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Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture

11 mars 2009Les Présentations du Laboratoire de Strasbourg

Conception structurelle des chaussées

Principe de dimensionnement

Vincent RouchLRPC de StrasbourgLes 1, 2, 3 Avril 2009


• 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 dela méthode française de dimensionnement sur des voies routières


S’il était nécessaire de le rappeler…

4

Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la ruptureDétermination des hypothèses de calculs

pour dimensionner la structure recherchée

Modèle

Sol

MatériauxClimatθ

t

θéq

Trafic

x NE

log ε t,adm

log N

La politique d’entretien et d’exploitation

Contraintes et enjeux du site


Principe Général (suite)

Dimensionnement mécanique :La structure choisie convient si :

|σ t calculée| < σ t admissible et/ou |ε t calculée| < ε t admissible

Vérification au gel/dégel :La structure obtenue convient si :I admissible de la chaussée > I hiver de référence


Dimensionnement mécanique

La structure 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 élastiqueModèle de Burmister (1943)

Structure:multi-couche élastique linéaireinterfaces collées ou glissantescouches infinies en plan

(pas de bord, de coin)

Charges : disques (pression uniforme)

Résultats : champs σ et ε


Valeurs types de modules etcaractéristiques en fatigue

Matériau Module ε6 σ6 -1/b

(MPa) (MPa)GNT 1 600 - - -GB 3 9 300 90 - 5EME 2 14 000 130 - 5GC 23 000 - 0,75 15GLg 15 000 - 0,50 12,5BC5 35 000 - 2,15 16


PCG 3(presse à cisaillement giratoire)

V rotation = 30 tr/minσ axiale = 6,6 105 Pa

éprouvette :φ = 100 mm ou 150 mmélancement = 1,2

NF P 98-252Photo LRPC Strasbourg


Orniéreur

Température : 60°C ;Fréquence : 1 Hz

Eprouvette :L = 50 cml = 18 cme = 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 mmh = 200 mm

NF P 98-260-1


Banc de fatigue

Déformation imposée

Température : 10°C ;Fréquence : 25 Hz

Eprouvette :h = 25 cme = 2,5 cmbase = 5,6 cmhaut : 2,5 cm

NF P 98-261-1


Valeur admissible et fatigue

Essai de fatigue

log ε

log N ε = ε6 x (N/106)b

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

Matériau traité aux liants hydrauliques

Sols et grave non traitée

ε εt adm

bNE E CE C

kc kr ks,( )( )

= ×

× °°

× × ×6 6101015

σ σt adm

bNE kc kd kr ks, = ×

× × × ×6 610

( )ε z adm NE,,= × −12000 0 222

On prendra 16000 pour les faibles trafics


Trafic : essieu de référence et coef. d’agressivité

x NCAM

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 structurant :

Catalogue des structures 1998


Dimensionnement mécanique : résumé

Modèle

Sol

MatériauxClimatθ

t

θéq

Trafic

x NE

ε t,cal

h

log ε t,adm

log Nh solution

Rappel vous aurez fixé :- Le trafic- La durée de vie- Le risque- Les contraintes et enjeux- La politique d’entretien et d’exploitation envisagé


tr 19

Chaussée soupleChaussées comportant une

couverture bitumineuse mince (< 15 cm), parfois réduite à un enduit sur chaussées à très faible trafic,

reposant sur une ou plusieurs couches de matériaux granulaires non traités (20 à 50 cm).

L ’épaisseur globale de la chaussée est généralement comprise entre 30 et 60 cm.

