Harmonisatie stroefheidsmetingen op Nederlandse vliegvelden

Transcriptie

1 Harmonisatie stroefheidsmetingen op Nederlandse vliegvelden dr.ir. C.A.P.M. van Gurp KOAC NPC ir. A.J. van Leest CROW ing. H.A. van Dijk Inspectie Verkeer en Waterstaat - Toezichteenheid Luchthavens & Luchtruimte Samenvatting De bijdrage beschrijft het vergelijkende onderzoek dat voor zeven stroefheidsmeetsystemen op diverse verhardingsoppervlakken op Vliegbasis De Peel is gehouden in september De deelnemende stroefheidsmeetsystemen werken alle op verschillende wijze en produceren als gevolg daarvan op een zelfde wegoppervlak verschillende stroefheidswaarden. De proefresultaten worden geanalyseerd met behulp van de ESDU-methode. Het project toont aan dat met deze statistische methode resultaten van allerlei stroefheidsmeetsystemen substantieel naar elkaar toe kunnen worden geharmoniseerd. De aanpak is ook bruikbaar op wegen. Aangegeven wordt waaraan een kalibratieprocedure en een toelatingsprotocol moeten voldoen voor stroefheidsmeetsystemen die op de Nederlandse vliegvelden zouden kunnen worden ingezet. Herhaalbaarheidseisen zijn geformuleerd. Trefwoorden Stroefheid, textuur, vliegvelden, harmonisatie, ESDU-methode

2 Inleiding Voor zowel de opleveringscontrole, de onderhoudsplanning als het absolute minimum stroefheidsniveau zijn voor de Nederlandse situatie kritieke waarden opgenomen in de Luchtvaartwet [1]. Er worden alleen waarden gepresenteerd voor meetapparaten die in de Luchtvaartwet zijn toegelaten. De Luchtvaartwet schrijft daarnaast voor dat textuurmetingen met de zandvlekmethode moeten worden uitgevoerd. Sinds het uitbrengen van de Luchtvaartwet in 1998, hebben zich echter de nodige wijzigingen voltrokken. Slechts twee van de in de Luchtvaartwet genoemde apparaten zijn nog operationeel, terwijl nieuwe apparaten simpelweg niet kunnen worden toegelaten bij gebrek aan bijbehorende toelatingsprocedures. Naast veranderingen in stroefheidsmetingen worden wereldwijd steeds vaker lasers ingezet om de macrotextuur te meten. Deze lasers zijn veel sneller en nauwkeuriger dan de traditionele zandvlekmethode. ovendien is de herhaalbaarheid van de meetresultaten stukken beter en kan eenvoudig het verloop van de textuur over een startbaan worden geïnventariseerd. Omdat de Luchtvaartwet steeds meer als een keurslijf werd gezien, is de CROW-werkgroep 'Stroefheidsmeetapparatuur vliegvelden' geïnstalleerd om verbeteringen voor te bereiden. Een nieuw op te zetten protocol zou hierin moeten voorzien. De te ontwikkelen aanpak zou flexibel van opzet moeten zijn om introductie van nieuwe apparatuur en instrumenten mogelijk te maken. Daarvoor is een gedetailleerd test- en goedkeuringsprotocol nodig. De procedure zou ook rekening moeten houden met de verschillende meetwaarden die apparaten normaliter produceren. Het zou prachtig zijn als er een conversiemethode zou kunnen worden ontwikkeld waarmee meetwaarden naar waarden onder referentieomstandigheden zouden kunnen omgewerkt. ij bewezen voldoende betrouwbaarheid en nauwkeurigheid, zou met deze methode een veel beknopter overzicht van kritieke stroefheidswaarden kunnen worden geformuleerd. Onderscheid tussen merken en types apparatuur zou dan niet meer nodig zijn. Momenteel zijn er nogal wat verschillen tussen de absolute waarde van meetresultaten afkomstig van verschillende apparaten. Uiteraard zou de nieuwe methode ook moeten aangeven hoe kalibratie en onderlinge vergelijkingen moeten worden uitgevoerd. Onderzoeksprogramma De in 2002 geïnstalleerde CROW-werkgroep probeert oplossingen te vinden voor de in de inleiding geformuleerde probleemstellingen. De taken van de werkgroep kunnen als volgt worden samengevat: Fase 1: - inventarisatie van aspecten die stroefheid van verhardingsoppervlakken beïnvloeden; - uitvoeren van een literatuurstudie naar de wrijving tussen band en wegoppervlak op natte verhardingen; de studie zou zich moeten richten op meetapparaten, mogelijke relaties tussen de diverse parameters die de stroefheid en de textuur van een wegoppervlak beschrijven en de nauwkeurigheid van reeds gepubliceerde stroefheidsindices, 2

