Dimensionnement d'Une Structure de Chaussée Routière

8/10/2019 Dimensionnement d'Une Structure de Chausse Routire

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Schma de fonctionnement dune structure de chausse sous l'application

d'une charge roulante

Article principal : Chausse.

Le dimensionnement dune structure de chausse routireconsiste dterminer la nature et lpaisseurdes couches qui la constituent afin quelle puisse rsister aux diverses agressions auxquelles elle serasoumise tout au long de sa vie.

La structure dune chausse routire doit rsister diverses sollicitations, notamment celles dues au trafic etelle doit assurer la diffusion des efforts induits par ce mme trafic dans le sol de fondation. Lapplicationdune charge roulante induit ainsi une dformation en flexion des couches de la structure. Cette flexionentrane des sollicitations en compression au droit de la charge et des sollicitations en traction la base descouches denrobs.

Il existe diffrentes mthodes pour bien apprhender cette dformation. Elles donnent lieu ensuite diffrents modles de dimensionnement.

Le trafic pris en compte est celui du poids lourd c'est--dire des vhicules dont le poids total est suprieur trois(03) tonnes

asoa RATOVOARIMANANA 1


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1 Mthodes de dimensionnement1.1 Mthode empirique1.2 Mthode mcanique empirique

1.2.1 Le modle de charge1.2.2 Le modle de calcul1.2.3 Le modle de performance

1.3 Mthode incrmentale2 Modle de charge

2.1 Sollicitations prendre en compte2.2 Essieu de rfrence2.3 Loi de puissance pour le trafic quivalent2.4 Prise en compte de la variabilit des vhicules2.5 Le trafic pour le dimensionnement empirique

3 Modles de calcul3.1 Modle de Boussinescq (1885)3.2 Modle bicouche de Westergaard (1926)3.3 Modle bicouche de Hogg (1938)3.4 Modle de Burmister (1943)3.5 Modle de Jeuffroy (1955)3.6 Utilisation de modles aux lments finis

4 Modles de performance5 Notes6 Voir aussi

6.1 Articles connexes6.2 Bibliographie

Mthode empirique

Les mthodes empiriques de dimensionnement font appel exclusivement des expriences comparant lecomportement long terme de diverses structures pour diffrentes conditions climatiques et de trafic. Des

essais en vraie grandeur apportent galement de nombreuses informations ncessaires pour la mise en placedes rgles empiriques de dimensionnement. La mthode suisse de dimensionnement des structures dechausses est une mthode empirique.

Mthode mcanique empirique

Ces mthodes font partiellement appel une approche analytique qui est complte par des donnesempiriques. Il y a en gnral deux tapes :

Dtermination des sollicitations dans une superstructure sous leffet dune charge dfinie de trafic,

Mise en relation de ces sollicitations avec certaines dgradations des chausses.

Le principe de fonctionnement des mthodes de dimensionnement mcaniques empiriques est dfini dans leschma ci-contre.



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Schma de fonctionnement dune mthode mcanique

empirique de dimensionnement (source : COST 333/1999)

Le modle de charge

Le modle de charge est au centre du processus.Il consiste donner une image aussi raliste que

possible de la charge induite par une roue dansune chausse routire.

Le modle de calcul

Les modles de calcul permettent de dfinir lescontraintes et dformations qui apparaissent ausein d'une chausse, sous l'effet d'une charge etdans des conditions bien dfinies. Ils ncessitentla dfinition de paramtres pour dcrire lastructure (gomtrie et lois de comportement) etles conditions de chargement(intensit de lacharge, pression de contact, etc.). Ils fournissent

des rsultats thoriques correspondant auxhypothses retenues pour la modlisation. Dansla plupart des cas, ces modles se basent sur uncomportement lastique des matriaux, mais rienne s'oppose l'utilisation d'autres types decomportement.

Le modle de performance

Les modles de performance relient les tats de sollicitations issus des modles de calcul avec les

dgradations des chausses. Ils sont gnralement obtenus en combinant des rsultats d'essais en laboratoireavec l'observation du comportement rel des chausses. Ils permettent d'exprimer le nombre de cycles d'unesollicitation donne qu'une chausse est mme de supporter avant de prsenter une dgradation jugeinadmissible .

