Facteurs d'endommagement des chaussées :

– Mécanismes pris en compte dans les méthodes de dimensionnement

– Autres modes d’endommagement : observations et mécanismes

Jean-Maurice Balay Jean-Michel Piau

IFSTTAR

Congrès de l’IDRRIM – Lyon Eurexpo – 2/4 octobre 2012

IFSTTAR

2

Sommaire

1- Les mécanismes d’endommagement pris en compte dans les méthodes de dimensionnement Les bases du dimensionnement rationnel des

chaussées Besoins d’adaptation et solutions apportées

2- Autres modes d’endommagement : observations et mécanismes Dégradations hivernales Comportement des interfaces

3- Conclusions

3

Fissuration par fatigue en flexion-traction des couches d’assise traitées

Déformations permanentes des sols et matériaux non traités par plastification

Chute de portance des sols support sensibles au gel en période de dégel

Les 3 mécanismes d’endommagement pris en compte explicitement

Traction-extension

Compression

4

…pris en compte à travers la formulation des matériaux. Entre autre : Tenue à l’eau : Duriez Vieillissement du bitume : Rtfot Fissuration thermique: Fraas Orniérage des couches de

surface bitumineuses par fluage thermo-plastique …

Autres mécanismes de dégradation …

Niveau

4

3

2

1

5

Autres mécanismes de fonctionnement …

…pris en compte implicitement à travers les règles de conception, les choix des paramètres de calcul et le calage semi-empirique du modèle. En autre : Comportement thermo-viscoélastique des

enrobés bitumineux : calculs élastiques linéaires à la température ’’équivalente’’ 15°C, fréquence 10Hz Comportement des interfaces :

’’Collé – Semi-collé – Glissant’’ Effets de bord : surlargeurs des chaussées rigides Renforcement : pseudo modules résiduels des

matériaux dégradés

6

Exemple : pseudo modules des matériaux dégradés

Guide technique ’’Les renforcements de chaussées’’ (à paraitre, 2012) :

Détermination des modules des matériaux bitumineux :

– En fonction (en autre) de la qualité de la carotte et des parois du trou de carottage,

– Pour la modélisation et le calcul ‘’Alizé’’ de la structure en place et de son renforcement.

Qualité de la carotte Saine Médiocre Fissurée Fragmentée Désagrégée

Qualité des parois du trou de carottage

Lisses Eref 70%Eref 2000 MPa Non

rencontré Non

rencontré

Granulats arrachés

Non rencontré 70% Eref

2000 MPa

1000 MPa

500 MPa

Eref : module du matériau ‘’sain’’

7

Quelques exemples : Agressivité des charges routières et

chargements spéciaux (chemins de sollicitations complexes)

Canalisation du trafic (urbain, tramway)

Chaussées aéronautiques

Autres contextes climatiques (outre mer et export) : autres températures équivalentes

…

Besoins d’adaptation

8

Méthodologie générale : transposition du modèle routier – Formalisme routier et critères d’endommagement

conservés

Passage aux EF-3D avec possibilités de couplage – Structures Tramways et ferroviaires : mécanique (poids

propre et essieux tramway) + thermique (gradient vertical de températures) + déformée initiale

Loi d’endommagement – Intégration tensorielle continue selon les trajectoires – Prise en compte explicite du balayage transversal – Extension du postulat de cumul de dommages (Miner) – Développement en cours d’un modèle de fatigue multi-

linéaire, sur la base d’essais de fatigue en laboratoire

Besoins d’adaptation : solutions apportées

9

Mise en application. Entre autre : – Aéronautique : Guide dimensionnement rationnel (à

paraitre, 2013) – Voie Tramway : consensus général (MO, ingénieries,

industriels)

Exemples présentés – Modèle d’endommagement multilinéaire – Extension au dimensionnement des voies Tramways – Extension à l’aéronautique

Besoins d’adaptation : solutions apportées

10

Besoins d’adaptation : l’endommagement ’’multipics’’ Le problème posé :

Temps

Déformation

-100 -50

50 100 150 200 250

Déf

orm

atio

n (µ

def)

Déformation longitudinale

Déformation transversale

Temps (s) 0

θmoy= 26.6°C

Essai de fatigue en laboratoire

Sollicitation dans la chaussée : exemple essieu Tridem

Modèle d’endommagement usuel : ‘’Droite de fatigue’’

10

100

1000

104 105 106 107

ε(µdef)

