Conception structurelle des chaussées Principe de dimensionnement

Transcription

1 Conception sucturelle des chaussées Principe de dimensionnement Vincent Rouch LRPC de Sasbourg Les 1, 2, 3 Avril 2009 Les Présentations 11 mars 2009 du Laboratoire de Sasbourg

2 L objectif de cet item Principe de la méthode française de dimensionnement sur des voies routières, Le cas particulier des giratoires Synthèse des retours d expériences La bibliographie

3 Principes de la méthode française de dimensionnement sur des voies routières

4 S il était nécessaire de le rappeler 4

5 Détermination des hypothèses de calculs pour dimensionner la sucture recherchée Trafic Sol Climat θ t θéq La politique d enetien et d exploitation Matériaux x NE Modèle log ε t,adm Conaintes et enjeux du site log N

6 Principe Général (suite) Dimensionnement mécanique : La sucture choisie convient si : σ t calculée < σ t admissible et/ou ε t calculée < ε t admissible Vérification au gel/dégel : La sucture obtenue convient si : I admissible de la chaussée > I hiver de référence

7 Dimensionnement mécanique La sucture choisie a priori (épaisseur des couches, nature des matériaux) convient si : σ t calculée < σ t admissible et/ou ε t calculée < ε t admissible et/ou ε z calculée < ε z admissible

8 Calcul élastique Modèle de Burmister (1943) Sucture: multi-couche élastique linéaire interfaces collées ou glissantes couches infinies en plan (pas de bord, de coin) Charges : disques (pression uniforme) Résultats : champs σ et ε

9 Valeurs types de modules et caractéristiques en fatigue Matériau -1/b Module ε6 (MPa) GNT 1 (MPa) EME GC ,75 15 GLg ,50 12,5 BC ,15 16 GB σ6

10 PCG 3 (presse à cisaillement giratoire) V rotation = 30 /min σ axiale = 6,6 105 Pa éprouvette : φ = 100 mm ou 150 mm élancement = 1,2 NF P Photo LRPC Sasbourg

11 Orniéreur Température : 60 C ; Fréquence : 1 Hz Eprouvette : L = 50 cm l = 18 cm e = 10 ou 5 cm effort = 500 dan NF P

12 MAER (Machine asservie pour essais rhéologiques) Température : -20 à +40 C ; Capacité : kn éprouvette : φ = 80 mm h = 200 mm NF P

13 Banc de fatigue Déformation imposée Température : 10 C ; Fréquence : 25 Hz Eprouvette : h = 25 cm e = 2,5 cm base = 5,6 cm haut : 2,5 cm NF P

14 Valeur admissible et fatigue log N ε = ε6 x (N/106)b Essai de fatigue log ε Valeur admissible εt,adm fonction du: comportement à la fatigue ; calage du modèle (kc) ; risque de rupture du M.O. (kr) portance du sol (ks);

15 Valeurs admissibles (suite) Matériau bitumineux NE ε t,adm = ε b E (10 C ) kc kr ks E (15 C ) Matériau aité aux liants hydrauliques NE σ t,adm = σ b kc kd kr ks Sols et grave non aitée ε z,adm = ( NE ) 0,222 On prendra pour les faibles afics

16 Trafic : essieu de référence et coef. d agressivité CAM xn Empreintes réelles : Empreintes pour la modélisation : r = 0,125 m q = 0,662 MPa

17 Trafic : essieu de référence et coef. d agressivité Valeur de CAM indicative pour un réseau non sucturant : Catalogue des suctures 1998

18 Dimensionnement mécanique : résumé Trafic Sol Climat θ t θéq Rappel vous aurez fixé : - Le afic - La durée de vie - Le risque - Les conaintes et enjeux - La politique d enetien et d exploitation envisagé Matériaux x NE Modèle log ε t,adm ε t,cal h solution h log N

19 Chaussée souple Chaussées comportant une couverture bitumineuse mince (< 15 cm), parfois réduite à un enduit sur chaussées à ès faible afic, reposant sur une ou plusieurs couches de matériaux granulaires non aités (20 à 50 cm). Matériau d assise : tout venant, hérisson, macadam à l eau, GNT L épaisseur globale de la chaussée est généralement comprise ene 30 et 60 cm.

