DIMENSIONNEMENTDIMENSIONNEMENTDES CHAUSSÉES RIGIDESDES CHAUSSÉES RIGIDES

MGC 840MGC 840Méthode AASHTO

Méthode de la PCA pour le calcul des chaussées rigides

Introduction Domaine d ’application Principes de design

Facteurs de design

Procédure de design Analyse à la fatigue Analyse à l ’érosion

Qu’est ce qu’une chaussée rigideQu’est ce qu’une chaussée rigide

Avantages et inconvénients d’une chaussée rigideAvantages et inconvénients d’une chaussée rigide

PourPour ContreContre

Soutenir des charges plus élevéesSoutenir des charges plus élevées

Durée de vie plus élevéeDurée de vie plus élevée

Moins d’entretienMoins d’entretien

Peu sensible au climatPeu sensible au climat

Coût initial plus élevé Coût initial plus élevé

Temps de prise plus élevé (12h)Temps de prise plus élevé (12h)

Sensible au gel/degel - fissuresSensible au gel/degel - fissures

Portland Cement Concrete Surface Slab

Stabilized Base

Granular Subbase

Natural Subgrade

Prime Coat

Prime Coat

Types de dallesTypes de dalles

dalles non goujonnées en béton non-armé sans acier d ’armature sans goujons aux joints (espacement max 4,6 m)

dalles goujonnées en béton non-armé goujons aux joints (espacement max 6,6 m)

dalles goujonnées en béton armé armatures interrompues au niveau des joints goujons aux joints (espacement max 13,0 m)

dalles continues pas de joints de retrait transversaux

Jointed Plain Concrete Pavement (JPCP)Jointed Plain Concrete Pavement (JPCP)

Jointed Reinforced Concrete Pavement (JRCP)Jointed Reinforced Concrete Pavement (JRCP)

Continuously Reinforced Concrete Pavement (CRCP)Continuously Reinforced Concrete Pavement (CRCP)

Pre-stressed Concrete Pavements (PCP)Pre-stressed Concrete Pavements (PCP)

Méthode de conception Empirique (AASHO).Méthode de conception Empirique (AASHO).

Plusieurs versions : 1961 (Interim Guide), 1972.Plusieurs versions : 1961 (Interim Guide), 1972.

1986: Caractérisation poussée des matériaux.1986: Caractérisation poussée des matériaux.

1993: 1993: Accent sur la réhabilitationAccent sur la réhabilitation

Cohérence flexible vs rigideCohérence flexible vs rigide

2002: Approche 2002: Approche Mécaniste-empiriqueMécaniste-empirique

InputsInputs

Pavement performancePavement performance

TrafficTraffic

Roadbed soilRoadbed soil

Slab characteristicsSlab characteristics

EnvironmentEnvironment

ReliabilityReliability

Shoulder designShoulder design

AASHTO Design:AASHTO Design:

JPCP, JRCP et CRCPJPCP, JRCP et CRCP

Identique aux chaussées flexibles Identique aux chaussées flexibles

Portance mesurée par l’épaisseur de la Dalle D au lieu du Portance mesurée par l’épaisseur de la Dalle D au lieu du SNSN

Dalles moins épaisses que les structures flexibles Dalles moins épaisses que les structures flexibles équivalentes.équivalentes.

Equation:Equation:

25.075.0

75.0

46.87

'18

//42.1863.215

132.1log32.022.4

1/10624.11

5.15.4/log06.01log35.7log

kEDJ

DCSp

D

PSIDSZW

c

dct

oRt

NOMOGRAPHENOMOGRAPHE

Abaque AASHTO chaussées rigidesAbaque AASHTO chaussées rigides

MÉTHODE DE LA PCAMÉTHODE DE LA PCA

OBJECTIF: Méthode de la Portland Cement Association (PCA)

même objectif que tous les travaux de structure trouver l'épaisseur minimum de la dalle de béton coût annuel le plus faible possible

coût de construction coût d ’entretien

déterminer l ’épaisseur optimale

ObjectifsObjectifs

Déterminer l ’épaisseur optimale

Assurer un bon rendement

Préparation d ’une assise uniforme et mince couche de fondation traitée ou non pour contrer le phénomène de pompage

