Comment se répercutent les résultats des essais de ... · son module complexe au terme de la ... (fin 50s, IL, USA) • Premier Guide 1961 • Modifications limitées: ... • Ne

Perraton, Baaj

Comment se répercutent les résultats des essais de laboratoire liés à la

performance en fatigue de l’enrobé et àson module complexe au terme de la

structure de la chaussée souple

Daniel Perraton & Hassan Baaj

Perraton, Baaj

Plan de la Présentation

Introduction

Plan de la Recherche

Résultats et Discussion

Conclusion

Perraton, Baaj

Les sollicitations dans la chaussée

Variationstempérature

VariationsD’humidité

TraficPoids lourds

La chaussée est soumise àde multiples Sollicitations

Fissures thermiques

Gel - DégelOrniérage FatigueDéformations

différentielles

Rupture

Perraton, Baaj

Le design des chaussées souples

Le phénomène de fatigue :C’ est le phénomène prépondérant à température

«moyenne» dans les structures de chaussées souples

Suivant une approche analytique de conception,On fixe hcouche pour gérer l’évolution de la fatigue

Perraton, Baaj


L’effet de la charge d’un essieu se traduitpar une déformation en bas de couche

Perraton, Baaj



εh

Perraton, Baaj



εh

L’amplitude de εhest directement

tributairede la RIGIDITÉ des

matériaux de la chaussée

… incluant celle des matériaux bitumineux!

la déflexion estRÉDUITE

pour des matériaux PLUS RIGIDES

…réduisant ainsi

εh

Perraton, Baaj

• LL’’amplitude de amplitude de εεhh ddééfinie la DURfinie la DURÉÉE DE VIE des E DE VIE des matmatéériaux traitriaux traitééeses

•• DD’’un point de vue un point de vue ««MATMATÉÉRIAURIAU»», , ll’’effeteffet du passage ddu passage d’’un un vvééhiculehicule se se traduittraduit par:par:

La fatigue des matériaux traités

Notion de DOMMAGES

•• Le design, vise Le design, vise àà contrôler le processus de Fatiguecontrôler le processus de Fatigue……contrôler le contrôler le ““cumulcumul““ des des dommagesdommages

de de manimanièèrere àà atteindreatteindre la vie la vie escomptescomptééee

Microfissurations qui s’amplifientà chaque passage d’un poids lourd

Le design des chaussées souplesQue représente la déformation εh ?

Perraton, Baaj

Δ de Performance en Fatigue entre 2 matériaux bitumineux

1. Le MatMatéériauriau 2. Vérifier comment çase passe dans la structurestructure

Le design des chaussées souplesComment différencier la «fatigue » entre 2 matériaux?

LABORATOIRELABORATOIRE1. Mesure des

Caractéristiques intrinsèques1. E*2. Fatigue

STRUCTURESTRUCTURE1. Approche analytique

(mécanistique)1. E* εh…Δ vitesse auto!2. Intègre Fatigue

Perraton, Baaj

• Largement Répandu en Amérique du Nord

• Méthode Empirique: AASHTO Road Test (fin 50s, IL, USA)

• Premier Guide 1961

• Modifications limitées: 1972, 1981, 1986, 1993

• Nouvelle méthode en développement 200X (20YX??)

• Ne considère aucun essai de performance des EB

• Dimensionnement : Mr à 20 C!! Seulement

• Calibrée sur des matériaux des années 50 et dans les conditions climatiques de l’ILLINOIS, USA

Le design des chaussées souplesEn Amérique du Nord AASHTO 1993

Perraton, Baaj

Le design des chaussées souplesAu Québec

AASHTO 1993

+

Gel-Dégel

Perraton, Baaj

• Sélectionner deux enrobés bitumineux:Enrobé A: Enrobé ConventionnelEnrobé B: Enrobé Spécial

• Effectuer une caractérisation rhéologique (Mesures de Module Complexe) et évaluation de la résistance à la fatigue des deux enrobés.• Utiliser les deux matériaux comme enrobé de couche de base dans deux sections identiques pour les autres couches• Calculer les épaisseurs des couches avec AASTO 1993• Estimer la durée de vie en fatigue des deux sections (EnrobéA et Enrobé B)• Comparer, discuter et conclure…..