Matériau d’assise :tout venant,hérisson, macadam à l’eau,GNT


H. Odéon - LRPC de Strasbourg

tr 20

Chaussée souple : endommagement

• Sollicitations dues au traficfaible rigidité des matx granulaires et des couches bitum.=> efforts verticaux transmis au sol support= > risque de déformation permanente

• Influence des conditions d ’environnementforte sensibilité aux variations hydriques du support=> chute de portance en période humide /dessication en période sèche

• Mode d ’endommagementdévelopt d’ornière à grand rayon, flaches et affaisementscouches bitum : fissuration par fatigue => faïençagel ’eau s ’infiltre : épaufrure des fissures, nids de poule


tr 21

Démarche de calcul• Vérifier :

Calculée au passaged ’un essieu de référence

Déterminée à partir de :- support

– PF support de chausséeε z < ε z,adm


tr 22

Calcul des sollicitations au sein de la structure• Exemple : BB/GNT

Mat h(m) E(MPa) Nu Inter

BBSG 0,08 5400 0,35 Collée

GNT(1) 0,15 600 0,35 Collée

GNT 0,25 150 0,35 Collée

PF2 infini 50 0,35

Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute

• Hcdbase = 0,15m si NE < 100000 essieux de référence ; = 0,20m si NE < 100000 essieux de référence.


tr 23

Valeurs admissibles (1/1)

Plate-forme (sol seul)

Avec A = 12 000 si trafic cumulé > 250 000A = 16 000 si trafic cumulé < 250 000

( ) 222,0adm,z NEA −×=ε


tr 24

Matériau d’assise :Grave bitume (GB),Enrobé à module

élevé (EME2)

Chaussée bitumineuse épaisseStructure comportant une

couche de roulement bitumineuse (4 à 8 cm)

sur un corps de chaussée en matériaux traité aux liants hydrocarbonés (15 à 40 cm), fait d ’une ou de deux couches (base et fondation), voire trois.

L ’épaisseur globale de la chaussée est généralement comprise entre 20 et 50 cm.


tr 25

Chaussée bitumineuse épaisse : endommagement

• Sollicitations dues au traficrigidité des matx bitumineux :=> efforts verticaux transmis au sol support fortement diminué=> reprise des efforts en traction / flexion par couches rigides

• Influence des conditions d ’environnementforte sensibilité aux variations hydriques du support+ orniérage (à petit rayon) des couches de surface

• Mode d ’endommagementdégradations de surfacedévelopt de fissures longitudinales dans les bandes de roult

=> faïençage (chaussée # pavage)l ’eau s ’infiltre : épaufrure des fissures, nids de poule


tr 26


– CdBase Non


Déterminée à partir de :- loi de fatigue- trafic NE- risque-support

– CdFondation ε t < ε t,adm



tr 27

Calcul des sollicitations au sein de la structure

• Exemple : GB3/GB3 Mat h(m) E(MPa) Nu Inter

BBSG 0,08 5400 0,35 Collée

GB3 h1 9300 0,35 Collée

PF2 infini 50 0,35



tr 28

kc : coefficient de calage attaché au matériau

Valeurs admissibles (1/5)Couche de fondation

b

66adm,t 10NE

×ε=ε kc×

avec: loi de fatigue du matériau

b

66t10N

×ε=ε

)C(E)C(E

°°×

1510

)C(E)C(E

°°

1510

: correction de la loi de fatigue en température ;

NE : nombre d’essieux équivalents ;


tr 29

où u : valeur de la variable aléatoire associéeau risque R choisi par le M Ouvrage

b : valeur de la pente de la droite de fatigueδ : écart type épaisseur/fatigue

kr : coefficient de risque kr = 10-ubδ


b

66adm,t 10NE

×ε=ε kc× kr×

avec

)C(E)C(E

°°×

1510


tr 30

δ : écart type épaisseur/fatigue

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< <0,15m0,025 m si hassise > 0,15 m


b

66adm,t 10NE

×ε=ε kc× kr×

et

)C(E)C(E

°°×

1510

22

×+=δ

bShcSN


tr 31

ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase)

PF1 PF2 PF31/1,2 1/1,1 1

kc : coefficient de calage attaché au matériaukr : coefficient de risque kr = 10-ubδ


b

66adm,t 10NE

×ε=ε kc× kr× ks×

avec: loi de fatigue du matériau

b

tNE

×ε=ε 66 10

)C(E)C(E

°°×

1510

)C(E)C(E

°°

1510

: correction de la loi de fatigue en température ;


tr 32

Matériau d’assise :Grave ciment (GC),Grave laitier (GL),Cendres volantes (GCV),Grave pouzzolane (GPz),Grave liant routier (GLR).

