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3. INTERAZIONE AEROMOBILE - TERRENO
Come prescritto dalla Normativa Nazionale, le runway strip devono essere costituite da un sottofondo di adeguata portanza che sia in grado di sopportare il peso dell'aeromobile considerato critico senza rompersi; sono poi completate da uno strato superficiale di terreno vegetale che assolva il compito di frenare il velivolo mediante l'affondamento delle ruote dello stesso. Tale strato viene poi completato da un'adeguata vegetazione, che ha il compito di ammorsare il terreno soffice mediante il suo apparato radicale. L'interazione, pertanto, coinvolge due
aspetti, come illustrato dall'immagine:
- l'affondamento (sinking) della ruota nello strato soffice, ammettendo quindi che questo subisca deformazioni permanenti sottoforma di solchi;
- la reazione del sottofondo, che risponde
deformandosi elasticamente; nell'immagine è indicato come "sinking on stable ground", anche se in realtà non si tratta di affondamento bensì di cedimento. E' necessario, infatti, operare una distinzione a livello di nomenclatura: deformazioni che sconfinano in campo plastico, relative ad ormaie di entità significativa derivanti dalla rottura del terreno per superamento della capacità limite, verranno d'ora in avanti indicate con il termine "affondamento". Invece, piccole deformazioni elastiche prodotte dall'applicazione di carichi inferiori alla capacità limite del terreno verranno indicate con il termine "cedimento"; è necessario, pertanto, verificare che la deformazione prodotta abbia entità tale da non sconfinare in campo plastico, caso in cui si instaurerebbero nel terreno cinematismi che asseconderebbero le superfici di rottura caratteristiche della particolare tipologia di suolo considerato. Qualora ciò avvenisse, il sottofondo non sarebbe più in grado di fornire la portanza necessaria a consentire il passaggio dell'aereo considerato critico, degenerando in un affondamento che si estenderebbe dallo strato superficiale a quello inferiore, eccedendo il valore massimo dei 15 cm dettato dalle prescrizioni Normative.
Mentre per la determinazione dell'affondamento nello strato soffice analizzeremo diversi metodi proposti negli anni da vari Autori, ai fini della verifica della capacità
Figura 3.1 - Schematizzazione dell'affondamento
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portante del sottofondo e del calcolo del cedimento ci rifaremo alla teoria del multistrato elastico di Boussinesq.
Ai fini della determinazione dell'aereo critico, bisogna fare riferimento al velivolo che, così come avallato da appositi studi di risk assessment, abbia la maggiore probabilità di subire danni per via dell'affondamento registrato in seguito ad un'escursione accidentale. Solitamente si considera critico per le strip l'aereo che risulta critico per la pavimentazione della runway, ossia quell'aereo che ha un numero di passaggi elevato ed un peso a pieno carico di grande entità.
3.1. Descrizione fisica del fenomeno
Le variabili che influenzano le operazioni dell'aereo su suolo soffice si distinguono in primarie e secondarie, a seconda dell'importanza che assumono nell'ambito del fenomeno.
Variabili primarie:
- peso dell'aereo;
- entità dell'affondamento;
- caratteristiche fisiche (densità, umidità) e meccaniche (coesione, attrito) del terreno;
- dimensioni e pressione di gonfiaggio delle ruote;
- velocità di avanzamento;
- azione frenante;
- configurazione del carrello.
Variabili secondarie:
- passaggi multipli;
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Allo scopo di determinare la capacità di arresto del terreno adagiato sul sottofondo a completamento delle strip, si deve fare riferimento ad un modello di interfaccia ruota -terreno. Non sempre tale modello prende in considerazione anche la risposta dinamica del velivolo durante l'arresto (reazione degli ammortizzatori, coppia frenante applicata alle ruote, eventuali sterzate, ecc) .
Dai fattori sopra elencati dipendono le reazioni, verticale ed orizzontale, che il terreno oppone all'avanzamento ed al progressivo affondamento della ruota; da ciò deriva che affondamento e reazione del terreno sono strettamente correlati tra loro.
E' importante prevedere le forze che il terreno trasmette ai carrelli: troppo alte possono generare danni o rotture, troppo basse risultano inefficaci ai fini dell'arresto. Per avere questa previsione è importante conoscere la risposta dinamica del terreno, connessa alla tipologia di materiale che costituisce gli strati interessati dal fenomeno. Materiali privi di coesione, ad esempio, possono aumentare i sobbalzi e quindi esercitare azioni di maggiore intensità sui carrelli.
