Comparison of U.S. and French Airport Pavement Design … · · 2017-05-09to FAARFIELD and vice-versa. ... λ French Design Manual for Pavement Structures – Guide technique

Service technique de l’aviation civile

•Navneet Garg, PhD : FAA William J. Hughes Technical Center

•David BRILL PhD : FAA William J. Hughes Technical Center

•Jean-Noël THEILLOUT : DGAC/STAC

Comparison of U.S. andFrench Airport Pavement

Design Procedures

Comparison of U.S. and French Airport PavementDesign Procedures

17 juin 2011 2Journée technique du STACService technique de l’aviation civile

Outline of Presentation

♣Summary of Previous FAA/STAC CooperationMeeting.

♣Correlation of material libraries from Alize-Airfieldto FAARFIELD and vice-versa.

♣Progress on Laboratory Testing and MaterialComparisons.


Summary of Previous FAA/STACCooperation Meeting

♣Meeting held June 9-10, Bonneuil-sur-Marne, France.

♣Agreement on common objectives in three areas:


Correlation of MaterialLibraries

♣Related to cooperative material testing program currently inprogress.

♣Cross-referencing should be based on a correctunderstanding of the relevant material specifications &standards (i.e., not just on matching E-moduli).

♣Relevant materials:_ FAA: AC 150/5370-10E, AC 150/5320-6E, ASTM standards

_ LCPC/STAC:

λ French Design Manual for Pavement Structures – Guide technique.

λ Guide to Application of Standards (GAN) – Bituminous mixtures and surfacedressings for airport pavements (2009).

λ Relevant NF EN series European standards.


Preliminary Cross-ReferenceTable


Comparison of Aggregate GradationsP-401 versus French Surface and Base Mixes

Surface, _ in. Max.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5

Sieve Size (mm) ^ (0.45)

Pe

rce

nt

Pa

ssin

g

EB14-BBA Type C class 3, surface (low) EB14-BBA Type C class 3, surface (high)

P-401 3/4 max (low) P-401 3/4 max (high)

Surface, _ in. Max.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5

Sieve size (mm) ^ 0.45

Pe

rce

nt

Pa

ssin

g

EB10-BBA Type C class 3, surface (low) EB10-BBA Type C class 3, surface (high)


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5

Sieve Size (mm) ^ 0.45

Pe

rce

nt

Pa

ssin

g

EB14-GB class 3, base (low) EB14-GB class 3, base (high)


Base, _ in. Max.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5

Sieve Size (mm) ^ (0.45)P

erc

en

t P

assin

g

EB20-GB class 3, base (low) EB20-GB class 3, base (high)

P-401 1" max (low) P-401 1" max (high)

Base, 1 in. Max.


Outline of Presentation

♣Summary of Previous FAA/STAC CooperationMeeting.

♣Correlation of material libraries from Alize-Airfieldto FAARFIELD and vice-versa.

♣Progress on Laboratory Testing and MaterialComparisons.


Progress on LaboratoryTesting

•U.S. material samples receivedby STAC April 2011:– (2) Econocrete (lean concrete)

beams, Item P-306, in steelmolds.

– (3) Econocrete (lean concrete)cylinders, Item P-306.

– (2) Blocks of asphalt basematerial, Item P-403.

– (4) Buckets and (1) bag ofcrushed aggregate base material,Item P-154 (Crushed quarryscreenings).

•All materials from NAPTF testitems.

• Testing is in progress.


Progress on Laboratory Testing

• French materials received by FAANovember 2010:– Asphalt materials from 1995 facility:

• 101x69x20 cm block (includessurface and base HMA layers).

– Asphalt materials from Bonneuilinstrumented facility:

• 63x54x21 cm block (includessurface and base HMA layers).

• 6 HMA cores of varying depth.

– Approximately 150 kg of baggedGNT2 (capping layer) from Bonneuilinstrumented facility.

•Materials are currently being tested.


Testing Program – French Materials

•Asphalt Materials:– Dynamic modulus and

flow number (AASHTOTP-79)

– Beam Fatigue (AASHTOT321)

– Permanent Deformation

– Binder extraction

analysis• Aggregate gradation.

• Binder content & PG.

– Asphalt PavementAnalyzer (APA) ruttingperformance

•Aggregate Materials:– Washed gradation

analysis (ASTM C136,C117).

– Atterberg Limits.

– Moisture-Density Curve(Modified Proctor).

– Resilient Modulus(AASHTO T307)including quick shear vs.strain.


Summary of Aggregate Test Results

•Moisture-Density– ASTM D1557 reports_dmax= 139.7 pcf (2.34 tcm)wopt = 5.2%.

– Discrepancy with STACresults (wopt = 6.5%).

•Atterberg Limits– LL = 24, PI = 8, USC = CL

•Sieve Analysis– Material is outside the

gradation limits for P-209.