3 - zoektocht naar een methode waarmee meetresultaten van diverse stroefheidsmeetsystemen nauwkeurig met elkaar kunnen worden gecorreleerd. Fase 2: - opstellen van een testprocedure voor stroefheidsmetingen op vliegvelden; de procedure zou onafhankelijk van het gebruikte apparaat moeten zijn; - organisatie en analyse van een vergelijkend onderzoek; - kalibratie en in-situ correlatie van stroefheidsmeetsystemen op diverse oppervlakken met lage en hoge waarden voor textuurdiepte en stroefheidscoëfficiënt. Fase 3: - opstellen van een toelatingsprotocol voor nieuwe stroefheidsmeetsystemen op de Nederlandse vliegvelden; dit nieuwe protocol moet de goedkeuring dragen van IVW - Luchthavens & Luchtruim, zijnde de huidige handhavingsautoriteit; - aanbevelingen voor nationale regelgeving; - organisatie en analyse van een tweejaarlijks vergelijkend onderzoek voor stroefheidsmeetsystemen. In de eerdere fasen was het ESDU-model [2] gekozen als meest belovende aanpak voor de harmonisatie van stroefheidsmetingen. In deze bijdrage zal de nadruk worden gelegd op de resultaten van het vergelijkende onderzoek dat in september 2005 op vliegbasis De Peel is uitgevoerd. Gelijktijdig zullen diverse aspecten van het toelatingsprotocol worden besproken. Voor een uitgebreide (in het Engels gestelde) rapportage wordt verwezen naar [3]. Doel van het vergelijkende onderzoek Na het vergelijkende onderzoek van 2003 zijn voor de 2005-sessie aanpassingen aangebracht om de mogelijkheid te hebben om het gekozen ESDU-model op nauwkeurigheid te kunnen testen. Het vergelijkende onderzoek had specifiek tot doel om de volgende informatie in te winnen: - karakteristieken van herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid; voor dit laatste aspect werd vooral de reproduceerbaarheid na harmonisatie van de meetwaarden bedoeld; - modelparameters van het ESDU-model, inclusief toets of de parameters veel zouden afwijken van de in 2003 verkregen waarden; - toets op nauwkeurigheid en toepassingsmogelijkheden van het ESDU-model. Herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid Herhaalbaarheid van een stroefheidsmeetsysteem is het vermogen van het apparaat met bemanning om dezelfde meetwaarde op hetzelfde oppervlak te produceren wanneer meetruns onder gelijke omstandigheden worden uitgevoerd. Reproduceerbaarheid is het vermogen van een groep meetsystemen om dezelfde meetwaarde op hetzelfde oppervlak te produceren, wanneer meetruns onder gelijke omstandigheden worden uitgevoerd. Reproduceerbaarheid is per definitie nooit beter dan herhaalbaarheid. 3

