approfondire il campo della viabilità su suoli soffici e, nello specifico, le operazioni di aerei militari su piste semi-preparate o non preparate hanno principalmente concentrato la loro attenzione sulla drag-force che il terreno attraversato esercita sulla ruota del velivolo, mancando di determinare o misurare l'affondamento nell'ambito delle campagne sperimentali condotte.
Successivamente molti sono stati gli studi volti alla determinazione preventiva dell'affondamento di una ruota su un determinato suolo, cercando di stabilire una correlazione con la drag-force. Tuttavia tali studi hanno sempre mantenuto caratteristiche quasi esclusivamente teoriche e si sono basati su ipotesi semplificative che non sempre ne hanno reso attendibili i risultati; ad oggi, infatti, non esistono modelli empirici in grado di rappresentare con estrema accuratezza il fenomeno di interazione ruota-terreno soffice in maniera diffusa, ossia modelli che siano in grado di poter essere applicati a scenari diversi da quelli per cui sono stati calibrati.
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Anche a causa delle indeterminazioni nelle procedure e nei risultati ottenuti con tali metodi, gli studiosi nel corso degli anni hanno sfruttato sempre di più la crescita esponenziale dell'industria informatica per mettere a punto strumenti in grado di simulare con ottimo livello di verosimiglianza lo scenario su cui si vuole indagare; ovviamente ci riferiamo agli strumenti di modellazione agli elementi finiti (DEM). Tuttavia tale modellazione è caratterizzata da una procedura laboriosa, richiedente test di laboratorio ed in sito per la calibrazione del modello di simulazione e di fatto si presenta come una procedura molto costosa. Allo stesso tempo essa appare al momento l'unica tecnica che sia in grado di simulare in tutto e per tutto la reale situazione che caratterizza le strip ed il reale comportamento dinamico del velivolo; bisogna capire se gli oneri legati alla calibrazione sono giustificati dalla reale esigenza di un così alto livello di dettaglio.
Per aggirare gli ostacoli derivanti da queste procedure c'è chi ha proposto di condurre dei test in scala reale (Single Wheel Load Test), i quali sembrano avere un'ottima corrispondenza con la realtà. In termini di rappresentatività del problema, essi si collocano a metà strada tra metodi empirici e metodi analitici: a differenza dei primi, non si basano su alcuna ipotesi semplificativa, testando il terreno nelle su effettive condizioni e considerando la ruota di dimensioni e pressione di gonfiaggio reali. Confrontati con i metodi analitici di modellazione, presentano il grosso vantaggio di non richiedere alcuna calibrazione.
La descrizione dettagliata delle basi teoriche, delle procedure tecniche, dei pregi e difetti di ognuno dei metodi oggetto di studio verrà trattata diffusamente nei capitoli seguenti. Sottolineiamo come ciascuno dei metodi sopra menzionati sia in grado di fornirci una previsione dell'affondamento e della drag-force, partendo dai dati caratteristici del terreno e degli altri parametri che, come abbiamo già visto, influenzano il fenomeno di interazione; in particolare, molti di essi sono legati alla determinazione dell'aereo
critico, come ad esempio il carico gravante sul nose-gear, le dimensioni della ruota, la
pressione di gonfiaggio degli pneumatici, la velocità di ingresso nella strip.
La determinazione dell'aeromobile critico non è di facile individuazione: alcuni Autori suggeriscono di assumere come tale il velivolo che maggiormente impegna la pista in
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termini di richiesta prestazionale, inducendo in essa la maggiore entità di danni; questo si traduce nell'assumere come aereo critico il velivolo di massa maggiore.
Altri Autori, invece, suggeriscono di individuare l'aereo critico mediante accurate valutazioni di risk assessment che tengano conto, oltre che della massa del velivolo, anche del numero di passaggi e, di conseguenza, dell'effettiva probabilità che esso sia soggetto ad un'escursione dalla pista; alla fine viene preso come riferimento il velivolo che, a parità di probabilità di incorrere in un'escursione, genera i solchi più profondi subendo i danni di maggiore entità. Tale interpretazione è quella cui la Circolare ENAC fa riferimento per la valutazione e l'eventuale adeguamento della capacità portante delle
strip sulla base della previsione dell'affondamento.
Una volta determinato l'aereo critico, sono definite le caratteristiche del velivolo da inserire nei modelli di previsione utilizzati. Di particolare interesse appare la determinazione del carico verticale gravante sulla gamba di forza anteriore del velivolo: esso deriva dalla distribuzione dei carichi tra le gambe di forza e, per agire a favore di sicurezza, deve essere calcolato in riferimento al MTOW (Maximum Take-Off Weight), ossia il peso a pieno carico al decollo comprensivo del peso del carburante, dei passeggeri e delle valigie.
Per il calcolo rigoroso di tale carico verticale ci vengono in soccorso le indicazioni delle FAR contenute nel §25.493 Braked roll conditions [6] :
"... Un aeroplano equipaggiato con nose gear deve essere progettato per resistere ai carichi derivanti dalla rotazione in avanti dell'aeroplano (pitching motion) a causa dell'improvvisa applicazione della massima forza frenante. L'aeroplano è considerato col suo peso di progetto in fase di decollo con il nose e il main-gear in contatto con il suolo, e con un fattore di carico verticale stazionario pari a 1,0 .