Le design des chaussées souplesBilan Fatigue : Matériau et Structure

Perraton, Baaj

Mesures de Modules Complexes E*

Essai NonEssai Non--destructif destructif

Température (°C): -35°C à +40°C

Fréquence (Hz) : 20Hz à 0,01Hz

Résistance à la FatigueEssai DestructifEssai Destructif

Température : 10 °C Fréquence : 10 Hz

Rhéologie en petites déformationsModule complexe et Fatigue

Perraton, Baaj

Flexion Trois-Points

Flexion Quatre-PointsEssai de Fatigue Diamétral

Fixed base

Sinusoidal cyclic loading (force or displacement)

Failure section

Asphalt concrete specimen

Flexion Deux-Points

Flexion

Rhéologie en petites déformationsLes différents essais de Fatigue

Perraton, Baaj

Rhéologie en petites déformationsProblématique inhérente aux essais de Fatigue en Flexion

Perraton, Baaj

Base fixée

Éprouvette d’enrobé

Sollicitation sinusoïdale

Plan de rupture

Flexion Deux-Points


Perraton, Baaj

- Non-Homogène: Contraintes et Déformations varient d’un point à l’autre dans l’éprouvette

- Nécessité d’assumer une loi de comportement(pas évident)

- Contraintes et Déformations ne sont pas mesurables

- Phase non-linéaire est rapidement entamée

importante dispersion

pas de corrélation entre les essais effectués en mode de force ou de

déplacement imposé

importante dispersion

pas de corrélation entre les essais effectués en mode de force ou de

déplacement imposé


Perraton, Baaj

Rhéologie en petites déformationsProblématique inhérente à l’essai de Fatigue diamétral

Perraton, Baaj

H1H2

ΔH

DH

H1

× 100% = εp


Perraton, Baaj

Chargement cyclique en compressionChargement cyclique en compression

Accumulation des déformationsAccumulation des déformations

Rupture précaireRupture précaire

Durée de vie très courte par rapport aux autres essais

Durée de vie très courte par rapport aux autres essais

+ESSAI NON-HOMOGÈNE

+ESSAI NON-HOMOGÈNE


Perraton, Baaj

Rhéologie en petites déformationsEssai de Fatigue de Traction - Compression (T/C)

Perraton, Baaj

E

N

E0

E0/2

Nf

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Interprétation : Critère classique (50% perte de E*)

Perraton, Baaj

Pour chaque éprouvette testée, on détermine le nombre de cycles Nfcorrespondant à la rupture.

Log Nf

Log ε

or σ Droite de Fatigue

(Wöhler)

Module

N

E*0

Nf

E0

2

ε6

10+6

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Interprétation : Droite de Wöhler

Perraton, Baaj

Log (NLog (Nff))

140100 120 160 180801×104

60

1×107

1×106

1×105

EnrobEnrobéé AA

εε66 =111.10=111.10--66 m/mm/m

EnrobEnrobéé BB

εεLog (Log ( ××1010--66 m/m)m/m)

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Interprétation : DURÉE DE VIE!

εε66 =160.10=160.10--66 m/mm/m

Perraton, Baaj

Log (NLog (Nff))

140100 120 160 180801×104

60

1×107

1×106

1×105

EnrobEnrobéé AA EnrobEnrobéé BB

εεLog (Log ( ××1010--66 m/m)m/m)

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Interprétation : DURÉE DE VIE!..RELATIVE

Comment les comparer?

Durée de vie : 800 000

Durée de vie : 12 000 000!

Perraton, Baaj0.0E+00

2.0E+06

1.2E+07

Enrobé A

Enrobé B

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Matériau : Durée de vie à 160 μDef

Durée de Vie du B est 15X

Durée de Vie du A

Bilan Matériau!4.0E+06

6.0E+06

8.0E+06

1.0E+07

Durée de vie

Perraton, Baaj

50 mm EB10S

300 mm MG20

400 mm sable3.8 % au 80μm

Infra.

490 MPa

1750 MPa

190 MPa

50 MPa

490 MPa

1750 MPa

Enrobé B3380 MPa

190 MPa

50 MPa

Enrobé A5380 MPa

Épaisseur ??

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Configuration retenue

Perraton, Baaj

1- Le trafic: ECAS 115 000 000

2- Sol d’infrastructure : Mr = 40 MPa (5 800 psi).

