Tragfähigkeit von Fahrbahnen – Lastaufnahmefähigkeit befestigter Flächen in der Flughafeninfrastruktur

Was ist die Tragfähigkeit von Fahrbahnen?

Die Tragfähigkeit von Fahrbahnen ist die quantifizierte Fähigkeit einer befestigten Fläche – wie Start- und Landebahn, Rollbahn oder Vorfeld – aufgebrachte Flugzeuglasten zu tragen, ohne übermäßige Schädigung, strukturelles Versagen oder beschleunigte Verschlechterung zu erleiden. Dieser Wert ist zentral für die Flughafenplanung und den Betrieb, da Flugzeuge erhebliche konzentrierte Lasten über ihr Fahrwerk aufbringen, die pro Rad mehrere Hunderttausend Kilogramm betragen können. Die Tragfähigkeit von Flughafenfahrbahnen wird nicht nur durch das Oberflächenmaterial bestimmt, sondern auch durch die darunterliegenden Schichten und den tragenden Untergrundboden, die zusammen ein Tragwerk bilden. Um Sicherheit zu gewährleisten, werden Fahrbahnen so ausgelegt und laufend bewertet, dass sie die aktuelle und zu erwartende Flugzeugflotte, Umweltbedingungen und betriebliche Anforderungen aufnehmen können.

Die Bedeutung der Tragfähigkeit von Fahrbahnen zeigt sich in deren standardisierter Bewertung und Berichterstattung, die sichere Flugbetriebe und effizientes Flughafenmanagement ermöglichen. Sie wird mit Kennzahlen wie der Pavement Classification Number (PCN) oder Pavement Classification Rating (PCR) ausgedrückt, die einen direkten Vergleich der Flugzeuglastwirkung (ACN oder ACR) mit der Fahrbahnkapazität erlauben. Diese Kennzahlen sind entscheidend für betriebliche Entscheidungen, einschließlich der Festlegung, welche Flugzeuge bestimmte Start- und Landebahnen, Rollbahnen und Vorfelder sicher nutzen können. Das Konzept bildet auch die Grundlage für die Einhaltung von ICAO- und FAA-Vorschriften, indem sichergestellt wird, dass Flughäfen genaue Daten zur Fahrbahntragfähigkeit in den Aeronautical Information Publications (AIPs) und Flughafenstammdaten veröffentlichen.

Die Tragfähigkeit von Fahrbahnen beeinflusst direkt die Flughafenkapazität, da zu schwache Fahrbahnen den Einsatz schwererer oder häufigerer Flugzeuge einschränken können, was zu Umleitungen, Betriebsverzögerungen oder kostspieligen Fahrbahnsanierungen führt. Der Bewertungsprozess umfasst die technische Untersuchung der Fahrbahnmaterialien, Schichtdicken, Untergrundbedingungen und zu erwartenden Verkehrsbelastungen. Technische Standards wie ICAO Doc 9157, FAA AC 150/5335-5D und ASTM D5340 informieren diese Bewertungen. Die daraus resultierenden Daten unterstützen nicht nur den Flugbetrieb, sondern auch das Anlagenmanagement, die Wartungsplanung und langfristige Infrastrukturinvestitionen.

Wie wird die Tragfähigkeit von Fahrbahnen in der Flughafeninfrastruktur genutzt?

Daten zur Fahrbahntragfähigkeit sind grundlegend für das Management und den Betrieb der Flughafeninfrastruktur. Ingenieure, Planer und Flughafenbetreiber verlassen sich auf genaue Bewertungen, um sicherzustellen, dass Flugbetriebe im sicheren Rahmen bleiben. Diese Daten bilden die Grundlage für mehrere kritische Funktionen:

• Flugbetrieb: Bevor ein bestimmtes Flugzeug eine Start- und Landebahn, Rollbahn oder ein Vorfeld nutzen darf, müssen die Flughafenbehörden sicherstellen, dass die Flugzeuglastwirkung – dargestellt durch dessen ACR oder ACN – die gemeldete PCR oder PCN der Fahrbahn nicht überschreitet. Diese Kontrolle verhindert strukturelle Schäden, Spurrinnenbildung, Risse oder katastrophale Ausfälle, insbesondere bei neuen Großraumflugzeugen oder solchen mit hohem Reifendruck.
• Betriebsführung und Abstellpositionen: Die Tragfähigkeit von Fahrbahnen bestimmt nicht nur die Nutzung von Start- und Landebahnen, sondern auch Rollwege und Abstellflächen. Flughäfen können Abschnitte mit unterschiedlicher Tragfähigkeit haben, und Fahrwege werden so geplant, dass eine Überlastung schwächerer Bereiche vermieden wird. Beispielsweise werden schwere Flugzeuge gezielt auf bestimmte Rollwege oder Standplätze mit höherer Tragfähigkeit geleitet.
• Regelkonformität: ICAO Anhang 14 und FAA-Vorschriften verlangen, dass Flughäfen Fahrbahntragfähigkeiten in standardisiertem Format melden. Diese Informationen werden im Aeronautical Information Publication (AIP) veröffentlicht und in das Airport Master Record (AMR) eingetragen, sodass Piloten, Flugplaner und Airlines aktuelle Kapazitätsdaten für die Flugplanung erhalten.
• Fahrbahnmanagement und Wartung: Daten zur Fahrbahntragfähigkeit beeinflussen die Wartungsplanung, Sanierungsmaßnahmen und das Asset Management. Durch die Überwachung von Veränderungen der Tragfähigkeit im Zeitverlauf – verursacht durch Alterung, Witterung oder erhöhten Verkehr – können Flughäfen präventive Maßnahmen planen, die Lebensdauer der Fahrbahn verlängern und Wartungsbudgets optimieren.
• Entscheidungen zu Planung und Ausbau: Bei Neubauvorhaben oder größeren Sanierungen werden die Anforderungen an die Fahrbahntragfähigkeit auf Basis der prognostizierten Flugzeugtypen und -frequenzen festgelegt. Die Planung nutzt Verkehrsprognosen und statische Berechnungen, um sicherzustellen, dass neue oder sanierte Fahrbahnen die erforderlichen Tragfähigkeitswerte für die vorgesehene Nutzungsdauer erreichen oder übertreffen.

Die Integration von Fahrbahntragfähigkeitsdaten in Flughafenbetrieb und Planung wird durch digitale Asset-Management-Systeme und räumliche Kartierungswerkzeuge unterstützt, die einen Echtzeit-Zugriff auf Zustand und Tragfähigkeit der Fahrbahnen im gesamten Flugfeld bieten. Dies ermöglicht eine dynamische Standzuweisung, schnelle Reaktion auf betriebliche Veränderungen und fundierte Entscheidungen in Ausnahmesituationen (z.B. Notlandungen, temporäre Überlastungen).

Wichtige Begriffe und Definitionen

Aircraft Classification Rating (ACR)

Die Aircraft Classification Rating (ACR) ist eine standardisierte numerische Kennzahl, die die relative Fahrbahnbelastung eines bestimmten Flugzeugtyps beschreibt. Basierend auf dem maximalen Rampengewicht des Flugzeugs, der Fahrwerksart und -anordnung sowie dem Reifendruck quantifiziert die ACR, wie stark das Flugzeug die Fahrbahn beansprucht. Die ACR wird nach international anerkannten Methoden berechnet, die Fahrbahntyp (flexibel oder starr) und Untergrundkategorie berücksichtigen.

Der ACR-Wert ermöglicht den direkten Vergleich mit der Tragfähigkeit der Fahrbahn (PCR oder PCN). Liegt die ACR eines Flugzeugs unter oder gleich der PCR/PCN (und wird der zulässige Reifendruck nicht überschritten), ist ein uneingeschränkter Betrieb möglich. Die ACR wird von Flugzeugherstellern im Aircraft Flight Manual (AFM) oder auf behördlichen Datenblättern angegeben und bezieht sich auf das ungünstigste Belastungsszenario – typischerweise das maximale Betriebs- oder Rampengewicht mit der kritischsten Fahrwerkskonfiguration und voller Betankung.

ACR-Werte werden nach den Berechnungsverfahren in ICAO Doc 9157 Teil 3 und FAA AC 150/5335-5D bestimmt. Diese Verfahren berücksichtigen die Dicke und Zusammensetzung der Fahrbahn, die Verteilung der Radlasten und die Eigenschaften des Untergrunds. Die ACR wird für jeden Fahrbahntyp und jede Untergrundkategorie neu berechnet, da sich das Strukturverhalten zwischen flexiblen und starren Fahrbahnen sowie mit Änderungen der Untergrundfestigkeit unterscheidet.