La reazione verticale che il nose gear oppone a questo carico deve essere comprensiva dell'incremento massimo di carico gravante su esso a causa dell'improvvisa applicazione della massima azione frenante (e quindi del momento di beccheggio). ...
... In assenza di un'analisi più razionale, la reazione verticale del nose-gear descritta sopra deve essere calcolata in accordo con la seguente formula:
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Figura 4.1 - Schema statico di distribuzione dei carichi sui carrelli
in cui:
VN = reazione verticale del nose gear;
WT = peso di progetto al decollo;
A = distanza orizzontale tra il centro di gravità dell'aereo e il nose gear;
B = distanza orizzontale tra il centro di gravità dell'aereo e la linea che unisce il centro delle ruote del main gear;
E = altezza del centro di gravità dell'aereo dal suolo lunga la verticale; f = coefficiente di attrito statico pari a 0,8 ;
m = coefficiente di attrito dinamico pari a 2,0 " .
Relativamente alla formula riportata sopra, i dati da inserirvi sono facilmente reperibili dalla consultazione delle schede tecniche degli aeromobili rese pubbliche dalle case costruttrici; da tali schede tecniche è possibile risalire anche alle dimensioni delle ruote dei carrelli di atterraggio ed alla loro configurazione (assi tandem, tridem, ecc) ed alla pressione di gonfiaggio degli pneumatici che completano le ruote.
Una volta calcolato l'affondamento, il valore ottenuto deve essere assoggettato alla verifica della rispondenza alle prescrizioni normative; nel caso degli aeroporti italiani,
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l'affondamento registrato deve risultato inferiore o al più uguale ai 15 cm. prescritti dalla Circolare ENAC esaminata nel Capitolo 2.
Tuttavia, anche se non espressamente previsto, è possibile effettuare un'ulteriore verifica delle condizioni di interazione ruota-terreno, confrontando il valore della
drag-force derivante dall'affondamento previsto con il valore massimo dell'azione orizzontale
cui la struttura del nose-gear può resistere e che le FAR consentono di calcolare attraverso le indicazioni riportate nel §25.493 Braked roll conditions [6] :
"... Per un aeroplano con un carrello anteriore il coefficiente di sicurezza relativo al carico verticale limite è 1,2 applicato al peso di progetto del velivolo in fase di atterraggio e 1,0 in fase di decollo.
Una reazione orizzontale, uguale a quella verticale, moltiplicata per un coefficiente di attrito di 0,8 , deve essere combinata con la reazione verticale e applicata al punto di contatto col suolo di ogni ruota dotata di freni. ..." .
Stando a quanto riportato sopra, il carico orizzontale massimo di progetto DN per il
quale il nose-gear viene progettato è pari a:
Pertanto, nell'ambito dell'ulteriore possibile verifica che stiamo illustrando, la
drag-force fornita dal modello di previsione dovrà risultare inferiore o al più uguale al valore
di DN definito come carico ultimo di progetto che la struttura del nose-gear è in grado di
sopportare prima di rompersi.
La previsione dell'affondamento è molto importante poiché consente alle Società di gestione aeroportuale di valutare l'adeguatezza delle strip al traffico accolto presso la proprie infrastrutture, potendo in questo modo pianificare, progettare e realizzare interventi di adeguamento della capacità portante delle strip laddove le prescrizioni normative non venissero soddisfatte.
Come abbiamo visto nel corso del Capitolo 2, le prescrizioni Normative non sono solo relative all'affondamento, ma anche all'indice CBR posseduto dallo strato superficiale e da quello sottostante, che per semplicità di trattazione definiamo come sottofondo.
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La stragrande maggioranza dei metodi che abbiamo individuato e che analizzeremo diffusamente nel corso dei prossimi capitoli consentono di effettuare le verifiche in termini di affondamento (e quindi di drag-force); uno di essi consente solo la verifica in termini di CBR, mentre un altro ancora fornisce tutti i parametri oggetto di indagine, consentendo di avere una panoramica completa sulle strip soggette a verifica.
Figura 4.2 - Schema rappresentativo delle possibili indagini sulle strip
Relativamente alla sola verifica dell'affondamento, può capitare che il valore stimato sia superiore ai 15 cm imposti dalla Normativa; in tal caso bisogna estendere l'analisi allo strato sottostante poiché significa che lo strato superficiale è stato portato a rottura con conseguente trasferimento dell'intero carico al sottofondo.
Pertanto se le indagini condotte sullo strato superficiale evidenziano un affondamento accettabile, la verifica può considerarsi superata; se, invece, l'affondamento previsto eccede il valore limite si rende opportuno:
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Figura 4.3 - Schema rappresentativo della procedura di verifica delle strip
- valutare degli interventi finalizzati al miglioramento della capacità portante dello strato superficiale;
- calcolare il cedimento che il sottofondo subisce per effetto dell'applicazione del carico; se esso risulta di modesta entità (ossia rientrante nei limiti dei cedimenti di natura elastica), la verifica può ritenersi soddisfatta, al netto di interventi di miglioramento dello strato soprastante. Se invece l'entità dello strato di sottofondo eccede il limite elastico, occorrerà intervenire con degli interventi di miglioramento anche a questo livello di profondità.
Il calcolo del cedimento relativo al sottofondo e gli interventi di miglioramento di entrambi gli ordini di strati verranno trattati diffusamente nei successivi capitoli.