N

Temps

Déformation

11

Besoins d’adaptation : l’endommagement ’’multipics’’ Développement d’un modèle de fatigue Multipic : thèse Farah Homsi (Ifsttar, I2M U.Bordeaux, Spiga U.Nantes) déc. 2011

4 paramètres indépendants: – ε : Niveau de déformation – Np: Nombre de pics – Ân: Taux de remplissage

du signal – D: Durée du signal divisée

par nbre de pics

D3×

ε1 2 3

D3Ân ×ε×

Temps (s)

Ânxεx3D

Temps

ε

Analyse statistique en composantes principales de la base de données Manège de fatigue Ifsttar + campagne préalable d’essais de fatigue labo

détermination des paramètres de forme caractérisant les signaux d’extension-flexion dans les structures bitumineuses.

12

Besoins d’adaptation : l’endommagement ’’multipics’’ Essais de fatigue ‘‘Multipics’’ en laboratoire (LR Bordeaux)

Tridem, Ân = 0.42

-1

-0.5

0

0.5

1

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8

Temps (s)

ε (µ

m/m

)

3 Pics, Ân=0,42, D=0,105 3 Pics, Ân=0,42, D=0,25

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5log(Nf) expérimental

log(N

f) mo

dèle

450 µm310 µm215 µmY=XY=X-10%Y=X+10%

log(Nf) expérimental

log(

Nf)

mod

èle

Besoins d’adaptation : l’endommagement ’’multipics’’ Essais de fatigue ‘‘Multipic’’ en laboratoire (LR Bordeaux) modèle de fatigue multilinéaire :

Les 4 paramètres indépendants exercent un effet significatif sur la fatigue, alors que ε est le paramètre unique du modèle actuel.

Nota : modèle établi pour une GB3 de référence, température 20°C

log(Nf) = a log ε + b log(Np) + c Ân + d D + e avec R=0.91

14

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

(%)

Première application : effet du nombre d’essieux, 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.

Besoins d’adaptation : l’endommagement ’’multipics’’

15

Les chaussées pour Tramways sur rails : contexte Retour d’expérience actuel sur le dimensionnement des voies Tramways : Dimensionnement historique inspiré de règles SNCF

(structures sur ballast) Développement de la structure TFS ’’tout béton’’

transposition du modèle routier (Alizé) avec Sémaly et Ratp : modèle peu adapté (cf. 3D) Bilan plus de 25 ans (Nantes, Grenoble) : structure

standard TFS jugée ± surdimensionnée Principal mode de dégradation : les revêtements et

les interfaces entre voie Tramway et voirie urbaine. besoin d’optimisation ressentie par la DDT, les AOT et les constructeurs. Besoin renforcé par le développement de nouveaux types de structures (pose continue, voie verte …)

Les chaussées pour Tramways sur rails : spécificités Circulation des charges roulantes sur des rails

– Canalisation totale du trafic – Distances aux bords longitudinaux réduites – Chemin de contraintes particulier – Pas de circulation sur les joints transversaux entre dalles – Effets thermiques faibles en présence de revêtements sur la hauteur

du rail. Pas dans le cas de pose continue dans engravure – Coefficients de discontinuité Kd routier non directement utilisables – Effets dynamiques spécifiques au matériel roulant

Configurations des charges relativement bien connues (géométrie, poids)

– Pas de recours au concept d’agressivité : Intégration explicite des histogrammes de chargement.

Calcul mécanique des sollicitations dans les bétons: MEF-3D Valeurs admissibles (fatigue) : modèle routier LCPC-SETRA (effets de

discontinuité reproduits par le modèle EF-3D Kd=1) Prise en compte explicite des histogrammes de charges sur essieux (loi

d’additivité de Miner) Correction pour canalisation totale du trafic (Miner) Coefficient de majoration dynamique (1.30 à 1.50) : Cf . Mesures CTS-

SEMALY-LR Strasbourg et préconisations SNCF

Aujourd’hui : Modèle de dimensionnement ‘’Tramway’’ largement adopté en France (ingénieries, constructeurs de matériels roulants, entreprises …) Mais : pas de cadre ’’institutionnel’’, pas d’entité fédératrice réelle difficulté pour développer dans le domaine Tramway une doctrine de dimensionnement à caractère ’’officiel’’.

Les chaussées pour Tramways sur rails : modèle de calcul adopté

Le modèle de dimensionnement adopté Les chaussées pour Tramways sur rails : modèle EF-3D

Exemple de modèle EF-3D, progiciel César-Lcpc). Le béton de fondation et le massif support ne sont pas représentés sur ces 2 figures.

