Analysis and Comparison of the Performance of Rigid and Flexible Airfield Pavements in Iran Using FAARFIELD and ABAQUS Finite Element Software

Authors
Hassan Divandari 1
Darab Kheiri 2
1 Department of Civil Engineering, CT.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Civil Engineering, Nos.C., Islamic Azad University, Nowshahr, Iran.
10.22034/road.2026.240056
Abstract
Designing airport pavements has always been challenging because, in addition to providing sufficient strength to withstand the load from aircraft traffic, it must be as economical as possible. Therefore, researchers have developed various software to meet this need. The latest version of the software provided by the Federal Aviation Administration (FAA) for this purpose is FAARFIELD. This software, due to its use of a three-dimensional finite element model in pavement design, offers a more realistic representation of aircraft loading on the runway compared to its previous versions. In pavement design, various technical and economic factors such as traffic volume, cost, soil type, weather conditions, materials, durability, strength, pavement lifespan, maintenance, and environmental issues must be considered. In this research, considering the three-dimensional finite element modeling conducted using FAARFIELD and ABAQUS software, various models have been created to determine the critical stress on the airport runway pavement and identify critical areas for two types of rigid and flexible pavements under the loading conditions of aircraft operating at Mehrabad International Airport. In the analysis process, after modeling with FAARFIELD software, a second analysis was conducted using ABAQUS software and the output parameters of the first analysis, such as layer thickness, modulus of elasticity, and Poisson's ratio. Assumptions for defining fixed supports and boundary conditions, as well as elastic and viscoelastic theories for rigid and flexible pavements respectively, were made. The ABAQUS output results, in addition to confirming the FAARFIELD results, provided more comprehensive information on stress, strain, maximum displacement of the pavement, and critical points The maximum stress and displacement are concentrated in the first layer of the pavement, which is in direct contact with the compressive load resulting from the landing and wheel of the aircraft. As the depth of the layer increases, the values of compressive stress, fatigue, and Tresca strain gradually decrease. It was also confirmed that in none of the scenarios does a critical or yielding point appear on the surface of the runway. Instead, the points with maximum stress and displacement are mainly at the boundary points, which can be due to the stress concentration at these boundary points. Due to the length of the runway, these boundary conditions do not exist, and in the presence of joints in concrete pavements, the extent of these boundary conditions is reduced. Therefore, the major part of the stress concentration issue at boundary conditions can be safely overlooked.
Keywords
Boundary Conditions
Viscoelastic Theory
Three-Dimensional Finite Element
FAARFIELD
-­اخوان بهابادی، محمدجواد، خبیری، محمدمهدی و فتوحی فیروزآبادی، علیرضا (1391). بررسی عددی رشد ترک بر پایه ضرایب شدت تنش در اثر بارگذاری چرخ هواپیما در روسازی آسفالتی فرودگاه. پژوهشنامه حمل و نقل، دوره 13، شماره3، شماره پیاپی 48، پاییز، 30-14.
- بابا­گلی، رضوان، عباسپور مرز­بالی، کریم، محمدی، زهرا و عاملی، علیرضا (1398). مقایسه فنی و اقتصادی روسازی بتن غلتکی با روسازی آسفالتی و اولویت بندی پارامترهای موثر با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی فازی. فصلنامه مهندسی حمل و نقل، شماره 58، 306-291.
- خانی، علی و گلی، احمد (1390). مدل سازی رفتار آسفالت در شرایط الاستیک و ویسکو­الاستیک تحت تحلیل دینامیکی. دومین کنفرانس بین­المللی دستاورد­های نوین پژوهشی در عمران، معماری و مدیریت شهری.
- شرکت فرودگاه­ها و ناوبری هوایی ایران، (1402). گزارش مطالعات بهسازی اپرون غربی فرودگاه بین­المللی مهرآباد. مطالعات مرحله اول روسازی، مهندسین مشاور گسترش محمدیان.
- شرکت فرودگاه­ها و ناوبری هوایی ایران (1400). گزارش مطالعات روسازی باند 29 چپ فرودگاه بین­المللی مهرآباد. پروژه بهسازی سطوح پروازی و اجرای سیستم زهکشی باند 29 چپ فرودگاه بین­المللی مهرآباد.
- شفابخش، غلامعلی، اکبری، عباس و کاشی، احسان (1391). تحلیل عددی اثر مجموعه چرخ­های انواع هواپیماها در تعیین نواحی بحرانی روسازی صلب باند فرودگاه. مجله مدلسازی در مهندسی، سال دهم، شماره 29.
