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Effets des essieux multiples sur les chaussées bitumineuses
Clôture de l’opération de recherche PLINFRA – La Défense – 6 Novembre 2012
P. Hornych , J.-M. Balay, J.-M. Piau
2/22
Plan de l’exposé Nouveau modèle de fatigue pour chaussées bitumineuses (thèse Farah Homsi, 2011)
• Rappels : prise en compte des charges dans la méthode usuelle de dimensionnement des chaussées routières • Besoins d’évolution • Nouvelle loi de fatigue multi-pics pour EB • Son utilisation dans les calculs de fatigue des chaussées bitumineuses • Applications & perspectives
Effet des charges en haut de chaussée
(thèse Damien Grellet, en cours) • Observations du fonctionnement des interfaces & modélisation • Des impacts encore à évaluer
3/22
Rappels: principaux mécanismes d’endommagement des chaussées bitumineuses
Passages répétés des poids lourds
Orniérage par fluage de la couche
de roulement
Fissuration par fatigue des
couches d’assise
Orniérage par affaissement/plastification du sol support
Rappels: prise en compte des charges dans la méthode usuelle de dimensionnement des chaussées
Confrontation résistance fatigue EB « εmax labo » vs déformation maximale
de la chaussée, calculée sous charge « εmax calcul »
En labo: évaluation de la tenue en fatigue des matériaux bitumineux, par essais de flexion alternée à grand nombre de cycles (dépendance temporelle = sinus)
fonction puissance décroissante entre εmax labo & Nfatigue
Calcul de εmax calcul:
• Chaussée ~ multicouche élastique sous essieu standard (jumelage 13t)
• Prise en compte des vraies charges PL par histogrammes de classes de silhouettes (jumelages, tandem, tridem,…) et poids des groupes d’essieux
• Trafic ramené en silhouette et charge, au passage d’essieux standards
• Utilisation de coefficients pour les essieux multiples
Coefficients K -1/b Essieu simple
Essieu tandem
Essieu tridem
Structure bitumineuse
5 1 0,75 1,1
Structure hydraulique
12 1 12 113
5/22
Besoins d’évolution de la méthode de dimensionnement routière
Forte évolution des silhouettes PL et de leur fréquence, depuis l’élaboration de la méthode de dimensionnement des chaussées
Evolutions règlementaires récentes ou en débat des caractéristiques PL autorisées
• poids maximaux totaux, poids/essieux, silhouettes
Autres domaines :
-charges aéronautiques (nouveaux avions)
-charges complexes sur plates-formes industrielles ou logistiques
- …
Remises en question abordées à travers l’OR PLINFRA :
• passage systématique par charge standard • fatigue sous sollicitation temporelle sinusoïdale
6/22
Signaux déformation sous chargements multi-essieux versus sinus ?
Objectif : Ré-évaluer l’endommagement en fatigue produit par les chargements multi-essieux, par une approche plus réaliste des véritables sollicitations (déformation, contraintes) subies par les matériaux (EB) au passage des PL
-100
0
100
200
300
3.1 3.3 3.5 3.7 3.9Temps (s)
Déf
orm
atio
n (µ
m/m
)
Signal longitudinal Signal transversal
P
Sollicitations de fatigue dans les couches d’assise
Recherche de paramètres supplémentaires ayant une influence
sur la durée de vie en fatigue
Signal de déformation réel difficilement
assimilable à un sinus
7/22
Etape 1: Recherche d’une loi de fatigue multi-pics des EB
-100-50
050
100150200250
3.1 3.3 3.5 3.7 3.9
Temps (s)
Déf
orm
atio
n (µ
m/m
)
Signal longitudinal Signal transversal
2009-05-07-P1-P06-v06tmoyenne = 26.6 °C
Essais de fatigue de
laboratoire avec signaux
multi-pics
Nouveau modèle de
fatigue
Etude paramétrique
de signaux mesurés
Base de données essais Manège
Démarche adoptée
8/22
Essai sur le manège de fatigue de l’IFSTTAR avec charges multiples
(février 2009 juin 2009)
Signaux longitudinaux et transversaux A la base de la couche de grave bitume Deux structures de chaussées Essieu simple, Tandem et Tridem 4 km/h < V < 50 km/h Charge Roue = 42,5 kN 4°C < Tmoyenne Grave bitume < 38 °C
Constitution d’une base de données de signaux de déformation
Base de données avec conditions de chargement et de température variables > 2000 signaux traités ( >1000 signaux par structure) > 660 signaux par configuration
Etape 1: Recherche d’une loi de fatigue multi-pics des EB
Analyse statistique en composantes principales des signaux de déformation : Identification de 4 paramètres indépendants caractérisant la forme des signaux
Paramètres
εmax : Niveau de déformation
Np: Nombre de pics
D: Durée du signal divisée par le nombre de pics
Ân: Taux de remplissage du signal
D3×
ε (µ
m/m
)
ε1 2 3
D3An ×ε×
Temps (s)
Plan d’expérience d’essais de fatigue en laboratoire : 12 formes de signaux – 3 niveaux de déformations – 84 essais au total (banc d’essai à pot vibrant)
Matériau : Grave Bitume classe 3 de référence, température 20°C
max
max
_
Etape 1: Recherche d’une loi de fatigue multi-pics des EB
log(Nf) = -a log εmax - b log Np + c Ân + d D +e
Modèle de fatigue multilinéaire
X Np
10/22
Application du nouveau modèle de fatigue
Pour un PL, modèle de calcul de chaussées Alizé ou ViscoRoute ©
(Elasticité ou viscoélasticité linéaire)
εmax = … Np = … Ân = … D = …
-20
20
60
100
140
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Temps (s)
Déf
orm
atio
n (µ
m/m
)
Signal longitudinal Signal transversal
Signaux de déformation théoriques
Traitement des signaux
Durée de vie en fatigue
Calcul des 4 paramètres d’entrée du
modèle de fatigue
Nouveau modèle de
fatigue +
Balayage +
Principe de Miner
Etape 2 : Utilisation de la nouvelle loi pour le calcul de la fatigue des chaussées
Histogrammes classes PL & charges
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Applications de la nouvelle loi de fatigue + intégration dans codes de calcul
Elaboration de nouvelles méthodes de dimensionnement:
• Nouvelle méthode de dimensionnement des chaussées aéronautiques (en cours de test par le STAC)
• Calcul des structures pour trafics spéciaux
Domaine routier :
• Nécessite une révision importante d’autre pans de la méthode existante (essieu standard, coefficients de calage, balayage,…)
A voir dans le cadre de l’IDDRIM ?