4 Harmonisatie Methodes die ingericht zijn om apparaten met hun verschillende absolute waarden van meetresultaat te vergelijken en te correleren totdat ze nagenoeg dezelfde waarde produceren, worden harmonisatiemethoden genoemd. De CROW-werkgroep 'Stroefheidsmeetapparatuur vliegvelden' heeft de ESDU-methode omarmd als de meest geschikte harmonisatiemethode. De werkgroep meende met het ESDU-model een beter model in huis te hebben dan de modellen die voor wegen momenteel ontwikkeld zijn en uitgeprobeerd worden, zoals IFI (International Friction Index) en EFI (European Friction Index). Het ESDU-model moet worden gevoed door stroefheidsmetingen bij verschillende rijsnelheden uit te voeren; daarnaast zijn ook textuurdata onmisbaar. Het merendeel van de data moet afkomstig zijn van metingen met een waterlaag voor de meetband gespoten, maar er zijn ook wat droge metingen nodig. Meer details van het model staan verder in deze bijdrage beschreven. ij evaluatie van stroefheidsmeetsystemen wordt tegen hetzelfde probleem aangelopen als bij valgewichtdeflectiemeters; er bestaat geen fundamentele referentie om naar toe te kalibreren of te harmoniseren. Daarom is besloten een van de deelnemende apparaten als referentie aan te wijzen. Uitgangspunt was dat het referentieapparaat ook in de ICAO-lijst moest voorkomen. ij de tweejaarlijkse door CROW georganiseerde internationale vergelijking van valgewichtdeflectiemeters wordt het gemiddelde van de apparaten met een geldig certificaat als referentie gehanteerd. ij die apparaten kan dat omdat ze eigenlijk allemaal dezelfde meetwaarde moeten produceren ongeacht merk, model en bouwwijze. ij stroefheidsmeetsystemen met hun verschillen in meetmethode, bouw van het apparaat, type band, bandenspanning, etc. is dat onmogelijk. Test programma Het vergelijkende onderzoek dat in september 2005 op vliegbasis De Peel is uitgevoerd en waaraan zeven meetsystemen deelnamen, bestond uit drie onderdelen: textuurmetingen met lasers, stroefheidsmetingen zonder toevoeging van water, en stroefheidsmetingen met toevoeging van 1 mm waterfilm. De resultaten van de droge stroefheidsmetingen zijn nodig om de referentiestroefheid van het ESDU-model te bepalen, dat wil zeggen de maximum stroefheidscoëfficiënt die voor het betreffende apparaat met zijn componenten en instellingen zal worden gevonden. Ervaring leert dat de resultaten van droge stroefheidsmetingen uitgevoerd met een rijsnelheid van 40 km/h als goede indicator kunnen fungeren. Het aantal droge metingen is beperkt gebleven tot twee runs per testoppervlak omdat de metingen destructief zijn voor de meetband. Eerdere tests hadden laten zien dat niet kon worden volstaan met een enkele run omdat dan het zicht op afwijkende resultaten volledig verdwijnt. De 'normale' metingen met 1 mm waterfilm zijn uitgevoerd met drie snelheden, 40, 65 en 95 km/h. De laatste twee worden vrijwel altijd gebruikt bij stroefheidsmetingen ter bepaling van de onderhoudstoestand van vliegvelden. Per oppervlak en snelheid zijn drie metingen uitgevoerd. Als alle apparaten telkens over precies hetzelfde stukje wegdek zouden rijden, dan zou dit wegdek snel veel te nat worden. Om dit te voorkomen zijn per testoppervlak meerdere 200 m-secties gekozen met vrijwel gelijke oppervlakkenmerken. 4

5 Op een paar vakken zijn herhalingsmetingen (zes herhalingen) bij snelheden van 65 en 95 km/h uitgevoerd om een idee van de korte-termijn-herhaalbaarheid te krijgen. De meetwaarden zijn gebruikt om eisen af te leiden die aan de variatie van stroefheidswaarden bij herhaalde metingen moeten worden gesteld. Resultaten Allereerst is van alle deelnemende apparaten onderzocht of de bestuurders in staat waren om de opgedragen snelheden binnen de toelaatbare bandbreedte van 5 km/h te handhaven. Alle deelnemers bleken voor alle snelheden en testsecties aan de snelheidseisen te voldoen. Droge stroefheid Ervaringen uit de 2003 sessie en informatie uit literatuur hadden aangetoond dat de stroefheidswaarde uit de droge metingen ongevoelig zou zijn voor textuurdiepte. Figuur 1 toont een voorbeeld van de resultaten van de Douglas Mu-meter Mk6. De textuurdiepte is uitgedrukt in de conform ISO bepaalde Mean Profile Depth (MPD). Voor andere deelnemers werden iets minder mooie plaatjes verkregen, maar over het algemeen werden bruikbare resultaten gevonden. De variatie in meetwaarde worden hoofdzakelijk veroorzaakt door de temperatuur van de meetband. De temperatuur loopt namelijk behoorlijk op e.e.a. afhankelijk van slippercentage en lengte van het meetvak. Hoe hoger de temperatuur wordt, des te hoger de stroefheidscoëfficiënt wordt. Droge stroefheidscoëfficiënt Douglas Mu-meter Mk Figuur 1: Verloop van droge stroefheid met textuurdiepte MPD (mm) 5