Traction-flexion à la base du béton de calage BC5. Valeur maxi σtmax Critère de dimensionnement : σtmax ≤ σtadmissible x Kcanal. x Kdyn

Z

X

XoZ plan de symétrie

19

Les chaussées aéronautiques : vers une méthode rationnelle Futur Guide DGAC-STAC : ’’Dimensionnement rationnel

des chaussées aéronautiques souples’’ (à paraitre 2013) Logiciel d’application : Alizé-Aéronautique

Axe de la piste

Dommage 0 8% 16% 24% 32%

Ban

des

de ro

ulem

ent a

vion

s

20

Autres modes d’endommagement : observations et mécanismes Les outils existants permettent de se prémunir des principaux

modes de dégradation

Mais il existe d’assez nombreux autres mécanismes encore mal identifiés à considérer également :

– Pour une meilleure approche globale du fonctionnement - endommagement des structures

– Dans la conception neuve et réhabilitation (avec des contextes souvent de plus en plus complexes)

– Dans les expertises techniques …

Deux sujets abordés ici : – Dégradations hivernales subites – Fonctionnement des interfaces entre couches d’EB,

vu sur manège versus hypothèses de dimensionnement.

Dégradations hivernales subites Faits

– Pelades en surface de chaussées bitumineuses, avec formation de nids de poule

– survenant en période hivernale – de façon subite (parfois en quelques heures ; ex: 19/20 décembre

2009 sur routes du nord de la France) – sur de grands linéaires (plusieurs dizaines/centaines de Km) – en bandes de roulement VL, principalement – sans signe précurseur spécifique (bonnes notes IQRN ) – nécessitant des fermetures et interventions parfois en urgence – rencontrés dans divers pays (France, Angleterre, Allemagne, …) Questions des MO

– Causes ? – Traitements curatifs / préventifs ? – Détection préventive des sections à risque ?

22

Dégradations hivernales : facteurs, mécanisme ?

Analyses de cas de terrain (CETE, DIR, Sociétés d’Autoroutes,...) Essais de laboratoire sur le comportement au gel des EB (Opérations de recherche RST: Fondephy & CCLEAR)

Dégradations hivernales : retours terrains et facteurs Les chaussées ne sont pas toutes touchées Vu sur chaussées dégradées :

– décohésion de matériaux au voisinage d’interfaces, rarement dans les couches de roulement même (cf. carotte)

– configurations diverses d’empilement de couches (matériaux bitumineux, épaisseurs)

– assez souvent situations de rechargement – bétons revêtus (cf. cas précédent avec nids de poule « profonds » sur

ancienne autoroute béton, rechargée par GB) – anciennes signalisations horizontales non fraisées, recouvertes

Facteurs communs

– Présence d’eau dans la porosité des EB – Des températures négatives basses – avec précipitations (cycles de gel/dégel) – Un « zest » de sollicitations mécaniques (bdr)

23

Température de capteur en surface de chaussée (L. Bouilloud, MétéoFance, Chambéry)

-15

-10

-5

0

5

10

15

23/11/2009 03/12/2009 13/12/2009 23/12/2009 02/01/2010 12/01/2010 22/01/2010 01/02/2010 11/02/2010 21/02/2010

Dates : 23 novembre 2009-->11 février 2010

°C

-10°C, le 20 décembre 2009

Température de capteur en surface de chaussée Hiver 2009/2010, station météo-routière de Chambéry

L. Bouilloud, Météo-France

Dégradations hivernales : mécanisme? En première analyse :

Unité de temps + absence de signe précurseur ⇒ existence d’un mécanisme spécifique « franc » (rare en mécanique des chaussées !), différent d’un mécanisme de fatigue mécanique, thermique ou hydrique (ex: désenrobage progressif)

– Q: mécanisme unique ou déclencheur, sur situation préalablement « dégradée » ?