0

20

40

60

80

100

0.01 0.1 1 10 100

Sieve Size, mm

Per

cent

Pas

sing

(fin

er)

% Passing - French Aggregates P-209 Spec Min P-209 Spec Max


Logiciel US: FAARFIELD devienten septembre 2009 le logiciel dedimensionnement des chaussées

(AC 150/5320-6E)

Logiciel français: ALIZE-Aéronautiquen’est pas encore opérationnel pour ledimensionnement mais il est utilisé àdes fins de recherche et d’expertise


Principales améliorations

Prise en compte du trafic:nécessité de recourir à desprocédures pour se ramener àune charge simple ou un avion

Le trafic peut-être entièrement pris encompte

Balayage latéral: la prise encompte du balayage estindépendante

US: le recouvrement (Pass-to-coverageratio) dépend de l’épaisseur de lastructure; le balayage latéral est fixé àσ=0.775m (30.5 in.)FR: Les contraintes sont calculées entous points et pour toutes les positionsdes aéronefs

Introduction de :-L’analyse élastique multicouche-De l’endommagement (cumul des dommagesuivant la loi de Miner)

• Cumul des dommages=Σ (ni/Ni)

•ni nombre de recouvrement i•Ni nombre admissible de recouvrement

La chaussée est prise encompte suivant un modèle deBoussinesq

Méthode CBR Méthode rationnelle


Principales améliorations

Critères de rupture:- Contrainte verticale decompression au sommet du solsupport

Critères de rupture:- Contrainte de traction horizontale àla base des coucheshydrocarbonées- Contrainte verticale decompression au sommet du solsupport

Les données matériaux sont lesmodules d’élasticité et les coefficientsde Poisson.•Possibilité d’introduire des matériauxnouveaux ou de nouvelle pratiques deconstruction•Possibilité de prendre en compte lafatigue de matériaux, les effetssaisonniers et journaliers ainsi que lavitesse de chargement

Définit une épaisseur équivalenteprotéger le sol support.La structure de chaussée estdéduite de cette épaisseuréquivalente

Méthode CBR Méthode rationnelle


Calculmécanique

Modèle de rupture

Contraintes calculées < Contraintes admissibles

Modèlestructurel

Détermination des contraintes admissiblesAnalyse

théorique

DonnéesexpérimentalesApproche empirico-mécanique

Contraintescalculées

Contraintesadmissibles

Choix d’un critèreCalibration

essais


Les critère de ruptures sont déterminés par des essais en vraiegrandeur sur les pistes couvertes du National Airport Pavement Test

Facility (Atlantic City, NJ)

Critères de rupture

Les critères de rupture sont déterminés :-Pour les couches d’enrobés par des essais de fatigues-Pour les matériaux non-traité et le sol par des critères issusde l’expérience routière.


0,0001

0,001

0,01

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Nombre de passages (coverages)

ep

sil

on

z

Loi d'endommagement SOL FAARFIELDC<12100

Loi d'endommagement SOL FAARFIELDC>12100

alizé

Sol dans ALIZE

Sol dans FAARFIELD

α = 0.2

α = 0.07

Contraintesadmissibles

Alizé > Faarfield

Epaisseurscalculées

Alizé < Faarfield

Au sommetdu sol

support

Courbe de Wolher


But : mesurer la variation du dimensionnement par variation des paramètres d'entrée (critère sur lesol support : sensibilité de l’endommagement calculé au sommet du sol support par les deux logiciels)

♣ Dans les deux logiciels, l’endommagement est plus sensible aux variations du chargement et auvariation du CBR du sol support qu’à la variation d’autres variables d'entrée (épaisseur et modules descouches de chaussée, nombre de passages d'avions).

♣ Globalement FAARFIELD est plus sensible aux variations des variables d’entrée qu’ALIZE-Aéronautique(ceci peut-être dû à la détermination empirique des critères de rupture du sol support).

Etudes comparatives: 1/ étude de sensibilité

-6.6

-2.7

9

-9.1

5

-2.9

1

-12

.05

-3.1

1

9.8

4.5

9

13

.55

4.5

1

-3

-2.7

2

-6.3

-3.0

4

-14

.45

-3.4

9

-14

.85

-3.2

5

9.6

4.2

9

16

.25

4.4

4

-6.6

5

-1.9

7

-6.2

-2.8

8

-11

.4

-2.9

3

-12

.05

-2.8

9

9.4

3.5

9

14

.4

3.8

7

-8.3

5

-3.5

3

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20FA

AR

FIE

LD

AL

IZE

FAA

RFI

ELD

AL

IZE

FAA

RFI

ELD

AL

IZE

FAA

RFI

ELD

AL

IZE

FAA

RFI

ELD

AL

IZE

FAA

RFI

ELD

AL

IZE

Subg CBR (A320)

Subg CBR (B777)

Subg CBR (4 Aircrafts)

GW-A320 GW-B777 BACThickness

Sen

siti

vity

in

dex

CD

Fsb

g

CBR 3 CBR 8 CBR 15


Fichier de sortie FAARFIED Graphiques ALIZE-Aéronautique

Etudes comparatives : 2/ valeurs calculées

-A charges égales et structures identiques les déformations etcontraintes calculées par les deux programmes sontquasiment identiques-Les déformations correspondent aux déformations mesuréespar les capteurs mis en place dans les chausséesexpérimentales en France (PEP) et aux US (NAPTF)


En guise de conclusion

♣Du travail de comparaison reste à faire en ce quiconcerne les chaussées rigides et les chausséesrenforcées.

♣Ces approches basées sur la méthode rationellen’est plus compatible avec les méthodes relatives àla définition de l’ACN des avions et du PCN deschaussées aéronautiques.

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