Utilisation de joints pour assurer un bon transfert de charge et sceller la surface

Procédure de design tient compte de:Procédure de design tient compte de:

degré de transfert de charges aux joints incidence d ’un accotement en béton deux critères de design

critère de fatigue critère basé sur l ’érosion

Méthode de calcul basée sur:Méthode de calcul basée sur: Études théoriques de Westergaard, Pickett, Roy, …

Résultats d'essais routiers sur des chaussées expérimentales soumis aux charges de trafic contrôlés

Dalles expérimentales soumises à des essais routiers

Rendement des dalles construites normalement et sujettes à un trafic routier normal (+ importante)

Westergaard fut un des premiers à reconnaître que les résultats théoriques doivent être vérifiés par le comportement des chaussées en service.

Pour déterminer l’épaisseur de la dallePour déterminer l’épaisseur de la dalle

4 facteurs: Résistance en flexion du béton MR

Module de réaction de l ’infrastructure

ou de la combinaison fondation-infrastructure k

Charges, fréquence et types de camions

Année de conception

RÉSISTANCE EN FLEXIONRÉSISTANCE EN FLEXIONDU BÉTONDU BÉTON

Principalement pour le critère de fatigue contrôle la fissuration

Charges de la circulation dans la dalle de béton: Efforts de compression et de flexion Rapport entre contraintes de compression et résistance

en compression trop faibles pas d ’influence sur l'épaisseur de la dalle.

Rapport entre contraintes de tension et résistance en tension fréquemment supérieur à 0,5

grande influence si la résistance à la flexion de la dalle n'est pas suffisante

RÉSISTANCE EN FLEXIONRÉSISTANCE EN FLEXIONDU BÉTONDU BÉTON

Essai en flexion: Module de rupture du béton Sur des poutres de 150 x 150 x 760 mm

Mesure du module de rupture selon l'une des 3 méthodes de chargements suivantes :

chargement en porte-à-faux chargement au point central de la poutre chargement à deux points au tiers de la poutre - Choix de cette

dernière plus conservatrice

RÉSISTANCE EN FLEXIONRÉSISTANCE EN FLEXIONDU BÉTONDU BÉTON

Essai du module de rupture: Habituellement effectués à 7, 14, 28 et 90 jours Résultats d'essais à 7 et 14 jours

pour vérifier si la résistance du béton est conforme aux exigences des devis

pour déterminer le moment propice pour ouvrir la chaussée à la circulation

Résultats d'essais à 28 et 90 jours utilisés dans le calcul de l'épaisseur des chaussées pour routes,

rues et aéroports durant les premiers mois, la chaussée ne doit supporter qu'un

nombre limité de répétitions de charges la résistance du béton continue à augmenter après 90 jours

RÉSISTANCE EN FLEXIONRÉSISTANCE EN FLEXIONDU BÉTONDU BÉTON

Relation entre la résistance en flexion, l’âge et les conditions de design

PORTANCE DE LA FONDATIONPORTANCE DE LA FONDATIONET DE L ’INFRASTRUCTUREET DE L ’INFRASTRUCTURE

Portance de l ’infrastructure et de la fondation: définie par le module de réaction déterminée par des essais de chargement sur plaque s ’exprime en MPa/m calculée à l'aide de l'une des 2 équations suivantes:

déplacé sol du total Volumetotale Charge

= k

ou

charge la sous mesurée Déflexion )(30" mm 760 de plaque une sur unitaire Pression