• Applications ponctuelles possibles
12/22
100%126% 133%
0%20%40%60%80%
100%120%140%160%
1 2 3Nombre d'essieux
Cha
rge
tota
le ro
ulan
te
rela
tive
(%)
Exemple 1 : effet du nombre d’essieux sur la charge maximale transportable au cours de la « durée de vie théorique » d’une chaussée Hyp: même charge à la roue (32,5 kN), configurations roulant à la vitesse de 70 km/h sur structure bitumineuse épaisse
A même endommagement, les configurations d’essieux multiples permettent de transporter plus de charge que les configurations d’essieux simples.
Exemples d’application routière (1/2)
13/22
Comparaison T2S3 40t versus T2S3 44t
100% 107%
77% 85%80% 86%100% 106%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
1 2 3 4Type de PL
Char
ge to
tale
tran
spor
tée
rela
tive
(%)
Structure mince Structure épaisse
T2S3 400 kN
T2S3 400 kN Pressions faibles
T2S3 440 kN T2S3 440 kN Pressions faibles
Ratio silhouettes PL ~(40/44)2.5
Perspective : essai Manège de validation en vraie grandeur des effets charges et silhouettes PL (SETRA/IFSTTAR)
Exemples d’application routière (2/2)
14/22
Effet des charges en partie haute de chaussée
De nombreux mécanismes de dégradation affectent les couches de surface :orniérage, arrachements, fissuration par le haut, fissuration thermique, …
Besoin de mieux connaitre les sollicitations mécaniques (et autres: thermiques, hydriques,…) dans les couches de surface
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Effet des charges en partie haute de chaussée Etude expérimentale : Mesure des déformations dans les couches de roulement au moyen de capteurs à fibres optiques Collaboration Université Laval, Québec (thèse de D. Grellet)
Deux types de capteurs
Carotte instrumentée:
La carotte est prélevée sur place, instrumentée puis scellée sur site.
Épaisseur 5 mm, équipée de plusieurs jauges à fibres optiques, verticales et horizontales - Mise en place par un trait de scie.
Plaque instrumentée:
16/22
Effet des charges en partie haute de chaussée
• Pose de l’instrumentation après construction de la chaussée • Durée de vie supérieure au million de chargements
Mise en place des capteurs à fibres optiques
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Structure instrumentée sur manège de fatigue
8 cm BB couche d’accrochage
9 cm GB couche d’accrochage 8 cm GB 20cm grave non traitée (GNT) sol
Couches d’accrochage GB/GB et GB/BB
– bonne qualité, répandeuse, émulsion 300g/bitume pur résiduel
– mesures présentées > 1 an, 150 000 passages
θ
εL,εT
Déformations mesurées de part et d’autre de l’interface GB/BB pour 2 conditions de température distinctes
-10
-5
0
5
10
3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2
t (s)
mic
rost
rain
eps Leps T
contraction
extension
-100
0
100
200
300
3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1
t (s)
mic
rost
rain
eps Leps T
contraction
extension
-30
-20
-10
0
10
3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6
t (s)
mic
rost
rain
eps LepsT no signal
contraction
extension
-500-400-300-200-100
0100
3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6
t(s)m
icro
stra
in
eps Leps T
contraction
extension
θ interface ~22°C θ Interface ~ 42°C
Très différent hyp. usuellement admise
19/22
Le calage inverse des mesures conduit à : modéliser les interfaces, comme des couches de matériaux intercalaires,
d’épaisseur millimétrique possédant une rigidité d’un ordre de grandeur égal à la rigidité du
bitume, mesurée à température in situ Ceci revient plus ou moins, à prendre explicitement en compte les
couches d’accrochage, dans les modèles de chaussée
Modélisation et inversion des mesures
Matériau intercalaire : 2 mm, E ~ Ebitume(θ)
GRH : 24,5 cm
20/22
Comparaison des schémas de déformation horizontales : collé vs intercalaires
Profil vertical de déformation horizontale (modèle élastique)
-0.3
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
z(m)
Extension Contractionµdef
Profil vertical de déformation horizontale (modèle élastique)
-0.3
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0-200 -100 0 100 200 300
z(m)
Extension Contractionµdef
BB
GB
GB
BB
GB
GB
Hypothèse usuelle :
couches de chaussée directement collées
entre elles
Hypothèse avec couches intercalaires
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Le dimensionnement actuel des chaussées est calé sur l’hypothèse d’interface collée entre couches bitumineuses
Si les observations manège s’avèrent généralisables (ex: A75) , le
fonctionnement réel des chaussées à «température élevée» pourrait être significativement différent des modèles usuels (notamment en haut de chaussée)
Des effets mécaniques encore à évaluer :
– fatigue des couches d’assise – fatigue des couches de surface et la fissuration par le haut – fonctionnement et l’action des matériaux intercalaires (ex: géogrilles) – passage rapproché d’essieux multiples – …
Fonctionnement des interfaces : incidence ?