Nel corso dell'escursione, e quindi dell'attraversamento del terreno, lungo l'interfaccia tra pneumatico e terreno si producono diversi fenomeni dissipatori che riducono progressivamente l'energia cinetica posseduta inizialmente dal velivolo.
Tali fenomeni sono provocati:
- dalla compattazione del materiale intrappolato al di sotto dell'area di contatto tra pneumatico e superficie del terreno;
- dalla dispersione di una parte del materiale in direzione trasversale e longitudinale rispetto alla direzione del moto, con conseguente formazione di un'onda di terreno nella zona antistante la ruota (bow-wave);
- dall'attrito lungo la superficie laterale del pneumatico a causa delle sollecitazioni tangenziali che si sviluppano in seguito all'azione esercitata dal pneumatico stesso sul mezzo attraversato;
- dall'isteresi della gomma costituente i pneumatici;
- dalla frantumazione di una parte del materiale costituente il letto;
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Analizziamo i principali fenomeni dissipatori che si esplicano nel corso dell'interazione ruota-terreno:
Compressione
L'interfaccia tra la ruota ed il terreno è divisa in due segmenti: la superficie di contatto al di sotto della ruota, lineare, e l'arco di cerchio che parte da questa e termina in superficie, come si può evincere dall'immagine riportata a lato. Ovviamente entrambe queste componenti sono legate. all'entità
dell'affondamento registrato.
Quando la ruota rotola sul materiale avviene la compattazione dello stesso; durante questo processo, il materiale reagisce esercitando un'azione resistente alla compressione che può essere scomposta nelle componenti orizzontale e verticale. Di questo di parlerà diffusamente in seguito.
Adesione
Durante l'attraversamento del mezzo naturale, le particelle di materiale si muovono in direzione tangenziale insieme alla superficie di rotazione della ruota. All'interno di questo fenomeno, assumendo che la ruota si muova in condizioni di puro rotolamento e che quindi la velocità dell'immaginario punto di contatto sia nulla, una parte dell'energia cinetica posseduta dal velivolo viene trasformata in energia cinetica delle particelle di materiale generando la dispersione di una parte di esso in direzione trasversale e longitudinale rispetto alla direzione del moto. Questo fenomeno, di fatto, può essere trattato come una forza agente nella direzione opposta a quella di avanzamento del velivolo, accrescendo la resistenza incontrata da quest'ultimo.
Attrito
Quando la ruota penetra nel terreno, in relazione all'attrito che si esplica tra essa ed il materiale possiamo operare una distinzione tra attrito di fondo e attrito laterale: il primo è quello che si sviluppa tra la superficie esterna della ruota ed il materiale, mentre il secondo riguarda la superficie laterale della ruota.
Figura 3.2 - Schematizzazione
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Nella realtà l'attrito laterale può essere trascurato poiché la pressione laterale che si esplica in seguito al contatto assume valori molto esigui. L'illustrazione riportata a lato ci fa vedere che all'atto dell'attraversamento da parte della ruota il materiale viene allontanato lateralmente, per cui la superficie laterale dello pneumatico a contatto col terreno è veramente esigua, con risultati in termini di dissipazione dell'energia sotto forma di attrito trascurabili.
Trascurare i fenomeni dissipativi di modesta entità, tra cui quello dovuto alla resistenza offerta dall'aria,
equivale ragionevolmente all'assunzione di un margine di sicurezza.[7] [8]
Alla luce di quanto asserito, nel lavoro di modellazione fisica del fenomeno non tutti i contributi sopra descritti vengono presi in considerazione, ma solo i fattori dominanti nella dissipazione dell'energia quali la compattazione e la dispersione del materiale. In particolare, possiamo fare dei distinguo:
- se si esamina una strip composta da materiali prevalentemente coesivi (materiali a matrice prevalentemente argillosa/limosa), il fenomeno dissipativo predominante è quello dovuto alla compattazione del materiale che rimane intrappolato al di sotto della ruota;
- nelle strip costituite invece da materiale non coesivo (materiali a matrice prevalentemente sabbiosa), oltre al su citato fenomeno, si osserva che un consistente contributo alla dissipazione dell'energia è dovuto all'allontanamento di una parte del materiale del sistema dal solco realizzato dagli pneumatici.
Pertanto i modelli di interazione più utilizzati si basano sulla constatazione che, nel corso dell'arresto, la maggiore quantità di energia è dissipata dalla compattazione del materiale al di sotto dell'area di contatto e, per i terreni prevalentemente granulari, dal trasferimento di una parte della quantità di moto al materiale che rifluisce lateralmente.
