Paramètres de performance dans les méthodes de dimensionnement

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1 Journée technique 2012 Performances des chaussées: attentes et exigences Paramètres de performance dans les méthodes de dimensionnement Organisation: Prof. André Gilles Dumont Lavoc Laboratoire des Voies de Circulation Orateur: Sara Bressi, EPFL LAVOC

2 PARAMETRES ET PERFORMANCES DONNEES D ENTREE: Matériaux Epaisseurs Trafic Conditions environnementales.. OUTILS PARAMETRES: Contrainte (déformation) maximale de traction au bas des couches liées (σt ou εt) Déformation maximale au sommet du sol support (εv) Degré de performance(pg)/rigidité (S) Module complexe... METHODES DE DIMENSIONNEMENT & RENFORCEMENT CORRELATIONS PERFORMANCES: Durée de vie (fatigue) Orniérage Comportement à basse température Comportement rhéologique Vieillissement

3 METHODE IDEALE Optimisation de l épaisseur: Fonction continue de l épaisseur prenant en considération le risque de rupture Température: Connaissance optimale du comportement des matériaux à hautes et basses températures Procédure incrémentale: Procédure considérant les sollicitations subies au cours de la durée de vie (températures, charges,..) QUELLES SONT LES ATTENTES D UNE METHODE PARFAITE DE DIMENSIONNEMENT/RENFORCEMENT? Nouveaux matériaux: Considération des nouveaux types de matériaux (liants modifiés, fraisat d enrobé, enrobé tiède, enrobé froid, ). Modèle constitutif décrivant les différents matériaux Trafic: Ordre d application des charges, vitesse des véhicules, caractéristiques techniques. Utilisation du nombre exact de véhicules (WIM) dans la procédure de calcul et non pas de classes de trafic

4 COMPARATIF DE DIFFERENTES METHODES 1. METHODE AASHTO 2. METHODE VSS (Suisse) 3. LCPC SETRA (France) 4. RDO Asphalt 09 (Allemagne) 5. SAMDM (Afrique du Sud) 6. MEPDG (Etats Unis) METHODES EMPIRIQUES METHODES ANALYTIQUES EMPIRIQUES Basées sur les observation de chaussées existantes et l expérience acquise Basées sur des modèles mathématiques décrivant le comportement de la chaussée; résultats de laboratoire comme donnée d entrée

5 METHODE VSS (Suisse) DONNEES D ENTREE Seconde partie Première partie Trafic (TJM, %PL, nbre voies, type et charge des essieux) Sol (CBR, M E,E v ou k) VERIFICATION AU GEL CARACTERISATION DU SOL G1, G2 G3, G4 ok TF S i SN catalogue des types de chaussées FI s * FI s *>FI s FI s *<FI s Epaisseur des couches FI s dépend des conditions météorologiques (conditions locales, température de l air FI&RI) ok ds f X 30 ds f X 30 CORRECTION D EPAISSEUR ok

6 CONSIDERATIONS SUR LA METHODE SUISSE Performances évaluées: capacité portante, résistance au gel Paramètres: SN, X30 La méthode fourni une épaisseur de chaussée Quelques références spécifiques aux matériaux dans les normes Trafic: ordre d application des charges, vitesse des véhicules, caractéristiques techniques Sol: certaines propriétés mécaniques non considérées Climat: influence du climat sur les différentes couches n est pas considérée Vieillissement / Processus incrémental Interactions à l interface des couches Composition des matériaux non considérée (vides, type de liant et dosage) Les effets de la température ne sont pas considérés; en particulier dans les couches bitumineuses Coefficient de réduction de la capacité portante Catalogue de structures Courbe de fatigue et déformation après 10 6 cycles (SN a) Module complexe et angle de phase (SN )

7 DONNEES D ENTREE LCPC SETRA (METHODE FRANCAISE) CALCULS VERIFICATION Matériaux Températures Coefficients Trafic équivalentes Nbre d années, CAM, MJA à définir NE et Ti Risque Kr Calage Kc Support Ks ϑeq Couches liées: E(ϑ,f), ν, ε6, b, épaisseur, SN, Sh incertitude sur l épaisseur Couches non liées: E, ν, épaisseur Sol de fondation: Pfi, E εz,adm=f(ne) εt,adm=ε(ne, ϑeq,f)kr, Kc, Ks Calcul de l état de contraintedéformation: εt, εz Correction εz εz,adm εt εt,adm ok Vérification au gel: IR (indice de référence atmosphérique) et IA (indice de gel admissible)