Ces deux types de modles dpendent d'un mme et unique phnomne : le comportement des matriauxbitumineux et ne sont en principe pas indpendants. L'existence d'une sparation de ceux-ci dans lesmthodes de dimensionnement provient gnralement de la prise en compte de donnes empiriques dans lesmodles de performance.

La mthode franaise de dimensionnement des structure de chausses est une mthode mcanique

empirique .

Mthode incrmentale

Au niveau europen, un projet de fonctionnement pour une mthode incrmentale a t propos , dfini dansle schma ci-contre.

Cette mthode envisage d'tudier l'volution d'une chausse dans le temps (t) en cumulant l'effet, exprim entermes de dommage (D), de chacune des sollicitations induites par les charges de trafic.

Une telle mthode doit permettre de limiter, voire de supprimer, l'importance des donnes empiriques dans ledomaine du dimensionnement des chausses routires. Cette dmarche prvoit de tenir compte de l'effetd'une sollicitation non seulement sur l'tat de la chausse (gomtrie), mais galement sur l'volution des

proprits des matriaux en fonction du dommage subi. Elle doit galement intgrer l'effet des variations detemprature et les donnes relles de trafic sans avoir recours la notion de trafic quivalent .

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Schma de fonctionnement dune mthode incrmentale de

dimensionnement - (source : COST 333/1999)

La mise en place d'une telle mthode s'avrecependant trs complexe cause des nombreusesinteractions entre les phnomnes pris en compte.Ainsi, pour chaque nouvelle charge de traficagissant l'instant t, il s'agit de dterminer unsupplment de dommage en tenant compte nonseulement de linfluence des conditions

climatiques que les proprits des matriaux cetinstant t, mais galement des dommages djsubis par la structure. La difficult rsidegalement dans le trs grand nombre de donnes(trafic, climat, lien entre les deux, etc) souventdifficilement disponibles .

Des tudes rcentes (2003) ont montr quil taitpossible dintroduire dans les mthodesmcaniques empiriques des notions devariabilits des facteurs intervenant dans le

dimensionnement des chausses. Il sagit dunpremier progrs .

Sollicitations prendre en compte

Le seul trafic qui intervienne dans ladtrioration des structures de chausse tantcelui des poids lourds, cest ce trafic qui doit trecaractris, la fois par le nombre de poidslourds qui passeront sur la chausse pendant sa dure de dimensionnement , et par leuragressivit.

Deux lments perturbateurs conduisent ce que les charges relles qui sexercent sur la chausse sont enralit suprieures aux charges limites prescrites par la rglementation. Le premier est li aux effetsdynamiques qui apparaissent lorsque le vhicule est en mouvement. Certains de ces effets, tels que lasurcharge des roues extrieures dans les virages, ou la surcharge des roues avant, lors du freinage, restent trsmodrs. Par contre, les oscillations des vhicules lies aux dfauts duni de la chausse induisent des

surcharges brves, mais rptes, dont la valeur instantane peut tre du mme ordre que la charge statique etconduire doubler leffort sur la chausse. En fait, on ne sait gure prendre en compte ces effets dynamiquesdans le calcul des chausses. Ils sont intgrs de faon implicite dans les coefficients de scurit desmthodes pratiques de dimensionnement.

Plus notables, car permanentes et amplifies par les effets dynamiques, sont les consquences des surchargesdes vhicules. Elles sont dautant plus redoutables que leffet destructeur est, pour certaines chausses,

proportionnel une puissance leve de la charge des essieux.

Essieu de rfrence

Article dtaill : Charge l'essieu.

Tout modle de charge sappuie sur une charge lessieu de rfrence dont la valeur varie avec les pays : 13 t

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pour la France, 8,16 t pour la Suisse (venant de lessai AASHO), 10 t pour les Pays-Bas. La tendancegnrale actuelle en Europe va vers lutilisation dun essieu de 11,5 t qui correspond la limite lgale decharge dun essieu simple moteur admise par lUnion Europenne .

