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
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
Principes de la méthode française de dimensionnement sur des voies routières
S il était nécessaire de le rappeler 4
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
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
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
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
Valeurs types de modules et caractéristiques en fatigue Matériau -1/b Module ε6 (MPa) GNT 1 (MPa) - - - 9 300 90-5 EME 2 14 000 130-5 GC 23 000-0,75 15 GLg 15 000-0,50 12,5 BC5 35 000-2,15 16 GB 3 600 σ6
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 98-252 Photo LRPC Sasbourg
Orniéreur Température : 60 C ; Fréquence : 1 Hz Eprouvette : L = 50 cm l = 18 cm e = 10 ou 5 cm effort = 500 dan NF P 98-253-1
MAER (Machine asservie pour essais rhéologiques) Température : -20 à +40 C ; Capacité : + 100 kn éprouvette : φ = 80 mm h = 200 mm NF P 98-260-1
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 98-261-1
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);
Valeurs admissibles (suite) Matériau bitumineux NE ε t,adm = ε 6 106 b E (10 C ) kc kr ks E (15 C ) Matériau aité aux liants hydrauliques NE σ t,adm = σ 6 106 b kc kd kr ks Sols et grave non aitée ε z,adm = 12000 ( NE ) 0,222 On prendra 16000 pour les faibles afics
Trafic : essieu de référence et coef. d agressivité CAM xn Empreintes réelles : Empreintes pour la modélisation : r = 0,125 m q = 0,662 MPa
Trafic : essieu de référence et coef. d agressivité Valeur de CAM indicative pour un réseau non sucturant : Catalogue des suctures 1998
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
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.
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 -
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
Calcul des sollicitations au sein de la sucture Exemple : BB/GNT Mat Collée Collée Collée h(m) E(MPa) Nu BBSG 0,08 5400 0,35 GNT(1) 0,15 600 0,35 GNT 0,25 150 0,35 PF2 infini 50 0,35 Inter Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute Hcdbase = 0,15m si NE < 100000 essieux de référence ; = 0,20m si NE < 100000 essieux de référence.
Valeurs admissibles (1/1) Plate-forme (sol seul) ε z,adm = A (NE ) 0,222 Avec A = 12 000 si afic cumulé > 250 000 A = 16 000 si afic cumulé < 250 000
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.
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
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
Calcul des sollicitations au sein de la sucture Exemple : GB3/GB3 Mat h(m) E(MPa) Nu BBSG 0,08 5400 0,35 GB3 h1 9300 0,35 PF2 infini 50 0,35 Inter Collée Collée Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute
Valeurs admissibles (1/5) Couche de fondation b NE ε t,adm = ε 6 106 avec N ε t = ε 6 10 6 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
Valeurs admissibles (2/5) Couche de fondation b NE ε t,adm = ε 6 106 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
Valeurs admissibles (3/5) Couche de fondation b NE ε t,adm = ε 6 106 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
Valeurs admissibles (4/5) Couche de fondation b NE ε t,adm = ε 6 106 avec NE εt = ε6 6 10 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
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.
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
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
Préfissuration Procédé Olivia Joints actifs H. Odéon - Procédé Craft
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
Calcul des sollicitations au sein de la sucture Exemple : GC/GC Mat h(m) E(MPa) BBSG 0,08 Nu 5400 0,35 Inter Collée GC3 h1 23000 0,25 GC3 h2 23000 0,25 PF1 infini 20 0,35 Glis. Collée Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute
Valeurs admissibles (1/4) Plate-forme (sol et/ou GNT) ε z,adm = 12000 ( NE ) 0,222
Valeurs admissibles (2/4) Couche de base σ t,adm avec b NE = σ6 6 kc kr 10 N σt = σ6 10 6 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
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
Valeurs admissibles (4/4) Couche de fondation σ t,adm avec b NE = σ6 6 kc kr ks kd 10 N σt = σ6 6 10 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)
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).
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
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
Etat neuf Etat dégradé
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
Calcul des sollicitations au sein de la sucture Exemple : BC5/BC3 Mat h(m) E(MPa) Nu BC5 h1 35000 0,25 BC3 h2 23000 0,25 PF3 infini 120 0,35 Inter Glis. Collée Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute
Valeurs admissibles (1/4) Plate-forme (sol et/ou GNT) ε z,adm = 12000 ( NE ) 0,222
Valeurs admissibles (2/4) Couche de base σ t,adm avec b NE = σ6 6 kc kr 10 N σt = σ6 10 6 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
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
Valeurs admissibles (4/4) Couche de fondation σ t,adm avec b NE = σ6 6 kc kr ks kd 10 N σt = σ6 6 10 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)
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
σ t,adm σt2 σt1 NE2 NE1 NE Dommage d1=1/ne1 d2=1/ne2 Nb passages
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.
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
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
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
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?
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)
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
Valeurs admissibles Couche intercalaire de GNT ε z,adm = 14400 ( NE ) 0, 222 Plate-forme (sol et/ou GNT) ε z,adm = 12000 ( NE ) 0, 222