Chaussée semi-rigideStructure comportant une

couche de roulement bitumineuse (6 à 12 cm)

sur une assise en matériaux traités aux liants hydrauliques disposée en une ou deux couches (15 à 50 cm)

dont l ’épaisseur totale est de l ’ordre de 20 à 60 cm.


tr 33

Chaussée semi-rigide : endommagement (1/2)

• Sollicitations dues au traficforte rigidité des matx traités aux liants hydrauliques :=> efforts verticaux transmis au sol support très faibles=> reprise des efforts en traction / flexion par couches rigides

• Influence des conditions d ’environnement– au jeune âge : retrait de prise => fissuration transversale

=> remontée à travers la CdSurf (pontage au bitume)=> fissures franches qui se dégradent (ramification,

dédoublt)– pénétration de l ’eau aux fissures :

=> dégradation des interfaces, attrition des bords defissures

+ orniérage (à petit rayon) des couches de surface


tr 34

Chaussée semi-rigide : endommagement (2/2)

• Mode d ’endommagement– dégradations de surface– ramification des fissures transversales– dévelopt de fissures longitudinales (par fatigue) dans les

bandes de roult => faïençage (chaussée # pavage)– l ’eau s ’infiltre : épaufrure des fissures, nids de poule

• Dispositions constructives particulières :– complexes anti-fissures pour ralentir la remontée des

fissures à travers la CdRoulement :couches de sable bitume, membranes épaisses, grilles

– préfissuration des couches d ’assises (CdBase) pour contrôler la fissuration de retrait



tr 35

Préfissuration

Joints actifs Procédé CraftProcédé Olivia



tr 36


– CdBase σ t < σ t,adm



– CdFondation σ t < σ t,adm



tr 37


• Exemple : GC/GC Mat h(m) E(MPa) Nu Inter

BBSG 0,08 5400 0,35 Collée

GC3 h1 23000 0,25 Glis.

GC3 h2 23000 0,25 Collée

PF1 infini 20 0,35



tr 38


Plate-forme (sol et/ou GNT)

( ) 222,0adm,z NE12000 −×=ε


Valeurs admissibles (2/4)Couche de base

b

66adm,t 10NE

×σ=σ kc× kr×

avec b

66t10N

×σ=σ : loi de fatigue du matériau




NE : nb de passages de l ’essieu de référence (=NPLxCAM)

22

×+=δ

bShcSN


Valeurs admissibles (3/4)Couche de base (suite)

b

66adm,t 10NE

×σ=σ kc× kd×kr× ks×

avecks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de

portance du support (ks = 1 pour la CdBase)

kd : coefficient de discontinuité, intégrant les phénomènesd ’augmentation de contraintes près des bords

GCV0,80


tr 41


b

66adm,t 10NE


avec


PF1 PF2 PF31/1,2 1/1,1 1

kd : coefficient de discontinuité (kd = 1 pour CdFondation)

b

66t10N




tr 42

Chaussée rigideStructure 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).

Dalles discontinues : BCDalles goujonnées : BCgDalles épaisses : DEBéton armé continu : BACsur GB3 ou GC3 ou Bm


tr 43


tr 44

Chaussée rigide : endommagement (1/2)

• Sollicitations dues au traficforte rigidité des bétons :=> efforts verticaux transmis au sol support très faibles=> reprise des efforts en traction / flexion par couches rigidesretrait de prise : joints transversaux ou armatures (BAC)=> augmentation des contraintes en bord de dalles

• Influence des conditions d ’environnement– au jeune âge : retrait de prise => fissuration transversale

=> sciage de joints transversaux + garnissage– variations saisonnières de température : ∆L dalles– variations journalières : gradient de température => cambrure– infiltration d ’eau : attrition des bords de fissures, pompage


tr 45


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 constructives particulières :– matériaux peu érodables en fondation (BC3)– drainage aux interfaces– surlargeurs


Etat neuf

Etat dégradé


tr 48


– CdBase σ t < σ t,adm






tr 49


• Exemple : BC5/BC3 Mat h(m) E(MPa) Nu Inter

BC5 h1 35000 0,25 Glis.