Figura 3.3 - Rappresentazione
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Negli ultimi anni si assiste alla diffusione degli EMAS (Engineered Materials Arrestor
System), ossia letti di arresto localizzati nella RESA a fine pista. Il loro scopo è quello
di arrestare la corsa di un aeromobile in caso di overrun, cioè in caso di superamento della soglia di fine pista in fase di atterraggio o nell'eventualità di un "decollo abortito", nel minor spazio possibile e senza indurre danni all'aereo ed ai passeggeri.
Poiché la funzione delle strip è la stessa demandata ai letti di arresto, possiamo mutuare informazioni e metodologie dagli studi condotti su tali letti di arresto allo scopo di meglio comprendere i fenomeni di interazione fisica e meccanica che intercorrono tra ruota e terreno.
Bisogna ammettere che gli studiosi che si sono occupati dello sviluppo dei sistemi EMAS hanno escluso sin da subito materiali naturali quali sabbia e argilla dalla lista dei materiali impiegabili a tal fine. Essi, infatti, presentano un'elevata suscettibilità alle condizioni ambientali, in particolar modo alla variazione del loro contenuto di umidità, che ne influenza pesantemente ed in maniera incontrollata le caratteristiche di resistenza meccanica; per cui risulta impossibile prevederne precisamente il comportamento. In particolare, FAA ha promosso già negli anni '80 un esteso programma di ricerca articolato nello studio di materiali potenzialmente nuovi per la realizzazione di strati in terreno soffice, nello sviluppo di un modello matematico di interazione ruota-materiale, nell'applicazione di tale modello a materiali di arresto quali ghiaia e schiume, nella verifica del modello con uno B727 opportunamente strumentato.
La necessità di disporre di uno strumento di previsione delle performance di un velivolo coinvolto in un'escursione fu incoraggiato da uno studio commissionato da FAA [9]. Tale studio fu promosso per determinare se un aeromobile di massa al decollo compresa tra 50 e 300 tonnellate (114000 e 630000 lb.) potesse essere arrestato in meno di 300 metri (1000 feet) in maniera sicura dopo aver oltrepassato la soglia di pista disponibile ad una velocità di 130 km/h (70 nodi).
Lo studio produsse i seguenti criteri funzionali di progettazione per un sistema di arresto:
- i carichi applicati ai carrelli devono essere inferiori a quelli limite di progetto allo scopo di minimizzare i danni strutturali;
- il sistema deve consentire facile accesso e manovrabilità sicura ai veicoli impegnati nelle operazioni di soccorso;
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- la riparazione del sistema di arresto dopo il transito di un aeromobile deve essere semplice e rapida;
- le performance del sistema devono tollerare le condizioni meteorologiche più estreme;
- il sistema non deve attrarre volatili o altri animali che potrebbero rappresentare un rischio per le operazioni di volo;
- il sistema deve richiedere una minima manutenzione per conservare nel tempo la sua efficacia.
Tali criteri furono applicati a ciascun materiale come possibile candidato per essere impiegato nella creazione di sistemi d'arresto in materiale soffice. Furono considerati:
- laghi d'acqua artificiali, che però presentavano il duplice inconveniente di gelare alle basse temperature e di attirare i volatili;
- sabbia, che però presentava l'inconveniente di dover essere tenuta asciutta e sciolta per evitare che gelasse o consolidasse;
- argilla, che per essere efficace doveva essere tenuta umida e ciò è molto difficile da realizzare sotto tutte le condizioni ambientali;
- ghiaia che, come la sabbia, deve essere tenuta asciutta e sciolta ed inoltre era suscettibile di essere ingerita dalle turbine dei motori causando seri danni (Foreign
Object Debris).
Gli inconvenienti che caratterizzano acqua, sabbia e argilla furono rappresentavano dei limiti eccessivi; fu per tale motivo che tali materiali furono esclusi dal novero dei candidati per ulteriori studi futuri relativi alla loro applicazione nella realizzazione di sistemi di arresto. Discorso diverso toccò alla ghiaia, la quale fu considerata meritevole di ulteriori studi che ne decretarono l'idoneità all'utilizzo nei sistemi di arresto, a patto di essere opportunamente rivestita con degli opportuni strati di copertura che impediscano il verificarsi del fenomeno di jet-blast.