Im praktischen Betrieb bietet die ACR einen einfach referenzierbaren Wert für Flugplanung, Flughafenkompatibilitätsstudien und die Einhaltung von Vorschriften. Sie vereinfacht die komplexe Wechselwirkung zwischen Flugzeugbelastung und Fahrbahnbauwerk auf einen handhabbaren Vergleich und ermöglicht Flughäfen und Airlines eine effiziente Bewertung der Betriebsfähigkeit und die Planung für neue Flugzeugtypen.

Pavement Classification Rating (PCR)

Das Pavement Classification Rating (PCR) ist der Zahlenwert, der die Tragfähigkeit einer Flughafenfahrbahn unter Berücksichtigung von Aufbau, Zustand, Untergrundunterstützung und prognostiziertem Verkehr ausdrückt. Die PCR ist das Herzstück des ACR-PCR-Systems zur Fahrbahnklassifizierung, das das ältere ACN-PCN-System als internationalen Standard unter ICAO- und FAA-Regelungen abgelöst hat.

Die Ermittlung der PCR erfolgt entweder empirisch anhand tatsächlich eingesetzter Flugzeuge (Using Aircraft Method) oder durch detaillierte statische Analysen (Technical Evaluation Method). Die PCR gibt den höchsten ACR-Wert des Flugzeugs an, das ohne Einschränkung auf der Fahrbahn betrieben werden kann, wobei sowohl statische und dynamische Belastungen als auch Umwelteinflüsse und die kumulierte Beanspruchung über die geplante Lebensdauer berücksichtigt werden.

Die PCR wird in einem standardisierten fünfteiligen Code gemeldet, der den Zahlenwert, den Fahrbahntyp, die Untergrundkategorie, die Reifendruckbegrenzung und die Bewertungsmethode enthält. Dieser Code liefert alle notwendigen Informationen für Piloten, Flugplaner und Flughafenbetreiber, um die Eignung einer Fahrbahn für bestimmte Flugzeugeinsätze zu bewerten.

Die PCR ist nicht statisch, sondern wird regelmäßig neu bewertet, wenn sich Betriebsbelastungen ändern, die Fahrbahn altert oder Wartungen durchgeführt werden. Präzise PCR-Werte sind essentiell für Sicherheit, betriebliche Effizienz und Regelkonformität. Flughäfen müssen PCR-Bewertungen nach größeren Sanierungen, signifikanten Verkehrsänderungen oder beobachteter Verschlechterung aktualisieren.

Durch die klare, standardisierte Messung der Fahrbahnkapazität erleichtert die PCR die sichere Integration neuer Flugzeugtypen, unterstützt eine effiziente Ressourcenzuteilung und bildet die Grundlage für die langfristige Nachhaltigkeit der Flughafeninfrastruktur.

Aircraft Classification Number (ACN)

Die Aircraft Classification Number (ACN) ist ein älterer ICAO-Begriff und entspricht der ACR, sie beschreibt die relative Belastung der Fahrbahn durch ein Flugzeug für einen bestimmten Fahrbahntyp und eine bestimmte Untergrundfestigkeit. Das ACN-PCN-System wurde von der ICAO entwickelt, um die Fahrbahnklassifizierung weltweit zu standardisieren und den direkten Vergleich zwischen Flugzeugbelastung (ACN) und Fahrbahnkapazität (PCN) zu ermöglichen.

Die ACN wird nach den in ICAO Doc 9157 vorgeschriebenen Methoden berechnet, die das maximale Flugzeuggewicht, die Fahrwerkskonfiguration und den Reifendruck sowie standardisierte Fahrbahn- und Untergrundmodelle berücksichtigen. Die ACN wird für vier Untergrundkategorien (A–D) und zwei Fahrbahntypen (flexibel und starr) ermittelt, sodass für ein Flugzeug mehrere ACN-Werte existieren können.

Obwohl das ACN-PCN-System in manchen Ländern noch verwendet wird, wird es zugunsten des technisch weiterentwickelten ACR-PCR-Systems abgelöst, das modernere Bewertungsmethoden und umfassendere Daten nutzt. Der Wechsel zu ACR-PCR widerspiegelt Fortschritte im Fahrbahnbau, Flugzeugentwicklung und Lastmodellierung sowie die Harmonisierung von ICAO und FAA.