- شفا­بخش، غلامعلی و اکبری، عباس(1390)­. مطالعه اثر خرابی هواپیماهای پهن­پیکر بر روسازی باند فرودگاه. ششمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.
-طاهر­خانی، حسن و صفاری، حامد (1398). بررسی تاثیر هواپیماهای سنگین بر روی ترک­های انعکاسی روسازی مرکب فرودگاه­ها با استفاده از روش المان محدود تعمیم­یافته. فصلنامه علمی پژوهشی حمل و نقل، سال شانزدهم.
- غافری، مرضیه و حجازی، سید جعفر (1394). تحلیل و بررسی آخرین نسخه نرم­افزار سازمان هوانوردی امریکا در طراحی روسازی بتنی باند فرودگاه. اولین کنفرانس ملی فناوری­های نوین بتن، رشت، گیلان.
- فخری، منصور و غنی­زاده، علیرضا (1391). توسعه برنامه­ای برای تحلیل غیر­خطی روسازی­های انعطاف­پذیر. فصلنامه علمی پژوهشی حمل و نقل، سال سوم.
- میرزا خانلری، امید، طاهری، نیما و ملکی­ها، مهدی (1390). طراحی روسازی باند فرودگاه با استفاده از نرم­افزار FAARFIELD. دومین کنفرانس بین­المللی دستاورد­های نوین پژوهشی در عمران، معماری و مدیریت شهری.
-Divandari, H., Sarkar, A., Kargar Aldaghi, O., and Hosseinian, SM., (2025). Evaluation of Performance Characteristics of Microsurfacing Treatment Modified With Gilsonite as a Substitute for Natural Aggregate Filler. International Journal of Pavement Engineering, 26 (1), 2477766doi.org/10.1080/10298436.2025.2477766
 -Golizadeh, M., Divandari, H., and Sobhi, S., (2023). Investigation of using Coal Waste in asphalt mixtures and it's effects on moisture damage with the approach of bitumen chemistry and asphalt mixture mechanical test. Amirkabir J. Civil Eng., 54(12) (2023) 965-968. doi.org/10.22060/ceej.2022.21476.7735
- Haydon, M., Wardle, L., and Chai, G., (2016). Airfield Pavement Design for a Major Airport Using FAARFIELD and APSDS. Proc. of the Eighth Intl. Conf. on Maintenance and Rehabilitation of Pavements. 
Published by Research Publishing, Singapore.
- Kaya, O., (2020). Comparative Design and Economic Analysis for Airfield Pavements. Afyon Kocatepe University Journal of Science and Engineering.
- Moghimi, S., Shafabakhsh, G.A., and Divandari, H. (2023). Evaluation of rutting, fatigue, and moisture resistance of low‐energy Asphalt mixtures modified by crumb rubber. Advances in Civil Engineering, Vol. 2023, doi.org/10.1155/2023/6668963
 -Pei, C., and Wang, S.Y., (2005). The Development and Application of Finite Element Model in the Chiang-Kai-Shek International Airport. Proceedings of the 8th International Conference on Concrete Pavements, Colorado, USA.
-Shen, S., Zhang, W., Wang, H. and Huang, H., (2017). Numerical Evaluation of Surfaceinitiated Cracking in Flexible Pavement Overlays with Field Observations. Road Materials and Pavement Design, Taylor & Francis, No. 1, 221-234.
 -Shimu, T.H., Rahman, M.M., Naim Hossain, Md., Nilu, N.J., and Ahmad, K.S., (2015). Finite Element Analysis of Airfield Flexible Pavement. First International Conference on Advances in Civil Infrastructure and Construction Materials, Daka, Bangladesh.
  -Tahmouresi, G., Amouzadeh Omrani, M., Divandari, H., and Seyedkazemi, A., (2025). Experimental Investigation of the Mechanical Properties of Asphalt Mixtures Containing Lightweight Expanded Clay Aggregate Replacing Coarse Aggregates and Modified With Nano-AL2O3. International Journal of Pavement Engineering, 26 (1), 2532690
doi.org/10.1080/10298436.2025.2532690
 -Shafabakhsh, G., and Kashi, E., (2012). A Numerical Study Effect of Aircraft’s Main Gear Configuration on Airport Runway Damages. Technics Technologies Education Management TTEM Journal, Vol. 7, No. 2, 811-819.
-U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration­, (2021). Airport Pavement Design and Evaluation. Advisory Circular, AC NO 150/5320-6G.
-Wang, H., and Al-Qudi, I., (2010). Evaluation of Surface – Related Pavement Damage Due to Tire Braking.