6 Natte stroefheid Figuur 2 en 3 tonen een samenvatting van de resultaten van de natte stroefheidsmetingen. De Sharan uit figuur 2 heeft geribde banden gemonteerd, terwijl de Griptester (zie figuur 3) was uitgerust met een meetband zonder profiel. De conclusies die uit de grafiek kunnen worden getrokken waren conform de verwachting: Stroefheidscoëfficiënt ASFT Sharan F1 40 km/h 65 km/h 95 km/h MPD (mm) Figuur 2: Verloop van 'natte' stroefheid met snelheid en textuurdiepte (Sharan) Stroefheidscoëfficiënt Griptester 40 km/h 65 km/h 95 km/h MPD (mm) Figuur 3: Verloop van 'natte' stroefheid met snelheid en textuurdiepte (Griptester) - bij profielloze banden neemt de afhankelijkheid van de rijsnelheid op de stroefheidswaarde toe met toenemende textuurdiepte; - bij profielloze banden daalt de stroefheidswaarde bij toenemende rijsnelheid; - bij geribde banden valt een lichte daling van de stroefheidswaarde te constateren bij toenemende textuurdiepte; - bij geribde banden heeft de rijsnelheid nauwelijks effect op de stroefheidswaarde. 6

7 Modelbeschrijving Alle stroefheids- en textuurdata zijn verwerkt in de door ESDU ontwikkelde statistische methodiek [2]. Dit model zal kort worden beschreven. Het ESDU-model is in principe ontwikkeld om meetwaarden van meetaanhangers te correleren met remgedrag van landende vliegtuigen. ij nader onderzoek is gebleken dat de methodiek ook gebruikt kan worden om allerlei 'grond'-apparaten te correleren. Het ESDU-model neemt aan dat de stroefheidscoëfficiënt wordt uitgedrukt in µ, waarbij deze parameter een functie is van rijsnelheid V, bandenspanning p, textuurdiepte d, en de dichtheid van de oppervlakverontreiniging ρ. Voor de bepaling van de textuurdiepte kunnen zowel resultaten van de zandvlekmethode worden gebruikt als van textuurlasermetingen, zolang de twee soorten data maar niet door elkaar worden gebruikt. De volgende relatie is opgesteld voor de stroefheidswaarde van een willekeurig stroefheidsmeetsysteem. µ = 1 + µ datum 0.5ρV β p 2 (1) waarbij µ = natte stroefheidscoëfficiënt µ datum = referentie stroefheidscoëfficiënt β = empirische variabele ρ = dichtheid oppervlakverontreiniging (kg/m 3 ) V = rijsnelheid (m/s) p = bandenspanning (Pa) De referentie stroefheidscoëfficiënt µ datum is een functie van de bandenspanning, bandensoort en slippercentage. Soort profiel en textuurdiepte hebben slechts een marginaal effect op de waarde. Ook de rijsnelheid heeft maar een geringe invloed zoals uit de uitgevoerde en eerder gerapporteerde metingen blijkt. In het geval van de test op De Peel kan onder de beschrijving verontreiniging de aangebrachte waterfilm worden verstaan; de dichtheid is daarom 1000 kg/m 3. De ESDU-methodiek is echter ontwikkeld voor metingen op water, sneeuw, ijs of slush. De waarde van de empirische variabele β kan door middel van lineaire regressietechnieken worden berekend uit de geregistreerde 'natte' stroefheidswaarden. De waarde varieert per oppervlak. Wanneer voldoende data voorhanden zijn kan de variabele β worden gecombineerd met de textuurdiepte d van het beproefde oppervlak. Deze combinatie wordt aangeduid als de oppervlak-interactieparameter, die gedefinieerd is als: = βd (2) De verdeling van de parameter moet voldoen aan een normale verdeling zodat elke willekeurige waarde voor als volgt gekoppeld is aan het gemiddelde en de standaardafwijking σ []. = + z σ[ ] (3) 7