= k

PORTANCE DE LA FONDATIONPORTANCE DE LA FONDATIONET DE L ’INFRASTRUCTUREET DE L ’INFRASTRUCTURE

Module de réaction k essai long et onéreux corrélation avec le CBR résultats d'essai sur plaque ajustés pour tenir compte des

facteurs qui pourraient modifier significativement la capacité portante du sol

la teneur en eau du sol durant la période de dégel

PORTANCE DE LA FONDATIONPORTANCE DE LA FONDATIONET DE L ’INFRASTRUCTUREET DE L ’INFRASTRUCTURE

PORTANCE DE LA FONDATIONPORTANCE DE LA FONDATIONET DE L ’INFRASTRUCTUREET DE L ’INFRASTRUCTURE

PORTANCE DE LA FONDATIONPORTANCE DE LA FONDATIONET DE L ’INFRASTRUCTUREET DE L ’INFRASTRUCTURE

Couche de matériaux sous la dalle : Augmente la capacité portante de la dalle Plus économique d'augmenter l'épaisseur de la dalle que

de placer une couche de fondation Nécessaire de placer une couche de matériau granulaire

sous la dalle pour d'autres raisons : Assurer un support uniforme de la dalle Remplacer les sols instables, gonflants ou gélifs Assurer un soulèvement ou affaissement uniforme Empêcher les matériaux fins de remonter Permettre la circulation pendant de la construction

PORTANCE DE LA FONDATIONPORTANCE DE LA FONDATIONET DE L ’INFRASTRUCTUREET DE L ’INFRASTRUCTURE

Effet d ’une fondation non traitée sur les valeurs du module de réaction k (en MPa/m et en pci)

PORTANCE DE LA FONDATIONPORTANCE DE LA FONDATIONET DE L ’INFRASTRUCTUREET DE L ’INFRASTRUCTURE

Valeur de k pour une fondation traitée au ciment

EXEMPLESEXEMPLES

Exemple 1 :Si l'on intercale 150 mm de matériau granulaire entre un sol de portance k = 40 MPa/m et la dalle, la portance du sous-sol, mesurée à la surface du matériau granulaire, sera de 49 MPa/m

Exemple 2 :Si l'on intercale 150 mm de matériau stabilisé au ciment entre le sol de portance k = 40 MPa/m et la dalle de béton, la portance du sous-sol mesurée à la surface de la fondation stabilisée sera de 130 MPa/m

ANNÉE DE DESIGNANNÉE DE DESIGN

Durée de vie d'une chaussée: expression ambiguë représente l'âge après lequel la chaussée aura besoin

d'un renforcement

Année de design: période d ’analyse du débit routier varie généralement entre 20 et 50 ans horizon de plus de 20 ans difficile à prévoir

CIRCULATIONCIRCULATION

Intensité et charge de circulation: facteurs déterminants dans le calcul de l'épaisseur nombre et poids des véhicules

DJMA DJMA-C Charges axiales des camions

FACTEURS DE SÉCURITÉFACTEURS DE SÉCURITÉSUR LES CHARGESSUR LES CHARGES

Coefficients de majoration recommandés par la PCA pour tenir compte de la nature du trafic:

Routes et rues supportant un trafic lourd continu 1,20

Routes interprovinciales

Rues et routes supportant un trafic lourd avec interruptions

Routes et artères résidentielles 1,10

Rues résidentielles et routes à faible trafic lourd 1,00

Chemins secondaires

PROCÉDURE DE DESIGNPROCÉDURE DE DESIGN

Procédure détaillée lorsque les données sur les charges axiales sont connues

Pour calculer l'épaisseur, il faut connaître : la nature de la route le type de joints et d ’accotement le module de rupture du béton (MR) le module de réaction de fondation-infrastructure (k) le facteur de sécurité sur les charges l'intensité et le poids de la circulation

PROCÉDURE DE DESIGNPROCÉDURE DE DESIGN

2 types d ’analyse: Analyse à la fatigue, contrôle l ’épaisseur des dalles

routes à trafic léger (dalles goujonnées ou non) routes moyennement achalandées (dalles goujonnées)

Analyse à l ’érosion, contrôle l ’épaisseur des dalles routes à achalandage moyen et élevé (dalles non goujonnées) routes à trafic lourd (dalles goujonnées)