BC3 h2 23000 0,25 Collée

PF3 infini 120 0,35



tr 50



( ) 222,0adm,z NE12000 −×=ε


Valeurs admissibles (2/4)Couche de base

b

66adm,t 10NE

×σ=σ kc× kr×

avec b

66t10N





NE : nb de passages de l ’essieu de référence (=NPLxCAM)

22

×+=δ

bShcSN


tr 52

Valeurs admissibles (3/4)Couche de base (suite)

b

66adm,t 10NE


avecks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de

portance du support (ks = 1 pour la CdBase)

kd : coefficient de discontinuité, intégrant les phénomènesd ’augmentation de contraintes près des bords

BC BCg/BAC1/1,70 1/1,47


tr 53


b

66adm,t 10NE


avec


PF1 PF2 PF31/1,2 1/1,1 1

kd : coefficient de discontinuité (kd = 1 pour CdFondation)

b

66t10N




tr 54

Cas particulier du BAC/BBSG ou GB3

Calcul en deux phases

Collée Glissante

NE1 adm

NPL1

NE2 adm

NPL2+ < NPL total

phase 1 phase 2

σt1σt2


tr 55

NE1NE2

d2=1/NE2

d1=1/NE1

Nb passages

Dommage

σ t,adm

NE

σt1

σt2


tr 56

Chaussée mixteStructure comportant une

couche de roulement et de base en matériaux bitumineux d ’une vingtaine de cm,

sur une fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques (15 à 30cm).

Le rapport de l ’épaisseur de matériaux bitumineux à l ’épaisseur totale doit être de l ’ordre de 1/2.

Matériau d’assise :Grave bitume 3 (GB3)Grave ciment (GC) ouGrave laitier (GL) ouSable ciment (SC) ouSable laitier (SL)


Calcul en deux étapes

Collée Glissante

La structure est saineSeule la couche de fondation

travaille en traction

étape 1 étape 2

σt1

εt2

La structure est dégradéeSeule la couche de base

travaille en extension

E/5

Cas de la structure mixte :démarche de calcul


tr 58


1ère étape :

– CdBase


Déterminée à partir de :- loi de fatigue, trafic NE, risque,

support



Collée

On détermine le nombre NE1 tel que : σt adm = σt


tr 59

2ème étape :

– CdBase ε t < ε t,adm


Déterminée à partir de :- loi de fatigue, trafic NE, risque,

support

– CdFondation– PF support de chaussée

ε z < ε z,adm

Glissante

On détermine le nombre NE2 tel que : εt adm = εt

E/5



Collée

étape 1

σt1

Glissante

étape 2

εt2

E/5

NE1 adm NE2 adm

+ > NPL total ?NPL1 NPL2



Matériau d’assise :Grave bitume 3 (GB3)Grave non traitée (GNT)Grave ciment (GC) ouGrave laitier (GL) ouSable ciment (SC) ouSable laitier (SL)

Chaussée inverseStructure associant une

structure bitumineuse et semi rigide

dont l ’interface est constituée de grave non traitée (12cm) destinée à empêcher la remontée des fissures transversales de retrait.



– CdBase ε t < ε t,adm


Déterminée à partir de :- loi de fatigue- trafic NE- risque- support

– CdFondation σ t < σ t,adm– PF support de chaussée

ε z < ε z,adm

– Cd GNT ε z < ε z,adm


Valeurs admissibles

Couche intercalaire de GNT


( ) 222014400 ,adm,z NE −×=ε

( ) 222012000 ,adm,z NE −×=ε

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