Nonostante l'esclusione dei materiali naturali, bisogna ammettere che realizzare delle
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cellulari (cellular concrete), su cui si concentra attualmente l'attenzione degli studiosi, non soddisfa le esigenze di ottimizzazione delle risorse economiche che caratterizzano l'operato delle Società di gestione Aeroportuale. Pertanto bisogna riferirsi agli studi condotti sugli EMAS con l'unico scopo di stabilire un'analogia tra materiali naturali (sabbia, argilla, ghiaia) e materiali engineered in termini di comportamento meccanico. Tale analogia è resa possibile dal lavoro svolto da ACRP [10]. In riferimento ai materiali per letti d'arresto, infatti, lo studio ha individuato due categorie di materiali:
- materiali compressibili (crushable), ossia dei materiali che subiscono per lo più la compattazione da parte della ruota;
- materiali disperdibili (displaceable), ossia dei materiali che subiscono per lo più la proiezione e l'allontanamento da parte della ruota.
Tabella 3.1 - Classificazione dei materiale utilizzabili nei sistemi di arresto passivi
Come si evince dalla tabella, i materiali naturali testati nell'ambito della ricerca sperimentale menzionata hanno presentato un comportamento che ha permesso di
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assoggettarli alla categoria dei displaceable; pertanto la nostra attenzione si focalizzerà sullo studio condotto per questa categoria di materiali.
Figura 3.4 - Schematizzazione dell'interazione ruota-terreno in un materiale displaceable
In relazione a questa categoria, è stato dimostrato sperimentalmente che il materiale sottostante la ruota viene compattato ed esibisce un comportamento simile a quello di un solido, opponendo all'azione derivante dal carico sulla ruota una reazione verticale; il materiale superficiale, invece, esibisce un comportamento simile a quello di un liquido, in analogia a quanto accade all'acqua che giace in un lago e viene perturbata dal passaggio di un natante. Infatti, il materiale tende trasversalmente a fuoriuscire dal solco e longitudinalmente a formare un'onda davanti alla ruota (bow-wave), la quale non fa altro che incrementare la reazione al moto esercitata dal terreno accrescendo la propria altezza all'aumentare dell'affondamento subito dalla ruota.
Da un punto di vista fisico, quanto appena descritto si esplica sotto forma di attrito tra le particelle, compattazione del terreno sotto le ruote, trasferimento della quantità di moto nella proiezione laterale delle particelle di terreno.
Da un punto di vista meccanico, invece, il materiale compattato sotto la ruota genera una reazione verticale che si oppone ad un ulteriore affondamento, mentre l'attrito tra le particelle e l'effetto "onda" che si forma davanti alla ruota generano una resistenza del mezzo che si oppone all'avanzamento del velivolo nella direzione del suo moto; tale resistenza prende il nome di drag-force ed è legata all'affondamento da un rapporto di proporzionalità diretta, come vedremo chiaramente nell'analisi di sensitività che segue.
Studi condotti negli anni hanno dimostrato che è buona norma sagomare la soglia delle
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shoulder; in questo modo si ottengono un affondamento ed una conseguente drag-force
di entità crescente all'aumentare della distanza, realizzando allo stesso tempo l'effetto di frenatura incrementale desiderato [11].
3.2. Analisi di sensitività
Tale tipo di analisi ha lo scopo di valutare in che modo ed in quale misura i vari parametri elencati precedentemente influenzino il fenomeno di interazione. L'obiettivo è quello di capire quanto una variazione di tali parametri possa influenzare il risultato finale in termini di affondamento e, di conseguenza, di drag-force.
Come si vedrà nel prossimo Capitolo, la mancanza di un metodo affidabile che ci consenta di fare previsioni su queste due grandezze fa sì che tale analisi possa essere condotta solo per via sperimentale; pertanto ci dobbiamo affidare ai risultati di studi effettuati nel corso dei decenni da vari Autori.
In particolare, campagne di questo tipo sono state condotte dagli Ingegneri della Difesa Americana allo scopo di mettere a punto modelli di previsione dell'affondamento; i risultati ottenuti nell'ambito dei test venivano confrontati con quelli previsti e contribuivano a convalidare o meno il modello messo a punto.
Ai fini della valutazione dell'affidabilità del metodo, era importante disporre di numerosi dati, ottenuti ripetendo i test in condizioni differenti, ossia facendo variare i valori dei parametri caratteristici all'interno del range che caratterizza ognuno. In questo modo si è potuto stabilire la dipendenza dell'affondamento dai parametri che lo influenzano principalmente.
