Pavimentazioni in ambito aeroportuale (PT2)

Caratteristiche superficiali

Alcune caratteristiche superficiali delle pavimentazioni sono molto importanti in ambito aeroportuale.

Aderenza

Tra le caratteristiche superficiali di maggiore interesse c’è l’aderenza, che può essere longitudinale e trasversale.

L’aderenza longitudinale è un parametro che genera il veicolo nella fase di accelerazione e di frenata, mentre l’aderenza trasversale è un parametro del veicolo che interessa l’equilibrio e la capacità di controllare il veicolo in determinate situazioni: in campo aeroportuale ci saranno situazioni in cui devo stare attento all’aderenza e momenti in cui ho il veicolo in curva, ma anche una serie di necessità legate al controllo dell’aereo quando ci sono, ad esempio, venti trasversali.

Quindi, operativamente parlando in campo aeroportuale, è un parametro importantissimo:

• Operazioni di atterraggio/decollo (abortito) (longitudinalmente);
• Controllo direzionale con particolari condizioni di vento (trasversalmente);
• Controllo direzionale in particolari condizioni di funzionamento/malfunzionamento (quando ho una situazione non simmetrica dei motori ad esempio).

Per quanto riguarda l’aereo, i parametri intrinsechi che influenzano lo sviluppo dell’aderenza sono:

• Pneumatici: stato e pressione di gonfiaggio;
• Sviluppo dell’aderenza in termini di peso;
• Configurazione dei carrelli;
• Meccanismi di frenata che possono essere attuati.

Per quanto riguarda invece le caratteristiche di cui tener presente nella pavimentazione abbiamo:

• Microrugosità;
• Macrorugosità.

La micro e macro rugosità fanno parte di un parametro definito tessitura. Se si parla di micro tessitura ci si riferisce alla superficie dell’aggregato, mentre invece la macrotessitura riguarda invece la tessitura della pavimentazione, del conglomerato. Tanto più la tessitura diventa grande, più si passerà a parlare da macrotessitura ad irregolarità.

Tutto ciò che è macrotessitura ci fa comodo e permette lo sviluppo dell’aderenza, ma ciò che è irregolarità non ci fa comodo né dal punto di vista stradale né aeroportuale.

Contaminazione della pista

Un altro aspetto fondamentale in campo aeroportuale è quello della contaminazione, perché la pista, soprattutto nella zona di touch down, è contaminata da gomma, quindi quando ho gomma incastrata sulla pavimentazione parte delle irregolarità è ricoperta da gomma, e quindi il contatto che si deve instaurare tra pneumatico e pavimentazione non è ottimale.

Un altro tipo di contaminazione potrebbe essere per acqua, neve, fango, detriti ..., che si dispongono colmando la tessitura superficiale della pavimentazione.

Questo aspetto, a livello aeroportuale, viene gestito con dei piani di manutenzione specifica perché, in funzione del numero di operazioni che vengono svolte in pista, si dovranno prevedere operazioni di sgommatura. Quando si fa la sgommatura, si spruzza acqua ad altissima pressione, quindi devono essere programmate fin tanto che la superficie non si rovini e quando davvero c’è necessità.

Questo fenomeno di contaminazione può portare ad un aumento della resistenza all’avanzamento, ma in generale potrebbe essere non standard, ma di sicuro porta ad una riduzione dell’aderenza.

Sviluppo del fenomeno dell’aderenza

Come si sviluppa il fenomeno dell’aderenza?

Si sviluppa con 2 tipologie di sottofenomeni: adesione molecolare ed isteresi. Alla base dei 2 fenomeni c’è proprio un contatto, quindi se la superficie dello pneumatico non entra in contatto con la pavimentazione, allora non si hanno fenomeni di questo tipo.

Adesione molecolare: è un fenomeno per cui le molecole di gomma (pneumatico) si «saldano» temporaneamente con quelle del materiale con cui si trovano a contatto, quindi con la superficie del conglomerato, e lo spostamento relativo si verifica solo se si interrompono questi contatti. Se non c’è contatto, non c’è niente che si oppone allo strisciamento.

Isteresi: è un fenomeno di deformazione in cui nel momento in cui la gomma (indeformata) si trova a transitare su una superficie con una data tessitura, si deformerà, e quindi il fenomeno di isteresi non è altro che l’energia restituita legata alla deformazione della gomma.

Ovviamente tutti e due i fenomeni descritti qui hanno bisogno di contatto per potersi sviluppare.

Nella realtà, non sempre il contatto ci può essere, perché il contatto tra ruota e superficie della pavimentazione tende a diminuire all’aumentare della velocità, e poi perché se ho dei contaminanti, anche semplice acqua, si crea sulla superficie della pavimentazione una pellicola di acqua: il contatto, quindi, si genera solo se l’acqua riesce a disperdersi.

L’acqua viene espulsa da sotto la ruota tramite il battistrada degli pneumatici, che sono scanalati per cui, nel momento in cui ho acqua, il pneumatico mette in pressione l’acqua che viene espulsa tramite le scanalature presenti nel battistrada.

In generale, il film di acqua viene in parte rotto dalla micro tessitura della pavimentazione, in parte dalla macrotessitura e in parte proprio dall’azione di pressione del pneumatico.

L’isteresi cessa quando ho un film di acqua di qualche mm che ricopre tutte le rugosità, e quindi o leviamo l’acqua, o non si sviluppa il fenomeno.