ANALYSE À LA FATIGUEANALYSE À LA FATIGUE

Procédure: Contrainte équivalente

sans accotement de béton: tableau 6a avec accotement de béton: tableau 6b

Écrire en 8 et 11 les facteurs de contrainte équivalente à partir d ’une épaisseur d ’essai et de la valeur k de la fondation-infrastructure

Diviser ces facteurs par MR et écrire en 9 et 12 Calculer la fatigue en pourcentage en divisant le nombre

de répétitions de charges envisagées par le nombre de répétitions permises

Faire la somme des dommages dus à la fatigue

CONTRAINTE ÉQUIVALENTE - 6aCONTRAINTE ÉQUIVALENTE - 6aPas d ’accotement en bétonPas d ’accotement en béton

CONTRAINTE ÉQUIVALENTE - 6bCONTRAINTE ÉQUIVALENTE - 6bAvec accotement en bétonAvec accotement en béton

ANALYSE À LA FATIGUEANALYSE À LA FATIGUENb de répétitions de charges permisesNb de répétitions de charges permises

PROCÉDURE DE DESIGNPROCÉDURE DE DESIGN

ANALYSE À L ’ÉROSIONANALYSE À L ’ÉROSION

Procédure: Facteur d ’érosion

sans accotement de béton : figure 6a joints goujonnés ou dalle armée continue: tableau 7a joints non goujonnés: tableau 7b

avec accotement de béton : figure 6b joints goujonnés ou dalle armée continue: tableau 8a joints non goujonnés: tableau 8b

Écrire en 10 et 13 les facteurs d ’érosion Déterminer le nombre de répétitions permises Calculer les dommages en pourcentage Faire la somme des dommages dus à l ’érosion

FACTEUR D ’ÉROSION - 7aFACTEUR D ’ÉROSION - 7aPas d ’accotement - Joints goujonnésPas d ’accotement - Joints goujonnés

FACTEUR D ’ÉROSION - 7bFACTEUR D ’ÉROSION - 7bPas d ’accotement - Joints non goujonnésPas d ’accotement - Joints non goujonnés

FACTEUR D ’ÉROSION - 8aFACTEUR D ’ÉROSION - 8aAvec Avec accotement - Joints goujonnésaccotement - Joints goujonnés

FACTEUR D ’ÉROSION - 8bFACTEUR D ’ÉROSION - 8bAvec accotement - Joints non goujonnésAvec accotement - Joints non goujonnés

ANALYSE À L ’ÉROSIONANALYSE À L ’ÉROSIONPas d ’accotement en bétonPas d ’accotement en béton

ANALYSE À L ’ÉROSIONANALYSE À L ’ÉROSIONAvec accotement en bétonAvec accotement en béton

EXEMPLE DE DESIGNEXEMPLE DE DESIGN

Données du projet: Autoroute à 4 voies Année de design : 20 ans DJMA = 12 900 Facteur d ’accroissement du trafic = 1,50 DJMA-C = 19% du DJMA

Calculs de circulation: DJMA projeté = 12 900 x 1,5 = 19 350 DJMA-C projeté = 19350 x 0,19 = 3 680 9675 véh/direction = 81% dans la voie de conception 3680 x 0,5 x 0,81 x 365 x 20 = 10 880 000 camions

EXEMPLE DE DESIGNEXEMPLE DE DESIGN

Design # 1A : joints goujonnés fondation de 100 mm non traitée pas d ’accotement en béton infrastructure en argile : k = 27 MPa/m valeur k combinée = 35 MPa/m facteur de sécurité sur les charges = 1,20 module de rupture du béton MR = 4,5 MPa

EXEMPLE DE DESIGN #1AEXEMPLE DE DESIGN #1AEssieux simplesEssieux simples

EXEMPLE DE DESIGN #1AEXEMPLE DE DESIGN #1AEssieux doublesEssieux doubles

FATIGUE DE LA DALLE DE BÉTONFATIGUE DE LA DALLE DE BÉTON

Fatigue dans la dalle de béton: La résistance à la fatigue d'une dalle de béton dépend du

rapport de l'effort de flexion dans la dalle et du module de rupture du béton utilisé