8 CONSIDERATIONS SUR LA METHODE FRANCAISE Performances: Fatigue au bas des couches liées et déformation permanente au sommet du sol support. Paramètres: εt, εz, εt,adm, εz,adm, IR, IA Précision élevée car basée sur des calculs de comportement mécanique Considère la variabilité des matériaux (épaisseur) et du risque Vieillissement / Processus incrémental Pas de spécifications relatives à différents matériaux (fraisat d enrobé, enrobés tièdes et froids) Trafic: ordre d application des charges, vitesse des véhicules, caractéristiques techniques Simplification des interactions à l interface des couches

9 METHODE ALLEMANDE RDO Asphalt 09 CHARGES DE TRAFIC CONDITIONS CLIMATIQUES PARAMETRES DES MATERIAUX ET EPAISSEUR DES COUCHES CALCUL DES CONTRAINTES Fatigue des couches bitumineuses Orniérage couche de surface et liaison VERIFICATION NON FATIGUE DES COUCHES HYDRAULIQUES OUI NON DEFORMATIONS PERMANENTES DES COUCHES NON LIEES ET DU SOL SUPPORT OUI DIMENSIONNEMENT

10 DONNEES D ENTREE METHODE ALLEMANDE RDO Asphalt 09 Chaque couche est divisée en petites cellules de mm. Pour chaque cellule, l état de contrainte déformation est calculé en utilisant différentes combinaisons trafic température Trafic 11 catégories de trafic divisées par charge axiale. PAS SEULEMENT ESSIEU EQUIVALENTS Charge de calcul = Charge vhc vides + Chargement du vhc 11 combinaisons Température 4 régions climatiques en Allemagne, pour chaque région 13 courbes de températures allant de 12,5 C à 47,5 C Calcul de la température au milieu de chaque cellule 13 combinaisons Matériaux Module élastique E Coefficient de déformation transversale µ Procédé particulier de détermination de E à chaque température 143 différents états de contrainte déformation au bas des couches liées (ε) + ε pour basses températures 5 C

11 METHODE ALLEMANDE RDO Asphalt 09 CALCULS 143 différents états de contrainte déformation au bas des couches liées (ε) + ε pour basses températures 5 C Nbre de charges prévues Nbre de charges admissibles * * Formule pour couches bitumineuses VERIFICATION Orniérage: Comparaison entre différents matériaux et routes existantes

12 CONSIDERATION SUR LA METHODE ALLEMANDE Performances: Fatigue au bas des couches liées et déformation permanente au sommet du sol support. Paramètres: εt, vorhn, zuln Précision élevée dans le calcul de l état de contrainte déformation Détermination précise des charges de trafic, pourcentage et charge de chaque catégorie de véhicules Vieillissement / Processus incrémental Pas de spécifications relatives à différents matériaux (fraisat d enrobé, enrobé tiède ou froid) LA FORMULE SE REFERE A UN LIANT STANDARD, NON VALABLE POUR LES LIANTS MODIFIES Trafic: ordre d application des charges, vitesse des véhicules, caractéristiques techniques Pas de mention relative aux conditions d interaction entre les couches CONSIDERATIONS EMPIRIQUES UNIQUEMENT POUR L ORNIERAGE

13 METHODE SAMDM (méthode sud africaine) DONNEES D ENTREE Matériaux Module d élasticité E Coefficient de Poisson ν Epaisseur 3 phases pour les couches traitées aux liants hydrauliques: Phase 1: condition de pré fissuration (fissures de retrait) Phase 2: conditions de micro fissuration Phase 3: rupture en état granulaire Configuration de la charge L essieu sud africain standard est un jumelage de charge 40 kn et espacement de 350 mm, avec pression de contact uniforme de 520 kpa Trafic Nombre de charges de trafic prévues

14 CALCULS METHODE SAMDM (méthode sud africaine) 2 concepts dominants: Prévision de la durée de vie individuelle de chaque couche composant la chaussée et prévision de la durée de vie ultime de l ensemble de la structure. SYSTÈME MULTI COUCHE STATIQUE LINEAIRE ELASTIQUE Contrainte horizontale maximale au bas des couches bitumineuses et des couches aux liants hydrauliques Dépassement de la déformation permanente au sommet des couches non liées Couches bitumineuses: Paramètre critique εt Rupture par fatigue Couches aux liants hydrauliques: Paramètre critique ε au bas des couches relié à la durée de vie effective en fatigue et σv au sommet contrôlant la durée de vie Matériaux granulaires: Paramètres critiques εv Introduction facteur de sécurité (SF) Sol support: Paramètre critique εv Déformation permanente supérieur à 10 ou 20 mm

15 METHODE SAMDM (méthode sud africaine) PREVISION DE LA DUREE DE VIE Sans couches aux liants hydrauliques: Durée de vie chaussée Durée de vie couche Avec couches aux liants hydrauliques: Durée de vie chaussée Phases distinctes à identifier et inclues dans la prévision de durée de vie ultime Redistribution des contraintes comparable à une augmentation de charge, et à une redistribution des déformations initialement calculées. Ainsi, durée de vie de la chaussée est la durée de vie de la seconde phase ajustée d un facteur dépendant de la phase précédente. Couches de surface non inclues dans les prévisions de durée de vie