Loi de puissance pour le trafic quivalent

Pour bien apprhender l'effet d'une multitude de charges diffrentes partir d'une charge de rfrence, il

convient de faire intervenir la notion de coefficient dquivalence. Des tudes des rsultats de l'essaiamricain AASHO ont montr qu'une bonne approximation peut tre obtenue par la formule suivante :

avec : Ki= coefficients d'quivalence (nombre d'essieux standards quivalents pour une charge Pi)

Pi= charge d'un essieu i

Pref

= charge de l'essieu standard de rfrence

= coefficient de charge ou puissance

Le coefficient de charge dpend du type de structure tudie : pour les chausses souples, une valeur de 4donne de bons rsultats alors quil faut aller jusqu des valeurs de 12 pour des structures rigides. Lesnombreuses tudes sur le sujet proposent diverses valeurs pour la puissance, comprises entre 2 et 6(chausses souples) et entre 8 et 33 (chausses composites ou rigides) . De faon gnrale, on observe quela puissance augmente avec la rigidit de la chausse.

Cette formule montre l'impact que peut avoir sur une structure de chausse le dplacement de poids lourds ensurcharge puisque, pour une chausse souple, cette surcharge a un impact en rapport lev la puissance 4.

Prise en compte de la variabilit des vhicules

L'effet d'un essieu form de plusieurs axes n'est pas gal la somme des axes isols. De mme lutilisationde pneus simples en lieu et place des jumelages ou les nouveaux types de suspension ont une influence sur lecalcul des charges quivalentes de trafic. Pour tenir compte de ces phnomnes, on applique des coefficientsde correction la loi de la puissance. LOCDE a propos une formule dfinissant le dommage avec descoefficients tenant compte des facteurs relatifs la technologie des vhicules et leur configuration :

avec (notation selon lOCDE) :Di = dommage caus par un essieu (selon la dfinition OCDE)Pi = charge totale dun essieu iPref = charge de l'essieu standardk1 = coefficient pour le type d'essieuxk2 = coefficient pour le type de pneuk3 = coefficient pour le type de suspension = coefficient de charge, galement appel puissance Les facteurs intervenant dans cette formule dpendent du type de structure pour lesquelles le trafic doit trecalcul. Pour des structures souples et pour des cartements des axes des essieux tandem et tridem compris

entre 1,35 et 1,50 m, les valeurs suivantes sont proposes :

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Facteurs Caractristiques Valeurs

Puissance 4

k1

Essieu simple 1.0

Essieu tandem 0.6

Essieu tridem 0.45

k2Roues jumeles standards 1.0Roues simples standards 1.3

Roues simples super-larges 1.2

k3Suspensions traditionnelles 1.0

Suspensions air 0.95

Le trafic pour le dimensionnement empirique

Pour permettre le dimensionnement empirique dune chausse, il convient donc d'exprimer le trafic lourd ennombre d'essieux quivalents (en anglais ESAL : Equivalent Standard Axle Load), supports pendant ladure de vie, en tenant compte du type de chausse (souple ou rigide) et du type d'essieu (simple, tandem outridem) des vhicules lourds .

Cette procdure ncessite des pesages dtaills des vhicules, fournissant la charge et le type de chacun desessieux. Si ces donnes ne sont pas disponibles, diverses mthodes d'estimation bases sur des analyses detrafics existent .

Influence du trafic sur les structures rigides

La nature et l'importance du trafic interviennent surtout dans le calcul de l'paisseur des diffrentes couchesde la chausse. La rptition des charges du trafic entrane un phnomne de fatigue dont on doit tenircompte. Les contraintes induites par le trafic dans le revtement sont d'autant plus leve que la portance deson support est faible et que la dalle est mince, d'autres facteurs peuvent entraner une modification de leurimportance. il s'agit notamment de la position de la charge sur la dalle, des conditions de drainage en gnralet, en particulier, de la prsence accidentelle d'eau l'interface dalle/fondation. L'influence de ces facteurs estd'autant plus grande que le trafic est lourd et intense. Lorsqu'un vhicule se dplace sur un revtement en

bton, il induit dans la dalle des contraintes de flexion dont l'amplitude dpend : - de la portance de l'assise; -du poids de l'essieu; - de la position des roues.