Vedremo di seguito tale dipendenza esplicitata attraverso i diagrammi ottenuti nell'ambito di una delle campagne sperimentali di cui sopra. E' d'uopo precisare che la consultazione di tali diagrammi ha l'unico scopo di descrivere qualitativamente il fenomeno in oggetto: i risultati riportati, infatti, sono stati ottenuti mediante l'impiego di carichi inferiori a quelli che oggi gravano sulle gambe di forza di un velivolo e con
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pressioni di gonfiaggio degli pneumatici inferiori a quelle impiegate oggi. Pertanto l'analisi qualitativa che verrà eseguita fa sì che si faccia riferimento al solo andamento evidenziato tra le variabili in gioco trascurando completamente i valori numerici.
I dati che seguono sono stati raccolti presso il NASA Langley Research Center presso Hampton, in Virginia (USA), nell'ambito di test condotti con ruota singola guidata all'interno di un letto di arresto attraverso dei binari; durante questi test, a parità di carico esercitato sulla ruota, sono stati fatti variare la velocità di ingresso nel letto di arresto, il CBR del materiale, la pressione di gonfiaggio degli pneumatici. Si riporta in basso un'illustrazione dell'apparato sperimentale usato per condurre i test [12].
Figura 3.6 - Apparato sperimentale presso il NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, USA
3.2.1. Influenza della velocità
Mediante l'impiego dell'apparecchiatura precedentemente descritta, è stato possibile individuare il legame che intercorre tra i parametri che prendiamo come riferimento e la velocità che possiede il velivolo nel momento in cui impatta con il materiale che costituisce le strip, mantenendo costante l'entità del carico con cui la ruota viene caricata e la pressione di gonfiaggio del pneumatico.
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Figura 3.7 - Diagrammi velocità vs affondamento medio e velocità vs drag-force media per P=5300 lb. (2,4 tonn.) e
p=70 psi (0,48 MPa)
Dai diagrammi riportati si nota la forte dipendenza dalla velocità tanto dell'affondamento quanto della drag-force. Sicuramente la cosa più importante da notare è l'esistenza di tre regioni, delimitate da altrettanti valori di velocità, che evidenziano comportamenti differenti dei due parametri indagati. Relativamente all'affondamento, nella prima regione si ha un andamento decrescente, partendo da un massimo assoluto e raggiungendo un minimo locale; da questo punto in poi l'andamento diviene crescente, fino a raggiungere un massimo locale. Successivamente, entrando nella terza regione, l'affondamento decresce con continuità all'aumentare della velocità. Si nota che, per valori della velocità molto alti, l'affondamento è inversamente proporzionale alla velocità di avanzamento della ruota; questo fenomeno è dovuto al cosiddetto effetto "flotation", cioè galleggiamento, dovuto al fatto che la velocità di applicazione del carico è talmente elevata da fare in modo che solo una parte di esso vada effettivamente a comprimere il terreno presente sotto l'area di impronta. Ad alte velocità si verifica pertanto una sorta di "planata" dell'aeromobile sul terreno, in analogia a quanto avviene per un idrovolante che compia delle operazioni su uno specchio d'acqua; per i velivoli più pesanti si pensa che questo fenomeno si verifichi per velocità maggiori di 100 nodi (circa 180 km/h).
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Si vede che anche la drag-force, ossia la componente orizzontale della resistenza che il terreno oppone alla pressione esercitata dalla ruota, presenta un andamento simile a quello appena descritto: nella prima regione parte da un massimo relativo e decresce fino a raggiungere un minimo relativo, nella seconda regione cresce fino a raggiungere un massimo assoluto e da questo punto in poi entra nella terza regione, dove decresce con continuità all'aumentare della velocità. Il rapporto di proporzionalità inversa con la velocità esibito nella terza regione è dovuto al fatto che, a causa della maggiore velocità di applicazione del carico, gli sforzi si propagano con una certa attenuazione e l'attrito intergranulare si presenta in entità abbastanza modeste.
Dai diagrammi precedenti si evince come la drag-force risulti strettamente dipendente dall'affondamento.
Vediamo ora di dare una spiegazione fisica agli andamenti analizzati. Alle basse velocità (entro la regione I) la risultante delle forze inerziali è dovuta principalmente alla reazione verticale del terreno. L'affondamento di modesta entità che si verifica in questa fase fa sì che il carico sia distribuito su un'area di impronta maggiore; da questo scaturisce il fatto che la reazione del terreno è quasi verticale, comportando una componente resistente orizzontale quasi trascurabile e, di conseguenza, una drag-force di modesta entità.
