حلول هندسية مبتكرة ومستدامة لأرصفة المطارات

تصميم أرصفة المطارات:

تم تصميم أرصفة المطارات لتحمل التحميل المتكرر الذي تفرضه الطائرات، ومقاومة الحركة الكاشطة لحركة المرور، وتحمل التدهور الناجم عن الظروف الجوية السيئة والتأثيرات الأخرى، حيث يخدم المطار المدني النموذجي أسطول من الطائرات بأوزان مختلفة وتكوينات تروس مختلفة، وبالتالي تم تصميم رصيف المطار لتحمل التحميل المروري المتكرر لمجموعة كاملة من الطائرات على مدار سنوات عديدة وليس فقط أثقل الطائرات.

وقد تم تصميم نظام النقل الجوي من الجيل التالي التابع لإدارة الطيران الفيدرالية (NextGen) باعتباره برنامجًا متعدد الوكالات ومتعدد السنوات لتحديث نظام المجال الجوي الوطني اليوم لتلبية الطلبات المتزايدة للمجال الجوي المزدحم بشكل متزايد، حيث يتطلب تنفيذ تقنيات (NextGen) في المطارات البحث والتطوير في التقنيات والأساليب (مثل الانتقال من تصميم رصيف يمتد من 20 إلى 40 عامًا، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف إعادة الإعمار وتقليل الاضطرابات في عمليات المطار) والمواد والإجراءات المطلوبة؛ وذلك بهدف استيعاب حركة المرور المتزايدة بأمان.

هندسة رصف المطارات المبتكرة:

اعتمدت منهجيات تصميم أرصفة المطارات التاريخية إلى حد كبير على البحث التجريبي والأداء الميداني، ومع وصول طائرة كبيرة جديدة وتحديات التصميم المرتبطة بالأرصفة، بما في ذلك زيادة أوزان الطائرات وتكوينات العتاد المعقدة، فقد تبنت إدارة الطيران نظرية مرنة متعددة الطبقات لتصميم رصيف المطار المرن وإجراءات العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد (3D-FE) للمطار الجامد بهدف تصميم الرصيف.

حيث تعتبر منهجيات التصميم القائمة على الميكانيكا، والتي يتم تنفيذها في برنامج ((FAA Rigid and Flexible Elastic Layer Design (FAARFIELD))، قوية ويمكن تكييفها للتعامل مع تكوينات العتاد المستقبلية دون تعديل الإجراءات الأساسية.

لتصميم الرصيف الصلب، تستخدم (FAARFIELD) نموذج (3D-FE، NIKE3D_FAA) (الذي تم تنفيذه كمكتبة ارتباط ديناميكي مكتوبة بلغة (FORTRAN)، لحساب الحد الأقصى من الضغط الأفقي عند الحافة السفلية من لوح الخرسانة الأسمنتية البورتلاندي (PCC) كمتوقع للحياة الهيكلية للرصيف، حيث نتج (NIKE3D_FAA) (يشار إليه أحيانًا باسم (NIKE3D) فقط عن طريق تعديل شامل لبرنامج (NIKE3D) الذي تم تطويره في الأصل بواسطة مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

ومن خلال الحد من الضغط الأفقي في الجزء السفلي من لوح (PCC)، فقد يتم التحكم في تكسير الطبقة السطحية، وهو وضع فشل الرصيف الصلب الوحيد الذي اعتبرته (FAARFIELD)، حيث لا يعتبر فشل الطبقة التحتية، وبالنسبة لمزيج معين من حركة مرور الطائرات فوق طبقة أساسية، كما توفر (FAARFIELD) سمك لوح الرصف الصلب المطلوب.

أحد أنماط الفشل الرئيسية الملحوظة للأرصفة الصلبة، التكسير من أعلى إلى أسفل، حيث يتم حسابه بشكل سيئ في إجراء (FAARFIELD) الحالي لتصميم الرصيف الصلب، حيث تم تطوير (FAARFIELD 2.0)، وهو إصدار بحثي من برنامج تصميم (FAARFIELD)، من قبل (FAA) حيث تم استبدال نموذج استجابة العنصر المحدود ثلاثي الأبعاد (3D-FE) ذو البلاطة الواحدة بنموذج ثلاثي الأبعاد ثلاثي الأبعاد مع درجة حرارة أولية الشباك.

ومع ذلك، فإن أوقات التشغيل الطويلة وغير المتوقعة المرتبطة بنموذج الألواح الأربعة والألواح الملتفة تجعل التصميم الروتيني مع هذا النموذج غير عملي، من أجل توسيع نموذج تصميم (FAARFIELD) إلى ما هو أبعد من نموذج اللوح الواحد المخفض الحالي، حيث تبحث إدارة الطيران (FAA) عن بدائل عملية لتشغيل حساب الإجهاد ثلاثي الأبعاد كبرنامج عميل.

وتقوم دراسة بحثية مستمرة برعاية إدارة الطيران (FAA) في جامعة ولاية أيوا (ISU) بالتحقيق في البدائل القائمة على الذكاء الاصطناعي مثل الشبكات العصبية الاصطناعية (ANNs) التي لديها القدرة على إعطاء تنبؤات دقيقة للتوتر في جزء صغير من الوقت اللازم لأداء صورة ثلاثية الأبعاد كاملة، وحساب قدرة نماذج الاستجابة البديلة المستندة إلى (ANN) على حساب ضغوط الشد الجانبية والطولية بنجاح، بالإضافة إلى الانحرافات في الجزء السفلي من أرصفة المطارات الخرسانية المفصلية كدالة لنوع ومستوى وموقع حمل التروس المطبق وسمك اللوح والبلاطة، كما تم بالفعل توضيح المعامل ودعم الطبقة السفلية وتدرج درجة حرارة الرصيف وكفاءة نقل الحمل للمفاصل مسبقًا.

ومع ذلك، فإن هذه الأنظمة تعاني من عيوب، بما في ذلك معدل البقاء المنخفض وعدم التوافق مع الأنظمة الهيكلية والتكلفة العالية، وما إلى ذلك للتغلب على هذه القيود، طرح الباحثون فكرة الاستشعار الذاتي أو الأنظمة الهيكلية متعددة الوظائف، حيث يكون للنظام الهيكلي نفسه استشعار القدرة بصرف النظر عن وظيفتها الرئيسية الحاملة.