Il a t tabli que le cas de chargement le plus dfavorable est celui o la roue se trouve en coin de dalle. Lescontraintes diminuent sensiblement lorsque la roue se trouve en bord de dalle et s'loigne du joint transversalet sont minimales lorsque la charge est situe en milieu de dalle.

La recherche de modles mathmatiques pour les systmes multicouches qui constituent les chausses a faitlobjet de nombreux travaux, marqus par les principales tapes suivantes.

Modle de Boussinescq (1885)

Cr et utilis initialement en mcanique des sols, ce modle sappuie sur un massif lastique semi-infinisoumis laction dune charge statique ponctuelle .

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Modle bicouche de Westergaard (1926)

Harald Westergaard tait un danois, professeur l'Universit de lIllinois. Il cre le premier vrai modleddi aux chausses. La simplicit du modle retenu (modle bi-couche en termes daujourdhui) associe augnie mathmatique de Westergaard lui permirent dexprimer les contraintes sous forme dquationsexplicites simples et la porte de tous .

Ce modle donne les contraintes et dformations dun systme constitu dune plaque reposant sur un solassimil un ensemble de ressorts verticaux sans connexions horizontales communment appel fondationde Winkler, dont le dplacement vertical en un point est proportionnel la pression verticale en ce point .

Cela implique que le sol ragit de manire lastique et uniquement dans le sens vertical. Or, le sol ne secomporte pas comme un massif lastique : il accuse des dformations permanentes. La raction du sol n'estdonc pas strictement verticale : les contraintes se dispersent en profondeur et des contraintes de cisaillementsne sont pas exclure.

Tous les spcialistes reconnaissent aujourdhui que le modle de Westergaard surestime les contraintes .

Modle bicouche de Hogg (1938)

Il donne les contraintes et dformations dune plaque reposant sur un massif lastique semi-indfini de typeBoussinescq .

Modle de Burmister (1943)

Il fallut attendre prs de 20 ans avant de disposer dun modle pour les chausses souples. Cest en 1943 queBurmister, professeur lUniversit de New-York, publia sa solution du multi-couche lastique. Celui-ciconnut un succs foudroyant : dj cette poque les chausses et les arodromes taient constitus de plus

de deux couches. Le dveloppement rapide de linformatique lui procura en outre les outils ncessaires sonexploitation .

Il aborde et traite le problme gnral dune structure n couches reposant sur un massif lastiquesemi-indfini. Les principales particularits du modle sont les suivantes :

les couches sont traites comme des structures lastiques (et non comme des plaques),les interfaces entre couches peuvent tre colles ou dcolles,le cas de charges complexes (jumelages, essieux tandem ou tridem etc.) peut tre trait en additionnant leseffets des charges lmentaires,sa principale limitation rside dans le fait que, comme dans le modle de Hogg, les couches sont infinies en

plan,dans le cas des dalles en bton, il est notamment ncessaire de le complter par un modle aux lmentsfinis pour valuer les consquences des charges en bord ou en angle de dalle.

Modle de Jeuffroy (1955)

Ce modle assimile la chausse un tricouche (plaque mince sur un modle de Burmister), a permis pour lapremire fois dtablir un systme trs complet dabaques. Il a constitu pour les ingnieurs franais unetape fondamentale vers plus de rationalit dans le dimensionnement des chausses .

Utilisation de modles aux lments finis

La mthode des lments finis (Cesar-LCPC en France notamment) simpose enfin chaque fois que desmodles multicouches continus, lastiques et linaires savrent trop simplistes. Cette approche permet

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notamment de traiter les cas suivants :

caractre tridimensionnel de la structure du fait de gomtries non infinies en plan,non linarit ou volution des conditions de contact,comportement viscolastique des matriaux sous charges roulantes, etc.

Ce sont, en fait, les progrs de linformatique qui ont permis le dveloppement de lutilisation de cesmodles, et notamment du modle de Burmister, base de la mthode franaise de dimensionnement deschausses.

A lheure actuelle il existe dans le domaine des multi-couches, avant tout rservs aux chausses souples, denombreux logiciels de calcul rputs plus performants les uns que les autres. Ces logiciels vont du simpleoutil de calcul des contraintes aux modles que lon pourrait qualifier de complets et qui permettent dedterminer les dures de vie prsumes des chausses en fonction de donnes relatives aux trafics, auxcaractristiques mcaniques des matriaux et aux conditions climatiques ; lensemble de ces donnes peut de

plus tre trait de manire probabiliste.

