Aparat FWD (z ang. falling weight deflectometer) to urządzenie nieinwazyjnego badania nawierzchni używane w inżynierii infrastrukturalnej do oceny właściwości fizycznych nawierzchni na podstawie jej ugięcia pod obciążeniem. Badanie FWD jest wykorzystywane przede wszystkim do oszacowania nośności konstrukcyjnej nawierzchni, wyznaczenia pozostałej trwałości zmęczeniowej oraz zaprojektowania ewentualnych wzmocnień. Stosowany jest głównie na drogach wyższych klas (autostrady, drogi krajowe, drogi wojewódzkie) ale również na pozostałych drogach, nawierzchniach lotnisk, placów składowych, czy torów kolejowych. Jednostka pomiarowa jest zwykle umieszczona w przyczepie, którą można holować do wybranej lokalizacji przez inny pojazd. Istnieją również wersje zintegrowane z pojazdem czy kompleksowe urządzenia, w których skład wchodzi georadar.
Zasadą działania FWD przekazywania impulsu obciążeniowego na powierzchni nawierzchni, który symuluje obciążenie wytwarzane przez toczące się koło pojazdu. Impuls generowany jest przez zrzucenie ciężaru o określonej masie i jest przenoszone na nawierzchnię za pomocą okrągłej płyty obciążeniowej - zwykle o średnicy 300 mm na drogach i 450 mm na lotniskach. Tensometry zamontowany na płycie mierzy obciążenie przyłożone do powierzchni nawierzchni. Zazwyczaj obciążenie do badań drogowych wynosi około 50 kN, co daje około 707 kPa ciśnienia pod płytą obciążeniową.
Badanie FWD - Geofony
Czujniki ugięcia (geofony; sejsmometry z równoważeniem siły) zamontowane promieniowo od środka płyty obciążeniowej mierzą odkształcenie nawierzchni w odpowiedzi na obciążenie. Typowe odległości od centrum obciążenia to 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200 i 1500 mm. Ugięcia zmierzone w tych czujnikach są nazywane D0, D200, D300 itp. Zaletami sejsmometrów w porównaniu z geofonami są wbudowane urządzenia kalibracyjne i większy zakres (5 mm w porównaniu do 2 mm). Geofony są bardziej wrażliwe na zakłócenia bezpośrednio przed uderzeniem, ponieważ błąd początkowy jest zintegrowany.
Analiza danych
Badanie FWD jest najczęściej wykorzystywane do obliczania parametrów konstrukcji nawierzchni związanych ze sztywnością warstw. Proces obliczania modułów sprężystości poszczególnych warstw na podstawie ugięć powierzchni jest znany jako „obliczenia wsteczne” ponieważ nie ma formy zamkniętej rozwiązania. Zamiast tego przyjmuje się początkowe moduły, oblicza ugięcia powierzchni, a następnie moduły są dostosowywane w sposób iteracyjny, aby zbiegały się na zmierzonych ugięciach. Może dawać dość rozbieżne wyniki i wymaga doświadczonego analityka. Najczęściej stosowanym oprogramowaniem do obliczania wstecznego są:
- BAKFAA (Federalna Administracja Lotnicza)
- Clevercalc (University of Washington)
- ELMOD (Dynatest)
- Evercalc (WSDOT)
- KGPBACK (Geotran)
- MichBack (Michigan DOT)
- Modulus (TxDOT)
- PVD (KUAB)
- PRIMAX DESIGN / RoSy Design
Dodatkowe wskaźniki
Wielu analityków stosuje uproszczone metody do obliczania powiązanych parametrów o charakterze empirycznym. Najczęstsze jest maksymalne ugięcie pod środkiem płyty obciążeniowej (D0), które jest związane z pomiarami empirycznymi, takimi jak ugięcie belki Benkelmana (po niewielkiej korekcie różnic między dwoma urządzeniami). Stosuje się również wskaźniki kształtu czasy ugięcia takie jak: BLI = D0-D300 (stan podbudowy), MLI = D300-D600 (stan podbudowy pomocniczej/wzmocnienia) oraz LLI = D600-D900 (stan podłoża). Dane FWD mogą być również bardzo przydatne, pomagając podzielić badaną drogę na odcinki jednorodne o podobnych parametrach. Dane FWD można również wykorzystać do obliczenia stopnia przeniesienia obciążenia między sąsiednimi płytami betonowymi oraz do wykrycia pustych przestrzeni pod płytami.
Inne odmiany urządzenia
Lekka płyta dynamiczna (LWD) jest przenośnym deflektometrem, stosowanym przede wszystkim do testowania modułu podbudów i podłoża podczas budowy. Pomiar LWD jest szybszy niż tradycyjne FWD i nie wymaga żadnych pomiarów referencyjnych. Sprzęt może być obsługiwany przez jednego operatora, co pozwala na analizę zebranych danych i drukowanie plików danych na miejscu.
Deflektometr ciężki (HWD) wykorzystuje wyższe obciążenia i stosowany jest głównie do testowania nawierzchni lotniskowych. Maksymalne obciążenie dla HWD wynosi zwykle około 300 kN. Powszechnym nieporozumieniem jest to, że do przetestowania zdolności lotniska do obsługi ciężkich samolotów potrzebne jest większe obciążenie. W rzeczywistości metody testowania nie są przeznaczone do testowania wytrzymałości konstrukcji, ale do znalezienia właściwości materiałowych konstrukcji.
Aparat RWD (Rolling Weight Deflectometer) to deflektometr, który może gromadzić dane ze znacznie większą prędkością (nawet 85 km/h) niż FWD, co pozwala na gromadzenie danych bez kontroli ruchu i zamykania pasa ruchu. Jest to specjalnie zaprojektowana przyczepa ciągnikowa z laserowymi urządzeniami pomiarowymi zamontowanymi na belce pod przyczepą. Inną zaletą RWD w porównaniu z FWD jest to, że może on gromadzić dane dotyczące ciągłego ugięcia, w przeciwieństwie do dyskretnych danych ugięcia gromadzonych przez FWD.