Figura 3.8 - Reazione esercitata dal terreno alle basse velocità
Come abbiamo visto, all'interno di questa regione l'entità dell'affondamento diminuisce poiché all'aumentare della velocità l'entità del carico trasmesso al terreno subisce
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un'attenuazione: questo effetto dinamico è dovuto alla progressiva riduzione della durata dell'impulso rappresentato dal passaggio della ruota.
Al di fuori della regione I la drag-force comincia a predominare nel computo della risultante delle forze inerziali. L'incremento dell'affondamento fa sì che il carico si distribuisca su una superficie minore per via della riduzione dell'area d'impronta; ciò comporta un aumento dell'entità della reazione verticale del terreno, ma anche della
drag-force che si oppone all'avanzamento della ruota e che sappiamo essere
direttamente proporzionale all'affondamento stesso.
Se ciò si verificasse per tutti i valori di velocità maggiori di quello che decreta l'inizio della regione II, la drag-force porterebbe repentinamente all'arresto del velivolo; tuttavia abbiamo già scoperto l'esistenza di un'inversione della tendenza dell'affondamento, e quindi della drag-force, a partire da determinati valori di velocità. Ciò è giustificato dal fatto che, alle alte velocità, si verifica un effetto "planata" per cui la durata della pulsazione del carico è talmente bassa che il carico effettivamente trasmesso al terreno è abbastanza inferiore a quello reale.
Pertanto, volendo coniugare quanto appena visto al caso delle strip, notiamo che un aereo che, verosimilmente, esce di pista a forte velocità incorre nell'effetto planata, che lo porta a percorrere una determinata distanza prima di venire frenato ad opera della
drag-force. Ciò che si innesca è un progressivo affondamento con conseguente aumento
della resistenza e diminuzione della velocità, seguendo a ritroso l'andamento descritto precedentemente; tale comportamento giustifica le indicazioni normative di modulare la portanza all'interno dell'area strip, riducendola progressivamente man mano che ci si allontana dalla pista.
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Come già anticipato in precedenza, l'analisi che abbiamo condotto è solo qualitativa; non ha senso, infatti, soffermarsi sui valori delle grandezze in gioco poiché ogni condizione di carico e di pressione di gonfiaggio diversa da quelle usate nei test in oggetto conducono a risultati qualitativamente simili ma quantitativamente differenti. Ad esempio, i diagrammi rappresentati sono stati ottenuti per un carico di 5300 lb. (≈ 2,4 tonn.), con ruota dal diametro di 30 in. (≈ 76 cm) ed una pressione di gonfiaggio di 70 psi (≈ 0,5 MPa). La variabilità qui accennata verrà illustrata di seguito.
Nonostante ciò, quanto visto ci aiuta a comprendere che l'elevata velocità comporta un aumento della distanza di arresto del velivolo impegnato in un veer-off; se ciò da un lato non rappresenta un risultato positivo per la sicurezza delle operazioni di volo (c'è il rischio che il velivolo non arresti la sua corsa all'interno della strip ma vada ad invadere le taxiways, eventuali piste adiacenti o il piazzale), dall'altro sicuramente lo è per lo svolgimento in maniera efficiente delle operazioni di soccorso ad opera dei mezzi preposti, le cui velocità massime operative sono tali da ricadere nella regione III, riducendo così il rischio che tali automezzi rimangano bloccati all'interno della strip senza la possibilità di raggiungere il teatro dell'incidente.
3.2.2. Influenza della pressione di gonfiaggio
Nell'ambito dei test descritti, si è indagata la dipendenza dei parametri di riferimento anche dalla pressione di gonfiaggio degli pneumatici; in particolare, mantenendo costante il valore del carico applicato alla ruota, si è ripetuto lo stesso test per diversi valori della pressione di gonfiaggio tra quelli maggiormente in uso sui velivoli utilizzati all'epoca dell'indagine.
Dai diagrammi riportati in Figura 3.10 è possibile apprezzare, al solito, la dipendenza qualitativa dell'affondamento e della drag-force dalla pressione di gonfiaggio degli pneumatici; nello specifico, a parità di velocità è possibile notare come un aumento della pressione comporti un aggravio in termini di affondamento.
Quanto appena descritto è di facile intuizione: l'aumento della pressione di gonfiaggio comporta una riduzione dell'area di contatto tra pneumatico e superficie di rotolamento, fino a ridurre tale superficie ad un punto nel caso in cui la pressione sia tale da poter considerare la ruota pressoché rigida. Pertanto all'aumentare della pressione di
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gonfiaggio si riduce la deflessione dello pneumatico e quindi la sua area di impronta sul terreno, il che implica che il carico che grava sulla ruota viene trasmesso al terreno attraverso una minore superficie; tutto ciò comporta una maggiore pressione esercitata sul terreno e, intuitivamente, in un aggravio dell'affondamento.