Fissuration de retrait thermique dans les EB ? – Non a priori au sens usuel du terme sur EB sec (mode de rupture

différent; pas de fissure observée sur les essais de retrait thermique empêché jusqu’à -15°C/-20°C, même avec pentes thermiques rapides)

Facteurs eau+froid ⇒ Investigations sur le comportement au gel des EB partiellement saturés d’eau

26

Dégradations hivernales: mécanisme ? Essais de laboratoire

Essais de Module Complexe sur EB partiellement saturés (IFSTTAR) Essais de gel/dégel sur EB, inspirés des essais de gélivité sur sols (LR Nancy/Clermont Ferrand, IFSTTAR)

Module complexe sur EB sec et partiellement saturé (70%) – Mise en évidence d’un effet significatif du gel

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4 000

4500

0 5000 10000 15000 20000 25000 30 000 35000 40000

Re(E*)

Sec

Saturation 70%

Isothermes > 0 Isothermes < 0

Im(E

*)

BBSG 50/70 Vides ~8%

30 000 MPa

4 000 MPa

Propagation verticale de front de gel/dégel sur EB partiellement saturé

- -

Haut éprouvette cycles 24h de température entre +10 et -10°C

Bas éprouvette Température

constante +2°C

(avec ou sans bain)

BBSG, vides 8% Grade 35/50 Saturation eau : ~30% et 50% Eprouvettes : H=10cm,Φ=8cm

Echantillons

Thermocouples Jauges axiales ou radiales (⁄⁄

ou ⊥ direction de propagation front de gel)

Saturation par tirage au vide: 2 lots d’éprouvettes à 30% et 50% = f(vide)

Essais de gel sur EB Effet global sur les déformations (axiales), au

cours des cycles de gel/dégel Température thermocouple

entre +7 et -5°C

Def. Axiale EB sec Amplitude: -900 µdef

Def. Axiale EB sat 50% Amplitude : -500 µdef

Déf

orm

atio

ns

(µ

def)

Def. Axiale EB 30% Amplitude: -750 µdef

Evolution de la déformation axiale (moyennée sur la jauge) en cours de descente du front de gel

Evolution de la déformation radiale lors : de la descente et de la remontée du front de gel

1

θ>0

θ

Mécanisme potentiel = nappe « perchée » « dormante » dans les EB + réactivation au passage d’un front de gel – déformations significatives, à «contre courant » des déformations purement

thermiques – possibilité de dilatations différentielles entre couches, sources de délaminage

sous charges roulantes – travaux complémentaires prévus pour préciser l’impact du mécanisme sur les

multicouches, évaluer le potentiel de cryosuccion des EB ,… (OR CCLEAR)

Dans tous les cas, chercher à supprimer « le coupable » : l’accumulation d’eau dans les couches bitumineuses, à court ou long terme – Respect des règles de drainage, notamment lors des rechargements (dévers,

absence de flaches, accotements ...) et entretiens périodiques des réseaux de drainage

– Attention à la multiplication des interfaces , source de complexité non seulement mécanique, mais aussi hydrique

– Attention aux horizons « trop étanches » sous EB (ex : béton revêtu)

Détection des sections à risque, par la recherche de présence d’eau (visuel, sondage, radar, …)

Section instrumentée sur A75 (centre France) pour le suivi des régimes mécanique et hydrique

Dégradations hivernales : premières conclusions

34

Fonctionnement des Interfaces Dans la méthode de dimensionnement, les

couches bitumineuses sont supposées «parfaitement » collées entre elles continuité des déformations tangentielles dans les matériaux de part et d’autre

Mesures récentes sur le manège de fatigue

routier de Nantes fonctionnement plus complexe

(stage ENTPE, thèse Université deLaval/IFSTTAR)

35

Structure instrumentée sur le manège de fatigue IFSTTAR

8 cm BB couche d’accrochage

9 cm GB couche d’accrochage 8 cm GB 20cm grave non traitée (GNT) sol

Couches d’accrochage BB/GB et GB/GB – 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 BB/GB à 2 températures

-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

37

-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 ~ 42°C

-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

-600-500-400-300-200-100

0100

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6t(s)

µdef

esp L

esp T

contraction

extension

Déformations mesurées aux 3 niveaux à température élevée

Modélisation élastique-linéaire et viscoélastique (Viscoroute) : interfaces collées ou glissantes

Interfaces

Paramètres matériaux : – EB essais labo (module complexe) – Sable + GRH : essais de plaque + déflexion

GRh 24,5cm

Interfaces collées Interfaces glissantes trop «défavorables »

020406080

100120140160180

0 10 20 30 40déf

orm

atio

n tra

nsve

rsal

e (µ

def)

T à l'interface GB/GB (°C)

Roue Simple - GB/GB

Mesures

élastique

viscoélastique

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40déf

orm

atio

n lo

ngitu

dina

le (µ

def)

T à la base de la GB (°C)

Roue Simple - base GB

Mesures

élastique

viscoélastique

Interface collé (au sens du dimensionnement usuel)

Modélisation : Déformations maximales en fonction de la température

OK

OK

? ?