ACN-Werte werden wie ACR von Flugzeugherstellern und Behörden veröffentlicht und sind Bestandteil von Flughandbüchern, Flughafenplanungsunterlagen und Luftfahrtpublikationen. Die Betreiber sind dafür verantwortlich, dass die ACN-Werte ihres Flugzeugs die veröffentlichten PCN-Grenzen für die geplanten Einsätze nicht überschreiten.

Pavement Classification Number (PCN)

Die Pavement Classification Number (PCN) ist der international anerkannte Zahlenwert, der die Tragfähigkeit einer Flughafenfahrbahn für uneingeschränkte Flugbetriebe angibt. Die PCN wird als fünfteiliger Code gemeldet, der neben dem Zahlenwert auch den Fahrbahntyp, die Untergrundkategorie, den maximal zulässigen Reifendruck und die Bewertungsmethode angibt.

Die PCN dient als universelle „Sprache“ zur Fahrbahntragfähigkeit und ermöglicht den direkten Vergleich mit der Aircraft Classification Number (ACN) oder Aircraft Classification Rating (ACR) verschiedener Flugzeuge. Dieser Vergleich gewährleistet, dass nur kompatible Flugzeuge eine bestimmte Fahrbahn nutzen, wodurch die Bauwerkssubstanz erhalten und Wartungskosten minimiert werden.

PCN-Werte werden entweder durch technische Bewertung – mittels detaillierter Strukturanalyse und Verkehrsprognosen – oder durch Bezug auf Flugzeuge ohne nachweisbare Fahrbahnschäden (Using Aircraft Method) bestimmt. Die Berichtsart wird im PCN-Code angegeben. Beispielsweise steht ein PCN von 56/R/B/W/T für eine starre Fahrbahn mit mittlerer Untergrundfestigkeit, ohne Reifendruckbegrenzung und Bewertung durch technische Analyse.

Flughäfen sind nach ICAO Anhang 14 und FAA-Vorschriften verpflichtet, PCN-Werte für sämtliche Flugfeldfahrbahnen in den Aeronautical Information Publications (AIP) und anderen offiziellen Unterlagen zu veröffentlichen. Diese Werte sind für die Flugplanung, Kompatibilitätsstudien und die behördliche Kontrolle unerlässlich. Bei neuen Flugzeugtypen oder geänderten Fahrbahnzuständen müssen PCN-Werte neu bewertet und aktualisiert werden, um die Sicherheit des Betriebs dauerhaft zu gewährleisten.

Untergrundkategorie

Die Untergrundkategorie ist eine Klassifizierung der Tragfähigkeit des Bodens oder Materials unterhalb des Fahrbahnaufbaus. Die Fähigkeit des Untergrunds, Lasten aufzunehmen, ist ein entscheidender Faktor für Planung und Leistung der Fahrbahn, da sie die Verteilung der aufgebrachten Flugzeuglasten und das Risiko struktureller Schäden direkt beeinflusst.

Untergrundkategorien werden mit den Buchstaben A (hoch), B (mittel), C (niedrig) und D (sehr niedrig) angegeben und basieren auf standardisierten Messgrößen wie Elastizitätsmodul (E) oder California Bearing Ratio (CBR) für flexible Fahrbahnen. Die Auswahl erfolgt anhand standortspezifischer geotechnischer Daten – gewonnen durch Bohrungen, Laborversuche und Felduntersuchungen – oder durch Bezugnahme auf etablierte Bodenpläne und historische Aufzeichnungen.

Bei starren Fahrbahnen basiert die Untergrundkategorie ausschließlich auf dem Elastizitätsmodul, da die Betondecke Lasten großflächiger verteilt als flexible Fahrbahnen. Bei flexiblen Fahrbahnen werden sowohl Modul als auch CBR berücksichtigt, da diese empfindlicher auf Untergrundverformungen reagieren.

Eine präzise Untergrundklassifizierung ist entscheidend für realistische Tragfähigkeitsbewertungen und langfristige Leistungsprognosen der Fahrbahn. Fehlklassifikationen können zu vorzeitigem Fahrbahnschaden, erhöhten Wartungskosten und betrieblichen Einschränkungen führen.

