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Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture

11 mars 2009Les Présentations du Laboratoire de Strasbourg

Conception structurelle des chaussées

Le cas particulier des giratoires

Vincent RouchLRPC de StrasbourgLes 1, 2, 3 Avril 2009


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Invention : Eugène Hénard en mai 1906

Le cas particulié des carrefours giratoires :un concept centenaire


Constats

• Chantiers spécifiques qui présentent des difficultés de réalisation

• Zones d'accès soumis à des contraintes fortes (accélérations, freinages, …)

• Dans l'anneau, vitesses faibles et transfert de charges

• Efforts tangentiels élevés pour les véhicules longs, à plusieurs essieux


• A la conception :– Dimensionnement géométrique et structurel spécifique fonction de :

• La nature des voies entrantes et sortantes (gestion des flux)• La nature et l'intensité du trafic• La sécurité routière et le bruit

• Lors de la construction :– Généralement chantier de faible surface (aménagement de carrefour)

• Phasage complexe (selon déviation ou non)• Faible tonnage• Matériels de mise œuvre plus ou moins adaptés• Raccord à l'existant délicat (hétérogénéité de structure et joint)

– Rayons de courbure faibles (< 30 m) :• Problème du joint longitudinal (traitement spécifique)• Travail non mécanisé• Compactage difficile

Spécificités des carrefours giratoires


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• En service :– Les voies d'accès : zones de freinage et

d'accélération• Transferts de charge entre essieux• Contraintes d'adhérence très fortes

– L'anneau : • Trafic canalisé (selon géométrie et trafic)• Vitesse faible :

– Temps de charge plus long– Augmentation des contraintes et des risques

d'orniérage• Déport de charge dû à la force centrifuge :

– Surcharge des roues extérieures au virage (jusqu'à +60% selon étude belge)

– Fuite de carburant et de lubrifiant• Efforts tangentiels élevés induits par les

véhicules de grande taille (tridem)

• L'entretien :– Gestion du trafic


Photo Cim béton


• Calcul du transfert de charge :– Accélération centripète : Ac = V²/r

• V vitesse en m/s ( 30 km/h soit 25 m/s )• r : rayon du giratoire en m ( 20 m )

– Force centripète en N : Fc = m.V²/r • m : masse de l'essieu en kg ( 13 000 kg )• Fc = 13 000 x (25/3)² / 20 = 45 140 N soit 4,5 t (avec g = 10 ms-²)

– Transfert : Somme des moments en O = 0 ( )• R1 + R2 = P = 13 t• R1 x 2 – P x 1 + Fc x 1,5 = R1 x 2 – 13 x 1 + 4,7 x 1,5 = 0• D'où R1 = 3 t et R2 = 10 t


٠tM ٠

=∑

٢ m

١,٥ m

R١ R٢

+

Fc

P

O

Photo Cim béton


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Conception – Catégories de giratoires

Type de giratoire Milieu Rayon du giratoire (m)

Vitesse d'entrée (km/h)

Mini giratoire Urbain 6 à 12 25

Petit giratoire Urbain 12 à 15 25

Moyen giratoire *UrbainRural

15 à 2017 à 25

3540

Grand giratoire *UrbainRural

20 à 2725 à 30

4050

* En milieu périurbain : à adapter selon le cas


Les sollicitations des PL en giratoire

Photo Cim béton


Les conséquences d’une mauvaise prise en compte des Poids lourds

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Photo Cim béton


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Couches de roulement

• Plusieurs solutions possibles :

– Bétons bitumineux

– Revêtements asphaltiques

– Bétons bitumineux coulé à chaud

– Matériaux modulaires

– Bétons de ciment


CR – matériaux bitumineux

• Epaisseur : 6 cm en moyenne

• Matériau de type BBSG ou BBME– Formulation 0/10 ou 0/14 (éviter discontinuités)– Critère d'orniérage : 60°C – 30 000 cycles– Bitume modifié ou spécial pour les trafics élevés– Couche d'accrochage de 350-400g/m² résiduel


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CR –matériaux modulaires

• Matériaux de type pavé-pierre, pavé béton, …• Réservé aux voies à faibles trafics (T4-T5)• Mise en œuvre sur une assise rigide ou semi-rigide• Lit de pose en sable (0/4 ou 0/6)• Joints (0/2 ou 0/4) Difficultés supplémentaires durant le chantier