8 Gemiddelde en standaardafwijking van de parameter kunnen per apparaat worden bepaald door voldoende metingen over een scala van oppervlakken met uiteenlopende textuurdiepte en stroefheidswaarde uit te voeren. Dit is gelukt met de test op vliegbasis De Peel. De waarden voor, σ[], en µ datum vormen de stroefheidsdatabase voor een bepaald meetsysteem. Deze waarden zijn uniek voor het apparaat en de ten tijde van de meting gebruikte bandentype en bandenspanning. De database kan niet worden gebruikt voor een ander apparaat, tenzij dit systeem van hetzelfde model is en dezelfde soorten banden en bandenspanning heeft gebruikt. De stroefheidsdatabase kan met allerlei apparaten worden uitgebreid zodat de mogelijkheid ontstaat om waarden van apparaat A om te zetten naar waarden van apparaat. Figuur 4 toont in het kort hoe een dergelijke conversie in zijn werk gaat. A Friction value Macro texture µ A d p µ A datuma β A = ρV µ A A = β A d z = σ A A [ ]A Device A: Device : Device C: etc. ESDU Data base µ µ datum A p A, A, [ ] A, σ datum p,, [ ], σ [ ] z = + z σ β 2 = d µ datum µ = Friction value ρ V 1 + β µ p Figuur 4: Methodiek van conversie van stroefheidswaarden Nauwkeurigheid harmonisatie Geharmoniseerde meetwaarden zijn alleen nuttig voor verder gebruik als de reproduceerbaarheid van de resultaten ná harmonisatie voor de onderzochte stroefheidsmeetsystemen een stuk beter is dan vóór de harmonisatie. Voor de harmonisatie is de Douglas Mu-meter Mk6 als referentie genomen; allereerst omdat dit apparaat in de ICAOlijst voorkomt, maar vooral omdat de deelname van deze buitenlander aan het vergelijkende 8

9 onderzoek de mogelijkheid schepte om van alle deelnemende Nederlandse apparaten de geharmoniseerde waarden te bepalen. ij de analyse is ook onderzocht hoe groot de spreiding in afwijkingen tussen de geharmoniseerde waarden en referentiewaarden was. Met De Peel-data is een test op de mate van nauwkeurigheid uitgevoerd. Figuur 5 toont de meetwaarden voor de meetsnelheid van 65 km/h zoals ze door de diverse apparaten zijn gerapporteerd. Figuur 6 toont de stroefheidscoëfficiënten na harmonisatie. In het ideale geval zouden alle staven per combinatie van sectie-segment even hoog moeten zijn. De grafiek toont aan dat de harmonisatie een positief effect heeft gehad. Voor de gepresenteerde snelheid bedraagt het onderlinge verschil maximaal 0,073. Voor 40 en 95 km/h bedroegen deze maximale verschillen 0,073 en 0,108. In het ongecorrigeerde geval bedroegen de verschillen minimaal 0,219 en in het slechtste geval 0,395. Ongecor. stroefheidscoëfficiënt km/h Apparaat A C E F G x-1 1x-2 2x-1 2x-2 3x-1 4x-1 4x-2 Sectie-segment Figuur 5: Ongecorrigeerde stroefheidswaarden Geharmoniseerde stroefheidscoëfficiënt km/h Apparaat A C E F G Ref x-1 1x-2 2x-1 2x-2 3x-1 4x-1 4x-2 Sectie-segment Figuur 6: Geharmoniseerde stroefheidswaarden 9