20 Chaussée souple : endommagement Sollicitations dues au afic faible rigidité des matx granulaires et des couches bitum. => efforts verticaux ansmis au sol support = > risque de déformation permanente Influence des conditions d environnement forte sensibilité aux variations hydriques du support => chute de portance en période humide /dessication en période sèche Mode d endommagement dévelopt d ornière à grand rayon, flaches et affaisements couches bitum : fissuration par fatigue => faïençage l eau s infile : épaufrure des fissures, nids de poule H. Odéon -

21 Démarche de calcul Vérifier : PF support de chaussée ε z < ε z,adm Calculée au passage d un essieu de référence Déterminée à partir de : - support

22 Calcul des sollicitations au sein de la sucture Exemple : BB/GNT Mat Collée Collée Collée h(m) E(MPa) Nu BBSG 0, ,35 GNT(1) 0, ,35 GNT 0, ,35 PF2 infini 50 0,35 Inter Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute Hcdbase = 0,15m si NE < essieux de référence ; = 0,20m si NE < essieux de référence.

23 Valeurs admissibles (1/1) Plate-forme (sol seul) ε z,adm = A (NE ) 0,222 Avec A = si afic cumulé > A = si afic cumulé <

24 Chaussée bitumineuse épaisse Sucture comportant une couche de roulement bitumineuse (4 à 8 cm) sur un corps de chaussée en matériaux aité aux liants hydrocarbonés (15 à 40 cm), fait d une ou de deux couches (base et fondation), voire ois. Matériau d assise : Grave bitume (GB), Enrobé à module élevé (EME2) L épaisseur globale de la chaussée est généralement comprise ene 20 et 50 cm.

25 Chaussée bitumineuse épaisse : endommagement Sollicitations dues au afic rigidité des matx bitumineux : => efforts verticaux ansmis au sol support fortement diminué => reprise des efforts en action / flexion par couches rigides Influence des conditions d environnement forte sensibilité aux variations hydriques du support + orniérage (à petit rayon) des couches de surface Mode d endommagement dégradations de surface dévelopt de fissures longitudinales dans les bandes de roult => faïençage (chaussée # pavage) l eau s infile : épaufrure des fissures, nids de poule

26 Démarche de calcul Vérifier : CdBase Non ε t < ε t,adm CdFondation PF support de chaussée ε z < ε z,adm Calculée au passage d un essieu de référence Déterminée à partir de : - loi de fatigue - afic NE - risque -support

27 Calcul des sollicitations au sein de la sucture Exemple : GB3/GB3 Mat h(m) E(MPa) Nu BBSG 0, ,35 GB3 h ,35 PF2 infini 50 0,35 Inter Collée Collée Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute

28 Valeurs admissibles (1/5) Couche de fondation b NE ε t,adm = ε avec N ε t = ε E(10 C) E(15 C) kc b : loi de fatigue du matériau NE : nombre d essieux équivalents ; E(10 C) E(15 C) : correction de la loi de fatigue en température ; kc : coefficient de calage attaché au matériau

29 Valeurs admissibles (2/5) Couche de fondation b NE ε t,adm = ε E(10 C) E(15 C) kc kr avec kr : coefficient de risque kr = 10-ubδ où u : valeur de la variable aléatoire associée au risque R choisi par le M Ouvrage b : valeur de la pente de la droite de fatigue δ : écart type épaisseur/fatigue

30 Valeurs admissibles (3/5) Couche de fondation b NE ε t,adm = ε et E(10 C) E(15 C) kc kr δ : écart type épaisseur/fatigue δ = SN 2 c Sh + b 2 Sn : écart type sur la loi de fatigue ; Sh : écart-type sur l épaisseur des assises ; Sh = 0,01 m si hassise < 0,10 m 0,01+0,3x(hassise-0,10) si 0,10< <0,15m 0,025 m si hassise > 0,15 m

31 Valeurs admissibles (4/5) Couche de fondation b NE ε t,adm = ε avec NE εt = ε E(10 C) E(15 C) E(10 C) E(15 C) kc kr ks b : loi de fatigue du matériau : correction de la loi de fatigue en température ; kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10-ubδ ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase) PF1 PF2 PF3 1/1,2 1/1,1 1

32 Chaussée semi-rigide Sucture comportant une couche de roulement bitumineuse (6 à 12 cm) sur une assise en matériaux aités aux liants hydrauliques disposée en une ou deux couches (15 à 50 cm) Matériau d assise : Grave ciment (GC), Grave laitier (GL), Cendres volantes (GCV), Grave pouzzolane (GPz), Grave liant routier (GLR). dont l épaisseur totale est de l ordre de 20 à 60 cm.