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CR – Bétons de ciment

• Peu de réalisations

• Différents traitements de surface possibles

• Différentes structures possibles

• Utilisation d'adjuvants délais de remise en circulation


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Dimensionnement• Similaire à celle décrite dans le GTD 1994• 2 classes de plate-formes retenues :

– PF2 – PF3

• 4 catégories de voies :Trafic CAM

Voies de desserte ≈ T5 12 PL/j 0,20Voies de distribution ≈ T3 100 PL/j 0,5Voies principales trafic lourds cadencement connu ≈ T1 500 PL/j 1

Voies TC Connu (cadences) 1


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Dimensionnement

• Sans informations, trafic = demi-somme des flux entrants sur l'anneau

• Taux de croissance PL τ = 1%

• Durée de service > 20 ans

• Risque = 5% (quelque soit le projet)

• Epaisseurs majorées de 15% (dispersion des épaisseurs à la mise en œuvre, transfert de charges, mise en œuvre en faibles quantités,..)


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Vérification au gel

• Similaire à la méthode du GTD 1994

IR fixé par le Maître d'Ouvrage

Comparaison entre IA et IR

IA > IR vérification positive


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Abaques de dimensionnement


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Abaques de dimensionnement


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• Au XIXe siècle aménagement de ronds-points :– Places majestueuses avec ornement architectural au centre– Aucune règle de circulation

• En 1906 : Eugène Hénard du Service d'Architecture de la Ville de Paris, invente le principe du carrefour à giration avec sens de circulation

• En 1907 : création de la place de l'étoile et la place de la Nation à Paris

• Arrêt du développement en France mais poursuite en Grande Bretagne

Un peu d'histoire


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• En 1966 : instauration en Grande Bretagne de la priorité à l'anneau

• Années 70 : – Les États Unis, l'Australie et la Nouvelle Zélande adoptent les

giratoires avec priorité à l'anneau– La France teste ce mode de priorité sur quelques carrefours

• En 1983 : – Règle de priorité à l'anneau instituée dans le code de la route

français– Expansion de ce type de carrefour

Un peu d'histoire


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• Nombre de carrefours giratoires en France : environ 23 000

• Progression moyenne : environ 5% par an

• 80 % des giratoires français en milieu urbain ou périurbain

• Coût : 200 à 500 K€ TTC (Source : Direction des routes, 1996)

• Écoulement de 2500 véhicules/heure sur giratoire à 2 voies

• Les arrachements représentent 60% des désordres(Source : Groupe de travail Eurovia 2000/2001)

Quelques chiffres


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Conception – Documents de référence


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Conception – Documents de référence

Exemple d'abaque de dimensionnement du guide du CERTU


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Conception – Les logiciels


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NB : Ces paramètres issus du guide du CERTU sont transposables aux carrefours giratoires hors agglomération. Dimensionnement délicat. Toujours faire appel à la Direction Tech.

• Catégories de voies et coefficient d'agressivité (d'après enquête) : 4 catégories– Voies de desserte à circulation réduite (CAM = 0,2) :

• Secteurs résidentiels, zone piétonnière, absence de transports en commun (TC)• Trafic moyen : 12 PL/MJA (T5)

– Voies principales ou de distribution (CAM = 0,5)• Avenues, boulevards, axes principaux, voies avec quelques passages de TC, ZAC• Trafic moyen : 100 PL/MJA (T3)

– Voies principales à trafic lourd (CAM = 1)• Voies de ZI, voies de liaison traversantes, rocades, voies avec passages de TC …• Trafic moyen : 500 PL/MJA

– Voies réservées aux transports en commun (CAM = 1)• Trafic connu

• Trafic : demi-somme des trafics entrant sur le giratoire

ConceptionLes paramètres de dimensionnement


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• Durée de service : minimum 20 ans

– Prise en compte de la difficulté de la réalisation de ce type de travaux

– Réduction de la gêne aux usagers (travaux de réparation ou renforcement)

• Taux de croissance : 1 % (arithmétique)

• Risque de calcul réduit : 5 % (pour toutes les voies et tous matériaux)

• Épaisseurs d'assise calculées majorées de 15 %

• Calcul au gel-dégel : méthodes habituelles (simplifiée ou GEL1D)

