P. Hornych, J.-M. Balay, J.-M. Piau. Effets des essieux multiples sur les chaussées bitumineuses

P. Hornych, J.-M. Balay, J.-M. Piau Effets des essieux multiples sur les chaussées bitumineuses Clôture de l opération de recherche PLINFRA La Défense 6 Novembre 2012

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 2/22

Rappels: principaux mécanismes d endommagement des chaussées bitumineuses Passages répétés des poids lourds Orniérage par fluage de la couche de roulement Orniérage par affaissement/ plastification du sol support Fissuration par fatigue des couches d assise 3/22

Rappels: prise en compte des charges dans la méthode usuelle de dimensionnement des chaussées Confrontation résistance fatigue EB «ε max labo» vs déformation maximale de la chaussée, calculée sous charge «ε max 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) Calcul de ε max calcul : fonction puissance décroissante entre ε max labo & N fatigue 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 Structure hydraulique 5 1 0,75 1,1 12 1 12 113

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 5/22

Signaux déformation sous chargements multiessieux versus sinus? Sollicitations de fatigue dans les couches d assise P Déformation (µm/m) 300 200 100 0 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9-100 Temps (s) Signal longitudinal Signal transversal Signal de déformation réel difficilement assimilable à un sinus Recherche de paramètres supplémentaires ayant une influence sur la durée de vie en fatigue Objectif : Ré-évaluer l endommagement en fatigue produit par les chargements multiessieux, par une approche plus réaliste des véritables sollicitations (déformation, contraintes) subies par les matériaux (EB) au passage des PL 6/22

Démarche adoptée Etape 1: Recherche d une loi de fatigue multipics des EB Déformation (µm/m) 250 200 150 100 50 0 2009-05-07-P1-P06-v06 t moyenne = 26.6 C -50 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9-100 Temps (s) Signal longitudinal Signal transversal Base de données essais Manège Etude paramétrique de signaux mesurés Essais de fatigue de laboratoire avec signaux multi-pics Nouveau modèle de fatigue 7/22

Etape 1: Recherche d une loi de fatigue multipics des EB Constitution d une base de données de signaux de déformation 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 < T moyenne Grave bitume < 38 C Base de données avec conditions de chargement et de température variables > 2000 signaux traités ( >1000 signaux par structure) > 660 signaux par configuration 8/22

Analyse statistique en composantes principales des signaux de déformation : Identification de 4 paramètres indépendants caractérisant la forme des signaux Paramètres ε max 1 2 3 ε max : Niveau de déformation ε (µm/m) Etape 1: Recherche d une loi de fatigue multi-pics des EB Â n ε 3D max X Np 3 D Temps (s) Np: Nombre de pics D: Durée du signal divisée par le nombre de pics Ân: Taux de remplissage du signal 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 _ Modèle de fatigue multilinéaire log(nf) = -a log ε max - b log Np + c Ân + d D +e

Etape 2 : Utilisation de la nouvelle loi pour le calcul de la fatigue des chaussées Application du nouveau modèle de fatigue 140 Déformation (µm/m) 100 60 20-20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Temps (s) Signal longitudinal Signal transversal Histogrammes classes PL & charges Durée de vie en fatigue Pour un PL, modèle de calcul de chaussées Alizé ou ViscoRoute (Elasticité ou viscoélasticité linéaire) Nouveau modèle de ε max = fatigue + Balayage + Principe de Miner Np = Ân = D = Calcul des 4 paramètres d entrée du modèle de fatigue Signaux de déformation théoriques Traitement des signaux 10/22

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 11/22

Charge totale roulante relative (%) Exemples d application routière (1/2) 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 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 100% 126% 133% 1 2 3 Nombre d'essieux A même endommagement, les configurations d essieux multiples permettent de transporter plus de charge que les configurations d essieux simples. 12/22

Comparaison T2S3 40t versus T2S3 44t Charge totale transportée relative (%) 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Exemples d application routière (2/2) T2S3 400 kn T2S3 400 kn Pressions faibles 107% 100% 100% 106% 77% 80% 85% 1 2 3 4 Type de PL Structure mince T2S3 440 kn Structure épaisse Ratio silhouettes PL ~(40/44) 2.5 T2S3 440 kn Pressions faibles 86% Perspective : essai Manège de validation en vraie grandeur des effets charges et silhouettes PL (SETRA/IFSTTAR) 13/22

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 14/22

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. Plaque instrumentée: Épaisseur 5 mm, équipée de plusieurs jauges à fibres optiques, verticales et horizontales - Mise en place par un trait de scie. 15/22

Effet des charges en partie haute de chaussée Mise en place des capteurs à fibres optiques Pose de l instrumentation après construction de la chaussée Durée de vie supérieure au million de chargements 16/22

Structure instrumentée sur manège de fatigue εl,εt 8 cm BB couche d accrochage θ 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 17/22

microstrain 10 5 0-5 -10 microstrain 10 0-10 -20-30 Déformations mesurées de part et d autre de l interface GB/BB pour 2 conditions de température distinctes extension contraction eps L eps T t (s) 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 extension contraction eps L epst no signal t (s) 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 microstrain 300 200 100 0-100 100 0-100 -200-300 -400-500 extension contraction eps L eps T t (s) 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 Très différent hyp. usuellement admise microstrain extension contraction eps L eps T t(s) 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 θ interface ~22 C θ Interface ~ 42 C

Modélisation et inversion des mesures 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 GRH : 24,5 cm Matériau intercalaire : 2 mm, E ~ E bitume (θ) 19/22

Comparaison des schémas de déformation horizontales : collé vs intercalaires Extension Contraction -200-150 -100-50 0 50 100 150 200 0-0.05 BB µdef Extension Contraction -200-100 0 100 200 300 0-0.05 BB µdef -0.1-0.15 GB -0.1-0.15 GB -0.2-0.25-0.3 z(m) GB -0.2-0.25-0.3 z(m) GB Profil vertical de déformation horizontale (modèle élastique) Profil vertical de déformation horizontale (modèle élastique) Hypothèse usuelle : couches de chaussée directement collées entre elles Hypothèse avec couches intercalaires 20/22

Fonctionnement des interfaces : incidence? 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 21/22

Merci Clôture de l opération de recherche PLINFRA La Défense 6 Novembre 2012