33 Chaussée semi-rigide : endommagement (1/2) Sollicitations dues au afic forte rigidité des matx aités aux liants hydrauliques : => efforts verticaux ansmis au sol support ès faibles => reprise des efforts en action / flexion par couches rigides Influence des conditions d environnement au jeune âge : reait de prise => fissuration ansversale => remontée à avers la CdSurf (pontage au bitume) => fissures franches qui se dégradent (ramification, dédoublt) pénéation de l eau aux fissures : => dégradation des interfaces, atition des bords de fissures + orniérage (à petit rayon) des couches de surface

34 Chaussée semi-rigide : endommagement (2/2) Mode d endommagement dégradations de surface ramification des fissures ansversales dévelopt de fissures longitudinales (par fatigue) dans les bandes de roult => faïençage (chaussée # pavage) l eau s infile : épaufrure des fissures, nids de poule Dispositions consuctives particulières : complexes anti-fissures pour ralentir la remontée des fissures à avers la CdRoulement : couches de sable bitume, membranes épaisses, grilles préfissuration des couches d assises (CdBase) pour conôler la fissuration de reait

35 Préfissuration Procédé Olivia Joints actifs H. Odéon - Procédé Craft

36 Démarche de calcul Vérifier : σ t < σ t,adm CdBase σ t < σ t,adm CdFondation PF support de chaussée ε z < ε z,adm Calculée au passage d un essieu de référence H. Odéon - Déterminée à partir de : - loi de fatigue - afic NE - risque -support

37 Calcul des sollicitations au sein de la sucture Exemple : GC/GC Mat h(m) E(MPa) BBSG 0,08 Nu ,35 Inter Collée GC3 h ,25 GC3 h ,25 PF1 infini 20 0,35 Glis. Collée Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute

38 Valeurs admissibles (1/4) Plate-forme (sol et/ou GNT) ε z,adm = ( NE ) 0,222

39 Valeurs admissibles (2/4) Couche de base σ t,adm avec b NE = σ6 6 kc kr 10 N σt = σ b : loi de fatigue du matériau NE : nb de passages de l essieu de référence (=NPLxCAM) kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10-ubδ où u : valeur de la variable aléatoire associée au risque R choisi par le M Ouvrage b : valeur de la pente de la droite de fatigue δ : écart type épaisseur/fatigue 2 c Sh δ = 2 SN + b

40 Valeurs admissibles (3/4) Couche de base (suite) σ t,adm b NE = σ6 6 kc kr ks kd 10 avec ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase) kd : coefficient de discontinuité, intégrant les phénomènes d augmentation de conaintes près des bords GCV 0,80

41 Valeurs admissibles (4/4) Couche de fondation σ t,adm avec b NE = σ6 6 kc kr ks kd 10 N σt = σ b : loi de fatigue du matériau kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10-ubδ ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase) PF1 PF2 PF3 1/1,2 1/1,1 1 kd : coefficient de discontinuité (kd = 1 pour CdFondation)

42 Chaussée rigide Béton armé continu: ::DE BAC Dalles Dalles Dalles goujonnées discontinues épaisses :BCg BC sur GB3 ou GC3 ou Bm Sucture comportant une couche de béton de ciment de 15 à 40 cm (DE), éventuellement recouverte par un BBTM, reposant : soit sur une fondation en béton maigre ou en grave ciment, soit sur une couche de réglage fin en BB ou en GB, soit sur une couche drainante (dalle épaisse).

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44 Chaussée rigide : endommagement (1/2) Sollicitations dues au afic forte rigidité des bétons : => efforts verticaux ansmis au sol support ès faibles => reprise des efforts en action / flexion par couches rigides reait de prise : joints ansversaux ou armatures (BAC) => augmentation des conaintes en bord de dalles Influence des conditions d environnement au jeune âge : reait de prise => fissuration ansversale => sciage de joints ansversaux + garnissage variations saisonnières de température : L dalles variations journalières : gradient de température => cambrure infilation d eau : atition des bords de fissures, pompage

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46 Chaussée rigide : endommagement (2/2) Mode d endommagement dalles discontinues : fissuration par fatigue près des bords (sur-largeurs) pompage près des joints : mise en escalier BAC : processus encore mal connu (décollement du BAC de son support après quelques années de fonctt) Dispositions consuctives particulières : matériaux peu érodables en fondation (BC3) drainage aux interfaces surlargeurs

47 Etat neuf Etat dégradé

48 Démarche de calcul Vérifier : σ t < σ t,adm CdBase σ t < σ t,adm CdFondation PF support de chaussée ε z < ε z,adm Calculée au passage d un essieu de référence Déterminée à partir de : - loi de fatigue - afic NE - risque -support