ConceptionLes paramètres de dimensionnement


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• Couche de roulement :– Matériaux traités aux liants hydrocarbonés

• BBSG 0/10 classe 2 ou 3 (selon NF P 98-130) ou

BBME 0/10 classe 2 ou 3 (selon NF P 98-141)

• Épaisseur de mise en œuvre : 6 cm

Épaisseur inférieure à 5 cm– Contrainte de cisaillement importante– Risque d'arrachement

Épaisseur supérieure à 7 cm– Risque d'orniérage

Pas de granularité 0/14– Ségrégation à l'extrémité des vis du finisseur– Macrotexture trop importante (plumage)

Conception - Les matériaux


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• Couche de roulement :– Matériaux traités aux liants hydrauliques

• Béton de ciment type BC5 (selon NF P 98-170)– Support : Béton maigre (BC3)

– Épaisseur de mise en œuvre : 15 à 27 cm selon trafic et niveau de plateforme

• Béton de ciment type BC5 goujonné– Support : GNT poreuse (10 cm)


• Béton armé continu (BAC)– Support : BBSG (5 cm)




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• Couche de roulement – Comparaison


Produit Avantages Inconvénients

BBSG et BBME

Tous trafics Réparabilité et entretien Raccord à l'existant Remise en circulation Souplesse d'emploi Nombreuses références

Mise en œuvre délicate (compactage, joint) Sensibilité à l'orniérage et aux arrachements

Asphalte coulé

Adapté aux petits chantiers Réparabilité et entretien

Limité aux faibles trafics (<T2) Rugosité limitée Sensibilité du collage sur la base Planéité du support Peu de références

Matériaux modulaires

Réparabilité Esthétique

Limité aux très faibles trafics (T4 et T5) Dégradation précoces Raccord à l'existant Entretien permanent des joints Mise en œuvre complexe

Béton de ciment

Tous trafics Durée de vie Traitement de surface Esthétique (coloration)

Entretien et réparation Raccord à l'existant Délais de remise en circulation Calepinage complexe des joints Entretien des joints de construction et retrait Phasage chantier délicat


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BBAO – Béton bitumineux Anti - Orniérant Produit non normalisé 0/10 ou 0/14 (BBSG classe 3) Pour couches de roulement ou de liaison

Épaisseur : 5 à 9 cm Pas de critère sur le module Très bon comportement à l’orniérage

• < 5 % à 30 000 cycles et 60°C



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BBME – Béton Bitumineux à Module Élevé Produit normalisé NF P 98-141

• 0/10 ou 0/14

• Pour couches de roulement ou de liaison

• Épaisseur : 6 à 9 cm

Fort module : deux fois plus élevé que celui d’un enrobé traditionnel

• Apport structurel

Bon comportement à l’orniérage

• < 5 % à 30 000 cycles et 60°C

Conception - Les matériaux Conception - Les matériaux


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• Couche de d'assise :– Matériaux traités aux liants hydrocarbonés

• Grave bitume de classe 3

• Enrobé à Module Élevé de classe 2

– Matériaux traités aux liants hydrauliques

• Grave et sable ciment, grave et sable laitier, …

• Béton de ciment BC5 et BC3

– Matériaux non traités

• GNT B



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• Couche d'assise – Comparaison


Produit Avantages Inconvénients

Grave Bitume

Tous trafics Réparabilité et entretien Raccord à l'existant Remise en circulation Pas de fissuration

Mise en œuvre délicate (compactage, joint) Température de mise en oeuvre

Enrobé à Module Élevé

Tous trafics Réparabilité et entretien Résistance à l'orniérage Raccord à l'existant Remise en circulation Réduction d'épaisseur

Mise en œuvre délicate (compactage, joint) Température de mise en œuvre Risque de fissuration à basse température

Matériaux traités aux liants hydrauliques

Pas de fluage Compactage énergique Raccord à l'existant Risque de feuilletage Gestion du retrait et de la fissuration Réparations difficiles

Béton de ciment

Tous trafics Durée de vie Pas de compactage Tolérance sur la PF

Entretien et réparation Raccord à l'existant Délais de remise en circulation Calepinage complexe des joints Entretien des joints de construction et retrait Phasage chantier délicat

Grave Non Traitée Entretien facile Coût

Limité aux trafics inférieurs à T2


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Mais, quand on aime,on ne compte pas …