16 CONSIDERATIONS SUR LA METHODE SAMDM (méthode sud africaine) Précision élevée dans le calcul de l état de contrainte déformation. Incorporation d une méthodologie pour l évaluation de la capacité structurelle des matériaux granulaires grossiers (SF) Indice de fiabilité Différentes phases pour les matériaux aux liants hydrauliques La méthode permet l analyse de chaque composant du système constitutif de la chaussée. Cela permet d anticiper les modes de dégradations (quelle couche va rompre en premier et comment) et utiliser ceci dans une prévision des coûts sur le cycle de vie. Possibilité d agir sur des couches individuelles. Dans le cas de la fonction de transfert des matériaux granulaires, la relation qualitative entre facteur de sécurité et nombre de charges jusqu à la rupture a été démontrée par Maree (1978) et Maree (1982). Cependant, la base de quantification de cette relation est moins évidente. Vieillissement / Processus incrémental Température pour les couches bitumineuses Classes de trafic trop larges Pas de spécifications relatives à différents matériaux (fraisat d enrobé, enrobé tiède ou froid) Modèle linéaire élastique Pas de mentions relatives à l interface entre les couches La redistribution des contraintes et déformations pour la prévision de la durée de vies est elle si simple? Cela ne dépend que des couches liées aux liants hydrauliques?

17 MEPDG (Méthode américaine) DONNEES D ENTREE Trafic Matériaux AADTT (Average Annual Daily Truck Traffic) Enrobé: Propriétés du mélange (granulométrie) Liant Propriétés de l enrobé Modèle de fissuration thermique Matériaux non liés: Coefficient de Poisson W% MR Structure proposée Durée de service ans Climat Modèle climatique avancé (EICM) simulant les profils de température et humidité au sein de la structure de chaussée Différentes informations requises selon les niveaux Choix de précision.

18 MEPDG (Méthode américaine) CALCULS La procédure de dimensionnement calcule la réponse de la chaussée (contrainte, déformation et déflections avec analyse linéaire élastique) dans un premier calcul, et utilise ces réponses afin de calculer de manière incrémentale le dommage au fil du temps. Précision élevée dans le calcul de l état de contraintedéformation Indice de fiabilité Possibilité d introduire un grand volume de données d entrée, avec définition détaillée des matériaux de chaussée Précision des températures De nombreuses performances évaluées Utilisation d un processus incrémental VERIFICATION Le modèle estime l accumulation de dommage au cours de la durée de service de la chaussée. Comparaison entre valeurs admissibles et calculées en évaluant les performances suivantes: Faïençage (%) Fissuration longitudinale (ft/mi) Fissuration transversale (ft/mi) Ornière totale (in) Ornière de l enrobé (in) IRI Interactions à l interface entre les couches Quelques différences entre prévisions et mesures d endommagement

19 La proposition du LAVOC: Projet REDIRE ( ) Partie 1 Etat de la situation et modifications à court terme de la norme actuelle A. Choix des méthodes B. Définition des données de base et hypothèses C. Calculs (exemples issus du catalogue) D. Analyse des résultats recommandations pour les normes suisses et critique de la méthode actuelle E. Analyse critique de la prise en considération de: matériaux, trafic, portance F. Adaptation à court terme des normes utilisées actuellement Partie 2 Développement (modification) méthode de dimensionnement et renforcement, proposition d une nouvelle normalisation Thématiques (WP): o Remplacement de la méthode de renforcement et dimensionnement o Analyse de paramètres spécifiques préalablement sélectionnés (mode de dégradation, gel, ) o Validation avec calcul d une sélection de structures existantes o Révision du catalogue de structures o Proposition d une nouvelle normalisation Coordination avec autres projets OFROU VSS Proposition de différents niveaux de dimensionnement (complexité) selon le type de route (trafic)

20 CONCLUSIONS Chaque méthode comporte certains avantages et limitations dans l analyse des paramètres et l évaluation des performances De nombreux progrès ont été réalisés dans les méthodes de dimensionnement et renforcement depuis le développement des premières méthodes mécaniques empiriques. Il est cependant nécessaire de fournir davantage d efforts afin de pouvoir proposer une méthode idéale. Il est en effet indispensable de mieux utiliser les ressources disponibles et leur nature finie, ce qui nécessite le recours à des méthodes de dimensionnement et renforcement qui soient optimisées. «E senti allora, se pure ti ripetono che puoi, fermarti a mezza via o in alto mare, che non c è sosta per noi, ma strada, ancora strada, e che il cammino è sempre da ricominciare.» Eugenio Montale (Premio Nobel per la letteraura 1975)