10 Het inmiddels vrijwel uitontwikkelde toelatingsprotocol stelt eisen aan de precisie na harmonisatie. De standaardafwijking van de verhouding van geharmoniseerde stroefheidswaarden en referentiewaarden mag niet groter zijn dan 0,090. Wanneer deze waarde wordt overschreden, ligt het in de bedoeling het bewuste meetsysteem (voorlopig) niet toe te laten op de Nederlandse vliegvelden. De eis van 0,090 is bij gebrek aan een bruikbare referentie afkomstig van de periodieke vergelijkende metingen met valgewichtdeflectiemeters. Tabel 1 toont de standaardafwijking voor de diverse apparaten. Duidelijk blijkt dat alle deelnemers aan de meting op De Peel aan de voorwaarden voldoen. Apparaat D is niet gerapporteerd vanwege technische mankementen tijdens de meetdagen. Tabel 1: Indicator voor afwijkingen in geharmoniseerde stroefheidswaarden Apparaat A C E F G standaardafwijking 0,045 ref. 0,035 0,079 0,035 0,032 Herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid Figuur 7 presenteert de resultaten van het herhaalbaarheidsexperiment (zes runs over een zelfde meetvak) uitgedrukt in de variatiecoëfficiënt van de gerapporteerde stroefheidscoëfficiënt. Duidelijk valt op te maken dat de herhaalbaarheid voor de apparaten A en F voor de meetsnelheid van 65 km/h beduidend slechter is ten opzichte van de rest. De twee apparaten zijn van hetzelfde type. Des te opvallender is dat de herhaalbaarheid bij 95 km/h weer wel in orde is. Er is geen verklaring voor de verschillen gevonden. Op basis van het totaal van resultaten is besloten de volgende eisen te stellen aan de herhaalbaarheid van stroefheidsmeetsystemen voor een reeks achtereenvolgende metingen met dezelfde snelheid op hetzelfde oppervlak: - de standaardafwijking mag niet groter zijn dan 0,03; - de variatiecoëfficiënt mag niet groter zijn dan 4%. Variatiecoëfficiënt 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 65 km/h 65 km/h 95 km/h 95 km/h 0% A C E F G Apparaat Figuur 7: Variatiecoëfficiënt in herhaalbaarheidsexperiment 10

11 Figuur 8 presenteert de resultaten van de analyse van de herhaalbaarheid en de reproduceerbaarheid van de geharmoniseerde resultaten van alle onderzochte oppervlakken. De grafiek toont aan dat de herhaalbaarheidsindicator r en de reproduceerbaarheidsindicator R onafhankelijk zijn van het gemeten stroefheidsniveau. De gemiddelde waarden zijn r = 0,045 en R = 0,084. Conclusies en stellingen - Het onderzoek heeft aangetoond dat het statistische ESDU-model goed bruikbaar is om meetresultaten van stroefheidsmeetsystemen te correleren. Hoewel de test is uitgevoerd op apparaten die normaliter op vliegvelden opereren, zijn de bevindingen ook toepasbaar op systemen die op wegen meten! De toevallige meetonzekerheid wordt in de verwerking meegenomen. ovendien kan in het model rekening worden gehouden met variaties in bandenspanning, reden waarom het ESDU-model beter geschikt is dan menig ander model dat in Europese normen worden gepresenteerd. - Met de ESDU database kunnen stroefheidswaarden van systemen verkregen onder verschillende situaties naar elkaar worden omgerekend. De databaseparameters hoeven niet noodzakelijk onder dezelfde omstandigheden en dezelfde dag te zijn verzameld. De database kan dus eenvoudig tijdens gebruik in de tijd worden aangepast en aangevuld. - De herhaalbaarheid van stroefheidsmeetsystemen mag niet slechter zijn dan 0,03 wanneer uitgedrukt in een standaard afwijking van resultaten van herhaalde metingen of 4% wanneer de variatiecoëfficiënt als indicator wordt gebruikt. Herhaalb. r,reproduceerb. R r R Stroefheidscoëfficiënt Figuur 8: Precisie van geharmoniseerde stroefheidswaarden - Voor verregaande verbetering van het kennisniveau op een bepaald gebied moet meer worden samengewerkt met expertise uit aanpalende gebieden. De ontwikkeling van het in deze bijdrage beschreven model had nooit tot stand kunnen komen als niet gebruik was gemaakt van ervaringen en kennis uit de vliegtuigwereld. - Collectief onderzoek is een zeer bruikbaar middel om onderzoek te stimuleren en te ondersteunen waarvan de noodzaak door alle partijen wordt onderkend en waarvan de resultaten slechts in beperkte mate ten voordele van een van de partijen zijn. ij 11

12 onderzoek door ieder voor zich wordt nooit ofte nimmer de meerwaarde van groepskennis benut. Literatuur 1 Regeling stroefheid start- en landingsbanen. Staatscourant nr Statistical analysis of wet runway friction for aircraft and ground-test machines. ESDU Item Engineering Science Data Unit, Correlation Trial and Harmonisation Modelling of Friction Measurements on Runways. CROW Report. CROW. Ede,