49 Calcul des sollicitations au sein de la sucture Exemple : BC5/BC3 Mat h(m) E(MPa) Nu BC5 h ,25 BC3 h ,25 PF3 infini 120 0,35 Inter Glis. Collée Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute

50 Valeurs admissibles (1/4) Plate-forme (sol et/ou GNT) ε z,adm = ( NE ) 0,222

51 Valeurs admissibles (2/4) Couche de base σ t,adm avec b NE = σ6 6 kc kr 10 N σt = σ b : loi de fatigue du matériau NE : nb de passages de l essieu de référence (=NPLxCAM) kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10-ubδ où u : valeur de la variable aléatoire associée au risque R choisi par le M Ouvrage b : valeur de la pente de la droite de fatigue 2 δ : écart type épaisseur/fatigue c Sh 2 δ = SN + b

52 Valeurs admissibles (3/4) Couche de base (suite) σ t,adm b NE = σ6 6 kc kr ks kd 10 avec ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase) kd : coefficient de discontinuité, intégrant les phénomènes d augmentation de conaintes près des bords BC BCg/BAC 1/1,70 1/1,47

53 Valeurs admissibles (4/4) Couche de fondation σ t,adm avec b NE = σ6 6 kc kr ks kd 10 N σt = σ b : loi de fatigue du matériau kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10-ubδ ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase) PF1 PF2 PF3 1/1,2 1/1,1 1 kd : coefficient de discontinuité (kd = 1 pour CdFondation)

54 Cas particulier du BAC/BBSG ou GB3 Calcul enphase deux 1phases σt1 phase 2 Collée Glissante NE2 adm NE1 adm NPL1 σt2 + NPL2 < NPL total

55 σ t,adm σt2 σt1 NE2 NE1 NE Dommage d1=1/ne1 d2=1/ne2 Nb passages

56 Chaussée mixte Matériau d assise : Grave bitume 3 (GB3) Grave ciment (GC) ou Grave laitier (GL) ou Sable ciment (SC) ou Sable laitier (SL) Sucture comportant une couche de roulement et de base en matériaux bitumineux d une vingtaine de cm, sur une fondation en matériaux aités aux liants hydrauliques (15 à 30cm). Le rapport de l épaisseur de matériaux bitumineux à l épaisseur totale doit êe de l ordre de 1/2.

57 Cas de la sucture mixte : démarche de calcul Calcul en deux étapes étape 1 σt1 Collée La sucture est saine Seule la couche de fondation availle en action étape 2 εt2 E/5 Glissante La sucture est dégradée Seule la couche de base availle en extension

58 Cas de la sucture mixte : démarche de calcul 1ère étape : CdBase σ t < σ t,adm CdFondation PF support de chaussée ε z < ε z,adm Calculée au passage d un essieu de référence Collée Déterminée à partir de : - loi de fatigue, afic NE, risque, support On détermine le nombre NE1 tel que : σt adm = σt

59 Cas de la sucture mixte : démarche de calcul 2ème étape : Glissante CdBase ε < ε t,adm t CdFondation PF support de chaussée ε z < ε z,adm Calculée au passage d un essieu de référence E/5 Déterminée à partir de : - loi de fatigue, afic NE, risque, support On détermine le nombre NE2 tel que : εt adm = εt

60 Cas de la sucture mixte : démarche de calcul étape 1 σt1 étape 2 Collée E/5 Glissante NE2 adm NE1 adm NPL1 εt2 + NPL2 > NPL total?

61 Chaussée inverse Sucture associant une sucture bitumineuse et semi rigide dont l interface est constituée de grave non aitée (12cm) destinée à empêcher la remontée des fissures ansversales de reait. Matériau d assise : Grave bitume 3 (GB3) Grave non aitée (GNT) Grave ciment (GC) ou Grave laitier (GL) ou Sable ciment (SC) ou Sable laitier (SL)

62 Démarche de calcul Vérifier : CdBase ε t < ε t,adm ε z < ε z,adm Cd GNT σ t < σ t,adm CdFondation PF support de chaussée ε z < ε z,adm Calculée au passage d un essieu de référence Déterminée à partir de : - loi de fatigue - afic NE - risque - support

63 Valeurs admissibles Couche intercalaire de GNT ε z,adm = ( NE ) 0, 222 Plate-forme (sol et/ou GNT) ε z,adm = ( NE ) 0, 222