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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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)

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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:

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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

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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

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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 ?

Clôture de l’opération de recherche PLINFRA – La Défense – 6 Novembre 2012

Merci