3- Sous-fondation : 400 mm de sable, Mr = 160 MPa (23 190 psi).

a4 = 0,227 Log(MrSB) – 0,839 = 0,152

4- Fondation : MG20, HB = 300 mm, Mr = 490 MPa (71 000 psi).

a3 = 0,249 Log(MrB) – 0,977 = 0,231

5- Couche de surface: 100 mm de EB10-S, E* = 1750 MPa (20°C – 3 Hz).

a1 = 0,414 Log(E) – 1,896 = 0,341

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Design avec ASSHTO

Perraton, Baaj

50 mm EB10S

300 mm MG20

400 mm sable3.8 % au 80μm

Infra.

490 MPa

1750 MPa

190 MPa

50 MPa

490 MPa

1750 MPa

Enrobé B3380 MPa

190 MPa

50 MPa

Enrobé A5380 MPa

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Configuration retenue

140 mm 165 mm 25 mm

Perraton, Baaj

1750 MPa 1750 MPa

Enrobé B165 mm

Enrobé A140 mmεεhAhA εεhBhB

Déformation calculées en bas de couches de base avec le logiciel KENPAVE (Y. H. Huang).

Cas 1 - Milieu Urbain (30 Km/hre & 20 °C)

Cas 2 - Autoroute (100 Km/hre & 20 °C)

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Déformation εh

Perraton, Baaj

83.380.6

72.069.5

60

65

70

75

80

85

Section2Enrobé B

Déf

orm

atio

n en

bas

de

couc

he

Urbain

Autoroute

Section1Enrobé A

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Déformation εh

Perraton, Baaj

Remarque

Les valeurs des durées de vie de la chaussée sont calculées àpartir de l’équation suivante:

Cette équation, proposée par Huang* a été développée àpartir des résultats des essais des fatigue de flexion quatre-points (essai non-homogène) et les paramètres permettant le passage des résultats de laboratoire à la structure sont des paramètres empiriques.* Huang, H. Yang, “Pavement Analysis and Design” Second edition, Prentice Hall, ISBN: 0136552757.

Perraton, Baaj

225 128 000

1 153 000

536 637 000

2 208 000

0.0E+00

1.0E+08

2.0E+08

3.0E+08

4.0E+08

5.0E+08

6.0E+08

Dur

ée d

e vi

e es

timée

Urbain

Autoroute

Section1Enrobé A

Section2 Enrobé B

Nf = c1 (εh )–f2 (Es)– f3

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Calcul Durées de Vie

Durée de Vie du B est 200 à 245 X

Durée de Vie du A

Bilan Structure!

Perraton, Baaj

1750 MPa 1750 MPa

Enrobé B165 mm

Enrobé A140 mmεεtAtA

140 mm

εεtBtB

La performance de la section 2 est nettement supérieure

Solution: Réduire l’épaisseur de la couche de base dans la section 2

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Épaisseurs égale

140 mm

Perraton, Baaj

83.390.0

72.078.3

10

30

50

70

90

110 Urbain

Autoroute

Section1Enrobé A

Section2 (Modifié)Enrobé B

Déf

orm

atio

n en

bas

de

couc

heRhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : εh…même H

Perraton, Baaj

1 153 000

67 816 000

2 208 000

156 053 000

0.0E+00

2.0E+07

4.0E+07

6.0E+07

8.0E+07

1.0E+08

1.2E+08

1.4E+08

1.6E+08

1.8E+08

Dur

ée d

e vi

e es

timée

Urbain

Autoroute

Section1Enrobé A

Section2 Enrobé B

Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Épaisseurs égale

Nf = c1 (εh )–f2 (Es)– f3

Durée de Vie du B est 60 à 70X

Durée de Vie du A

Bilan Structure!

Perraton, Baaj

Conclusions

-On montre que l’appréciation de la performance en fatigue dépend du point de vue dans lequel on se place: Matériau versus Structure :

… Matériau ne montre pas toutes les facettes!

-Ceci reste vrai dans la mesure où l’on caractérise de façon intrinsèque la performance en fatigue

…c’est pas le cas avec les essais en flexion

- Pour une évaluation dans le contexte de la structure- E* et Fatigue

- La méthode AASHTO ne met pas en relief le gain attribuable à la performance en fatigue

Perraton, Baaj

ConclusionsSuite…

La méthode AASHTO ne met pas de mettre en relief le gain attribuable à la performance en fatigue des matériaux:

la plus value de certains procédés n’est pas valorisée au détriment de d’autres

notion coût-performance est biaisée

Documents

Comment se répercutent les résultats des essais de ... · son module complexe au terme de la ... (fin 50s, IL, USA) • Premier Guide 1961 • Modifications limitées: ... • Ne