Interface = couche mince de module

variable (Alizé et ViscoRoute) Epaisseur arbitraire (2mm), fixée en

fonction de critère de précision numérique

Modélisation avec couches intercalaires de faible épaisseur

Matériau intercalaire : 2 mm, E = f(θ)

GRH : 24,5 cm

020406080

100120140160180

0 10 20 30 40déf

orm

atio

n tra

nsve

rsal

e (µ

def)

T à l'interface GB/GB (°C)

Roue Simple - GB/GB

Mesures

élastique

viscoélastique

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40déf

orm

atio

n lo

ngitu

dina

le (µ

def)

T à la base de la GB (°C)

Roue Simple - base GB

Mesures

élastique

viscoélastique

020406080

100120140160180

0 10 20 30 40défo

rmat

ion

trans

vers

ale

(µde

f)

T à l'interface GB (°C)

Roue simple - GB/GB

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40défo

rmat

ion

long

itudi

nale

(µde

f)

T à la base de la GB (°C)

Roue simple - base GB

Interface collé

Avec interfaces de 2mm et modules ad’hoc

0

200

400

600

800

1000

1200

0 10 20 30 40 50

Mod

ule (

MPa

)

T (°C)

Modules utilisés pour modéliser les interfacesModules du bitume (essais de module complexe)

Module de la couche intercalaire d’interface vs module bitume et θ

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

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

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0-1 -0.5 0 0.5 1

Comparaison des schémas de déformation et de contrainte 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 -100 0 100 200 300

z(m)

Extension Contractionµdef

BB

GB

GB

BB

GB

GB

BB

GB GB

MPa

Compression Traction

σH σV

MPa

Traction Compression

σH σV

BB

GB

GB

ε0

44

Si observations manège généralisables (ex: A75) fonctionnement réel des chaussées à «température élevée» différent des modèles usuels (notamment en partie haute) :

Effets sur : – Fatigue des couches d’assise ? – Fatigue des couches de surface, fissuration par le haut – Action des géogrilles ?

Mais : dimensionnement actuel calé pour l’hypothèse collée (chaussées bitumineuses)

Auscultation : vérification de la qualité des couches d’accrochage – Extraction de carottes « collées » : condition nécessaire,

mais est-elle suffisante ? – Pertinence des tests d’interface par arrachement ? – Ovalisation préférable ? – Flash ou Fwd … + calcul inverse ?

Fonctionnement des interfaces : incidence ?

Diapositive numéro 1SommaireLes 3 mécanismes d’endommagement pris en�compte explicitementAutres mécanismes de�dégradation … Autres mécanismes de�fonctionnement … Diapositive numéro 6Besoins d’adaptationBesoins d’adaptation : solutions apportéesBesoins d’adaptation : solutions apportéesDiapositive numéro 10Diapositive numéro 11Diapositive numéro 12Diapositive numéro 13Diapositive numéro 14Diapositive numéro 15Les chaussées pour Tramways sur rails : spécificités Diapositive numéro 17Diapositive numéro 18Diapositive numéro 19Autres modes d’endommagement : observations et mécanismesDégradations hivernales subitesDégradations hivernales :� facteurs, mécanisme ?Dégradations hivernales : retours terrains et facteursTempérature de capteur en surface de chaussée� Hiver 2009/2010, station météo-routière de ChambéryDégradations hivernales :� mécanisme? En première analyse :Dégradations hivernales: mécanisme ?�Essais de laboratoireModule complexe sur EB sec et partiellement saturé (70%) – Mise en évidence d’un effet significatif du gelPropagation verticale de front de gel/dégel sur EB partiellement saturéEchantillonsEssais de gel sur EB �Effet global sur les déformations (axiales), au cours des cycles de gel/dégel �Evolution de la déformation axiale (moyennée sur la jauge) en cours de descente du front de gelDiapositive numéro 32Diapositive numéro 33Fonctionnement des �InterfacesStructure instrumentée sur le�manège de fatigue IFSTTARDéformations mesurées de part et d’autre de l’interface BB/GB à 2 températuresDiapositive numéro 37Modélisation élastique-linéaire et viscoélastique (Viscoroute) : interfaces collées ou glissantesDiapositive numéro 39Modélisation avec couches intercalaires de faible épaisseurDiapositive numéro 41Diapositive numéro 42Diapositive numéro 43Diapositive numéro 44