Figura 3.10 - Diagrammi velocità vs affondamento medio e velocità vs drag-force media per P=5300 lb. e p variabile
- argilla
Come abbiamo già visto, l'andamento della drag-force segue da vicino quello dell'affondamento; per cui la variazione di pressione influenza la drag-force nella stessa misura in cui essa influenza l'affondamento.
I grafici riportati sopra sono relativi a terreno argilloso; su terreno sabbioso la mole di test condotti è stata di gran lunga inferiore. Tuttavia i risultati registrati per i terreni sabbiosi sono risultati sufficienti per ottenere i seguenti grafici riportanti l'andamento di affondamento e drag-force al variare della velocità e della pressione di gonfiaggio.
A tal proposito occorre effettuare una breve precisazione: in passato, in assenza di determinazioni più precise riguardo la pressione effettivamente trasmessa al terreno da parte della ruota, si era soliti fare riferimento alla pressione di gonfiaggio, a causa della
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difficoltà di calcolare l'effettiva superficie di impronta della ruota sul terreno soffice; infatti molti studi erano stati condotti relativamente al contatto ruota-superfici rigide (quali quelle stradali), ma scarse erano le conoscenze relative alle superfici soffici. Ciò si traduceva allora nell'assunzione dell'ipotesi che la ruota fosse idealmente rigida, cioè scevra da deflessioni. Negli anni sono stati condotti molti test sperimentali che ci consentono di determinare la superficie di impronta del pneumatico sul terreno, pervenendo così ad un calcolo più accurato della pressione trasmessa; tale pressione si rivela di fatto minore di quella di gonfiaggio.
Figura 3.11 - Diagrammi velocità vs affondamento medio e velocità vs drag-force media per P=5300 lb. e p variabile
- sabbia
Alla luce di quanto appena precisato, pertanto, assumere come valore della pressione esercitata sul terreno quello della pressione di gonfiaggio del pneumatico equivale a sovrastimare l'entità dell'affondamento; ciò, tuttavia, può equivalere ad assumere un certo margine di sicurezza nei confronti dei parametri indagati.
Ovviamente, ai fini della determinazione della pressione trasmessa è importante conoscere il carico che grava sulla ruota. Come già illustrato, i grafici che analizziamo in questo capitolo sono stati ottenuti ripetendo i test con un carico costante di 5300 lb. (≈ 2,4 tonnellate); tuttavia la variazione di pressione potrebbe essere prodotta, a parità di
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pressione di gonfiaggio degli pneumatici, variando il carico che grava sulla ruota. Quanto descritto finora varrebbe anche in questo caso.
3.2.3. Influenza dell'indice CBR
Come si evince dai grafici riportati di seguito e come del resto è facilmente intuibile, l'incremento di capacità portante del terreno in termini di indice CBR conduce ad un minore affondamento, il che implica l'applicazione di una drag-force minore alla ruota.
Figura 3.12 - Diagrammi velocità vs affondamento medio e velocità vs drag-force media per P=5300 lb., p variabile
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Figura 3.13 - Diagrammi velocità vs affondamento medio e velocità vs drag-force media per P=5300 lb., p variabile
e CBR=2,3 - argilla
Poniamo a confronto i diagrammi ottenuti conducendo i test precedentemente descritti all'interno di un letto di arresto realizzato in argilla e compattato a due diversi livelli, ottenendo in un caso un indice CBR di 1,5 ed in un secondo caso un indice CBR di 2,3. Soffermandoci sull'andamento dei due parametri indagati, notiamo che nel caso relativo al valore maggiore del CBR il tratto discendente nella regione I diviene ascendente, non mostrando più criticità per i valori di velocità prossimi allo zero. L'individuazione del picco di affondamento, che prima veniva raggiunto intorno alla velocità di transizione dalla I alla II regione, ora non è più così netta; in particolare, per bassi valori della pressione l'affondamento si attesta attorno ad una valore di massimo per un ampio intervallo di velocità, decrescendo poi nella regione III. Una migliore distinzione del picco si nota invece per le pressioni minori.
Relativamente alla drag-force, l'andamento all'aumentare del CBR appare più regolare, rimarcando i tratti caratteristici individuati nella trattazione precedente fatta in riferimento a valori di CBR minori.
L'aspetto importante su cui porre l'accento è sicuramente il fatto che l'effetto "planata" che prende corpo alle alte velocità, si manifesta anche in presenza di valori di CBR maggiori.