Si une charge axiale cause un effort en flexion de 3,5MPa et que le module de rupture du béton est 4,8MPa, le rapport des contraintes sera de 3,5/4,8 soit 0,71

FATIGUE DE LA DALLE DE BÉTONFATIGUE DE LA DALLE DE BÉTON

Phénomène de la fatigue du béton : Lorsque le rapport des efforts décroît, le nombre de répétitions de

charges que la dalle de béton peut supporter augmente Lorsque la valeur des efforts répétés n'excède pas 50% de la valeur

du module de rupture, le béton peut résister sans rupture à une infinité d'applications de ces contraintes

Lorsque les contraintes répétées excèdent 50% du MR, la répétition des contraintes entraînera la rupture de la dalle

Lorsque les contraintes répétées sont moins élevées que celles de la limite d'endurance, la résistance à la fatigue du béton sera améliorée

La résistance du béton à la fatigue peut également être améliorée lorsque les contraintes répétées sont appliquées à intervalles éloignées (phénomène de relaxation)

NOMBRE DE RÉPÉTITIONS DES NOMBRE DE RÉPÉTITIONS DES CHARGESCHARGES

Il faut faire intervenir dans le calcul de l'épaisseur de la dalle, le nombre de répétitions des charges que le revêtement devra pouvoir supporter sans se rompre. Cela se fait à partir de la durée prévue pour l'utilisation des revêtements et également d'estimations de l'importance de la nature de la circulation pendant cette durée.

En théorie, le pourcentage de fatigue utilisé durant la vie ne devrait pas excéder 100%, lorsque les calculs sont basés sur le module de rupture du béton à 28 jours. Par ailleurs si les calculs sont basés sur un MR de 90 jours, la consommation de fatigue peut aller jusqu'à 125%. Les rapports de contraintes au module de rupture variant de 0,51 à 0,80, le nombre de répétitions de cette contrainte entraînant la rupture de la dalle.

NOMBRE DE RÉPÉTITIONS DES NOMBRE DE RÉPÉTITIONS DES CHARGESCHARGES

NOMBRE DE RÉPÉTITIONS DES NOMBRE DE RÉPÉTITIONS DES CHARGESCHARGES

EFFORTS DE CHARGESEFFORTS DE CHARGES

Les efforts induits dans la dalle par la charge de la circulation sont directement reliés à la largeur des voies. Autrefois, les voies avaient une largeur de 2,70m (9 pi) et presque tout le trafic lourd circulait en bordure de la chaussée. La contrainte la plus élevée dans une dalle se produit lorsque la charge d'une roue d'un camion est appliquée au coin formé par un joint transversal et le bord extérieur de la dalle.

Avec l'élargissement des voies, de 3 à 4m (10 à 12 pi), le trafic s'est déplacé vers l'intérieur de la dalle et les efforts critiques sont passés de la bordure vers l'intérieur au joint transversal.

POSITION DES VÉHICULES LOURDSPOSITION DES VÉHICULES LOURDS

Points d ’application critiques:

POSITION DES VÉHICULES LOURDSPOSITION DES VÉHICULES LOURDS

Points d ’application critiques:

ANALYSE AVEC ESSIEUX TRIPLESANALYSE AVEC ESSIEUX TRIPLESCalcul de l ’épaisseur des dallesCalcul de l ’épaisseur des dalles

ANALYSE AVEC ESSIEUX TRIPLESANALYSE AVEC ESSIEUX TRIPLESAnalyse à la fatigueAnalyse à la fatigue

ANALYSE AVEC ESSIEUX TRIPLESANALYSE AVEC ESSIEUX TRIPLESFacteur d ’érosion - Joints goujonnésFacteur d ’érosion - Joints goujonnés

ANALYSE AVEC ESSIEUX TRIPLESANALYSE AVEC ESSIEUX TRIPLESFacteur d ’érosion - Joints non goujonnésFacteur d ’érosion - Joints non goujonnés