Le caratteristiche superficiali variano anche con il tempo. Man mano che passano i mezzi sulla superficie, la superficie viene levigata.

Condizione bagnata e aquaplaning

Ciò che andremo a fare, è quello di considerare sempre la condizione più critica della pavimentazione, ovvero quella bagnata, non asciutta. Nel momento in cui ho moto di rotolamento, la ruota entra in contatto con la pavimentazione, rotola ad opera della velocità del mezzo ed il mezzo si muove e viene controllato anche tramite l’angolo di sterzatura delle ruote e così via.

Se la superficie della pavimentazione è totalmente rivestita da un film di acqua ad esempio, si ha aquaplaning, le ruote iniziano a scorrere e, nel momento in cui sterzo, perdo direzionalità, quindi sostanzialmente potrei sviluppare un moto di deriva che mi farebbe uscire di strada.

Questo può essere visto in termini di coefficiente di scorrimento, che è pari alla velocità del veicolo, diminuita della velocità angolare della ruota, tutto fratto la velocità del veicolo. Se la velocità angolare della ruota per il raggio della ruota è nulla, allora la ruota non rotola ed è bloccata, scorre, e lo scorrimento diventa S=1. È ciò a cui tendo con una frenata molto brusca ad esempio, o non ho possibilità di instaurare contatto tra pavimentazione e ruota, a causa ad esempio della presenza del film di acqua.

Se invece la velocità del veicolo V e la velocità angolare delle ruote si eguagliano, questo rapporto diventa S=0, e quindi il veicolo si muove di moto di libero rotolamento. Ciò si trova alla base del fenomeno dell’aderenza: in un fenomeno di libero rotolamento mantengo la direzionalità del veicolo, cosa che non avviene con scorrimento puro.

In senso longitudinale, ciò si traduce dicendo che ho l’opportunità di controllare il veicolo e di sviluppare accelerazione, in senso trasversale invece ho modo di controllare il moto di deriva dell’aeromobile.

Quindi si definisce il coefficiente di aderenza mi come il rapporto tra le forze di aderenza tangenziali ed il peso scaricato dalla ruota sulla pavimentazione.

Il problema è che la forza di aderenza si sviluppa con un contatto fisico che sarà diverso di volta in volta che si hanno condizioni diverse, quindi è probabile che uno stesso aereo non arriverà mai ad avere le stesse condizioni di aderenza, sia per le condizioni dello pneumatico che per le pavimentazioni diverse per ciascun aeroporto.

Quindi noi definiamo il coefficiente di aderenza mi, ma poi di volta in volta è difficile determinarlo sperimentalmente, perché non troveremo condizioni standard. Quindi da qui si inizia a parlare di quando raggiunge il massimo, quando raggiunge il minimo e così via, e saranno condizioni normate e trasferite nelle varie normative e tabelle in cui vengono prescritti dei valori. Come detto in precedenza, anche le normative fanno riferimento sempre ad un contesto di superficie bagnata, poiché è la condizione critica.

Coefficienti di aderenza

Nel primo grafico, sull’asse delle x il coefficiente di scorrimento, che varia tra 0 e 1, mentre sulle y il coeff. di aderenza longitudinale. In condizioni iniziali 0 ho moto di puro rotolamento della ruota, man mano che blocco la ruota aumento il coefficiente di scorrimento, fino a che avrò più scorrimento e 0 rotolamento.

Se si monitora l’andamento dei coefficienti di aderenza longitudinale, quindi quello relativo alla condizione di frenata, si vede che questo sale fino ad un valore massimo di scorrimento pari a 0.2. Questa è una condizione standard.

Man mano che il tempo passa e la pavimentazione si leviga, si vede che il valore massimo tende asintoticamente a 0.4, coefficiente di aderenza longitudinale considerato per una pavimentazione liscia.

I valori riportati in tabella, sono comunque valori bassini in confronto alla realtà.

Dobbiamo quindi creare una situazione di scorrimento controllato.

Nel secondo grafico, invece, faccio la stessa cosa in relazione all’aderenza trasversale e vado a trovare un massimo della curva quando ho moto di puro rotolamento. Si hanno coefficienti di aderenza molto bassissimi trasversalmente.

Quindi, ho che il coefficiente di aderenza trasversale è massimo se ho moto di puro rotolamento, ma nel momento in cui ho scorrimento, non ho più possibilità di controllare il moto trasversale del veicolo.

Questo, si è cercato di risolverlo, sia su aerei che su macchine, tramite l’inserimento di ABS, dispositivi antibloccaggio delle ruote.

Contatto tra ruota e pavimentazione

Prendiamo ad esempio la ruota portata a sinistra.

In condizioni di asciutto, la ruota sarà a contatto con la superficie di pavimentazione, avendo superficie pulita.

La prima cosa che bisogna vedere, è che nel momento in cui si instaura il contatto, si sviluppano sotto la ruota 3 aree A, B, C.

La zona C è quella di contatto in condizione di asciutto, la parte che entra in contatto con la pavimentazione quando non è presente acqua.

Questa zona diminuisce le dimensioni anche solo con la velocità: maggiore è veloce il moto di rotolamento, tanto più perdo il contatto con la pavimentazione. Se invece ho una condizione di bagnato, nel momento in cui passa la ruota, la ruota genera pressione sull’acqua che viene allontanata tramite le scanalature del battistrada.

La zona B