Fahrbahntypen: Starr und Flexibel

Flughafenfahrbahnen werden als starr oder flexibel eingestuft, abhängig von ihrem Strukturverhalten und dem verwendeten Material:

Flexible Fahrbahn (F):
Flexible Fahrbahnen bestehen aus Schichten von Asphaltbeton (Heißmischasphalt, HMA), Tragschicht und Unterbau. Diese Schichten verteilen die Flugzeuglasten durch Tragwirkung, wobei die höchsten Spannungen an der Oberfläche auftreten und mit der Tiefe abnehmen. Flexible Fahrbahnen sind so ausgelegt, dass sie kleinere Verformungen aufnehmen und sich von belastungsbedingten Dehnungen erholen können, sind jedoch empfindlich gegenüber Untergrundfestigkeit und Feuchtigkeit. Die Instandhaltung umfasst in der Regel periodische Oberflächenerneuerungen und Risssanierungen.

Starre Fahrbahn (R):
Starre Fahrbahnen bestehen vorwiegend aus dicken Platten aus Portlandzementbeton (PCC), oft mit Stahlbewehrung. Die Betondecke wirkt wie ein Träger und verteilt die Lasten auf eine wesentlich größere Fläche als flexible Fahrbahnen. Dadurch wird die Beanspruchung des Untergrunds reduziert, und starre Fahrbahnen funktionieren auch auf schwächeren Böden gut. Sie sind weniger anfällig für Wassereintritt und Temperaturschwankungen, aber empfindlich für Rissbildung, Fugenverschleiß und Plattenverschiebung. Die Instandhaltung umfasst Fugenreparaturen, Plattenaustausch und Oberflächenschleifen.

Die Entscheidung zwischen starrer und flexibler Fahrbahn hängt ab von zu erwartenden Verkehrsbelastungen, Untergrundbedingungen, Klima, Lebenszykluskosten und Wartungsaspekten. Viele Flughäfen setzen beide Typen ein, verwenden starre Fahrbahnen für besonders beanspruchte Bereiche (z.B. Vorfelder, Kreuzungen) und flexible Fahrbahnen für weniger kritische Abschnitte.

Standardisierte Methoden zur Ermittlung der Fahrbahntragfähigkeit

Strenge, standardisierte Methoden gewährleisten die Konsistenz und Zuverlässigkeit der Fahrbahntragfähigkeitsdaten an Flughäfen weltweit. Diese Methoden sind in ICAO- und FAA-Richtlinien kodifiziert, insbesondere ICAO Doc 9157 und FAA AC 150/5335-5D, und bieten zwei Hauptbewertungsverfahren:

Using Aircraft Method

Die Using Aircraft Method schätzt die Fahrbahntragfähigkeit (PCR/PCN) anhand der Betriebserfahrung mit Flugzeugen, die die Fahrbahn regelmäßig ohne sichtbare Schäden nutzen. Dieser empirische Ansatz ist besonders nützlich, wenn detaillierte Daten zum Fahrbahnaufbau fehlen oder eine schnelle Bewertung nach Änderungen im Verkehrsaufkommen oder nach Wartungsarbeiten erforderlich ist.

Verfahren:

1. Erstellen Sie eine vollständige Liste aller Flugzeugtypen, die regelmäßig auf dem Fahrbahnabschnitt verkehren, einschließlich ihrer maximalen Rampengewichte und Einsatzhäufigkeit.
2. Ermitteln Sie die aktuellen ACR/ACN-Werte für jedes Flugzeug, entsprechend dem Fahrbahntyp und der Untergrundkategorie.
3. Identifizieren Sie das „kritische“ Flugzeug – das mit dem höchsten ACR/ACN unter den regelmäßig eingesetzten (nicht seltenen oder außergewöhnlichen) Flugzeugen.
4. Weisen Sie der PCR/PCN den Wert des ACR/ACN des kritischen Flugzeugs zu, um sicherzustellen, dass alle regelmäßig eingesetzten Flugzeuge weiterhin uneingeschränkt betrieben werden können.
5. Vervollständigen Sie den fünfteiligen Berichtscode, einschließlich Fahrbahntyp, Untergrund, Reifendruckgrenze und Bewertungsmethode (U für Using Aircraft).

Diese Methode geht davon aus, dass die Fahrbahn diese Flugzeuge bisher ohne Schäden getragen hat, berücksichtigt jedoch nicht kumulierte Schädigungen oder zukünftige Änderungen