Per quanto finora detto, l'influenza del CBR è un aspetto molto importante nello studio delle strip poiché, tra tutti i fattori che influenzano il comportamento del terreno nel corso dell'interazione con la ruota, esso è l'unico su cui i progettisti possono esercitare
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qualche forma di controllo; la velocità che possiede l'aereo all'atto del veer-off, infatti, è una variabile aleatoria che oscilla all'interno di un range troppo ampio per poter essere prevista con precisione. Peraltro è la variabile che più di tutte influenza i parametri di riferimento ed è quindi quella che risente maggiormente delle contraddizioni che permeano le funzioni cui le strip sono demandate:
- velocità di escursione troppo basse determinano affondamenti troppo alti che, se da un lato servono a rallentare l'aereo nel minor spazio possibile, dall'altro comportano
drag-force potenzialmente dannose per gli apparati del velivolo e per l'incolumità dei
passeggeri;
- velocità troppo alte, invece, non sono soggette a rischi di affondamento eccessivo e quindi di drag-force elevata, ma comportano l'effetto "planata" con conseguente aumento della distanza di arresto e rischio di invasione di altre piste o strutture aeroportuali sensibili.
Non potendo stabilire con esattezza a quale velocità si verificherà l'evento, possiamo solo esercitare un controllo passivo sugli effetti della velocità.
Analogamente i progettisti non possono fare nulla per scongiurare gli effetti negativi della pressione: lo sviluppo dell'aeronautica civile e commerciale ha fatto sì che i velivoli fossero sempre più capienti ma, allo stesso tempo, sempre più pesanti. Allo scopo di evitare un'eccessiva deflessione degli pneumatici per scongiurare pericoli di rottura, le pressioni di gonfiaggio sono aumentate considerevolmente, raggiungendo valori che possono arrivare a 1,75 MPa, di gran lunga superiori a quelli usati per condurre i test analizzati sopra. Questo, come visto, produce effetti sfavorevoli sui parametri critici considerati su cui non possiamo intervenire in alcun modo.
L'unica variabile su cui possiamo intervenire attivamente è proprio l'indice CBR del terreno impiegato per la realizzazione dello strato soffice e del sottofondo della strip. Come abbiamo precedentemente visto, un terreno caratterizzato da un maggiore indice CBR comporta un minore affondamento, con conseguente minore drag-force. Mettendo in conto il fatto che un velivolo critico moderno (ad esempio un Boeing 737-800) trasmetta al terreno attraverso il carrello anteriore un carico molto maggiore rispetto a quello del caso analizzato e, di conseguenza, tenendo conto anche di un maggiore valore della pressione di gonfiaggio degli pneumatici, un indice CBR maggiore di quello del terreno usato nei test e nell'ordine dei valori prescritti dalle Normative nazionali ed
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internazionali sicuramente è in grado di garantire alle strip lo svolgimento del duplice compito ad esse demandato. [13] [14]
3.2.4. Influenza dell'azione frenante
Nell'ambito degli studi condotti presso il NASA Langley Research Center si è voluto approfondire anche l'influenza delle condizioni di rotolamento della ruota sull'entità dei parametri di riferimento; in particolare si è visto che, seppur trascurata dalla maggior parte dei modelli classici di interazione, un'eventuale frenatura con conseguente avanzamento della ruota a ruote bloccate produce un effetto negativo sull'affondamento.
Figura 3.14 - Diagramma velocità vs drag coefficient in funzione
delle condizioni di rotolamento
Come si evince dal diagramma, il drag coefficient, ossia il rapporto tra la drag-force ed il carico gravante sulla ruota, assume valori molto più grandi nel caso della ruota frenata per qualsiasi valore di velocità; è possibile notare inoltre che il picco viene raggiunto in entrambi i casi nell'ambito del medesimo intervallo di velocità, che è lo stesso già individuato nel corso dell'analisi di sensitività.
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Figura 3.15 - Effetto delle condizioni di rotolamento sulla profondità dei solchi prodotti
Dall'immagine riportata sopra è possibile notare quanto il caso della ruota bloccata sia più vincolante: essa, infatti, determina la creazione di solchi più profondi ed una dispersione laterale del materiale molto più accentuata rispetto al caso della ruota libera di rotolare. La differenza tra i due casi si assottiglia all'aumentare della velocità, fino a divenire pressoché trascurabile alle alte velocità, dove le due condizioni di avanzamento producono solchi di forma e dimensioni analoghe [15].