Le logiciel de calcul le plus utilis en France est Aliz , mis au point par le Laboratoire central des ponts et

chausses, et distribu exclusivement par la socit itech.

Ces modles, reliant les tats de sollicitations issus des modles de calcul avec les dgradations deschausses, sont un lment cl dans les nouvelles mthodes de gestion de lentretien des routes, notammentlorsquelles visent optimiser lemploi des budgets dentretien sur plusieurs annes. Une collaboration entreles chercheurs du LCPC et du MTQ en 2007 a permis une exploitation commune des donnes recueillies parles deux organismes sur des sections tests dment identifies en appliquant les mthodes dj mises enuvre au LCPC pour dvelopper des modles de performance .

La mthode des lois de survie applique aux chausses, la mthode statistique indirecte, et la mthode dergression dite non linaire directe ont pu ainsi tre appliques et amliores. Le dveloppement demodles partir de variables explicatives sest rvl trs efficace pour reprsenter le comportement rel deschausses et analyser des stratgies dintervention sur plusieurs cycles de vie. Le dveloppement desmodles de performance devrait tre tendu aux autres types dintervention avec lidentification desvariables explicatives pour les intgrer aux systmes de gestion des chausses .

COST 333 1999 (European cooperation in the field of technical and scientific research Action 333: Development ofnew bituminous pavement design method (http://w3.cost.esf.org/index.php?id=240&action_number=333)1.

Jacques Perret (2004), Modlisation des charges dessieu, p 62.Conception et dimensionnement des structures de chausse - Guide technique, Paris, SETRA, 1 dcembre 1994, 266 p.(ISBN 2-7208-7010-2)

3.

Jacques Perret (2004), Modlisation des charges dessieu, p 74.Jacques Perret (2004), Modlisation des charges dessieu, p 85.Jacques Perret (2004), Modlisation des charges dessieu, p 96.(en)David Cebon,Handbook of Vehicle-Road Interaction., Lisse, Swets & Zeitlinger, septembre 1999, 600 p.7.Effets des vhicules lourds de marchandises, Paris, OCDE, coll. Rapport , dcembre 19828.Jacques Perret (2004), Modlisation des charges dessieu, p 129.Jacques Perret (2004), Modlisation des charges dessieu, p 2010.

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13.

Cours de Routes Universit libre de Bruxelles, Dimensionnement structurel des chausses en Belgique, p 10014.

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18.

Cours de Routes Universit libre de Bruxelles, Dimensionnement structurel des chausses en Belgique, p 4319.Quang Dat Tran (2004), Modle simplifi pour les chausses fissures multicouches - Thse, p 2120.Prsentation du logiciel Cesar-LCPC (http://www.lcpc.fr/fr/produits/cesar/presentation/index1.dml)21.Prsentation du logiciel Aliz (http://www.lcpc.fr/fr/produits/alize/index.dml)22.Philippe Lepert, Yves Savard, Diane Leroux (2007), tablissement des modles de performance des chausses - Projet decoopration franco-qubcois

23.

Articles connexes

Mthode franaise de dimensionnement des chausses.

Bibliographie

Conception et dimensionnement des structures de chausses. Guide technique. Bagneux. SETRA - Paris -dcembre 1994Jacques Perret, Dformations des couches bitumineuses au passage d'une charge de trafic(http://library.epfl.ch/theses/?nr=2786) - Thse EPFL (cole polytechnique fdrale de Lausanne), no 2786(2003)Vincent Domec, Endommagement en fatigue des enrobs bitumineux en conditions de "trafic simul" et detemprature (http://www.lcpc.fr/fr/recherches/th_soutenues/doc/routes/these_domec.pdf) Thse LCPC[PDF]Jacques Perret,Modlisation des charges dessieu (http://biblion.epfl.ch/EPFL/theses/2003/2786

/EPFL_TH2786.pdf), Lausanne, Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne, septembre 2004, 103 p.Direction gnrale des autoroutes et routes (MET) - Belgique,Dimensionnement et renforcement deschausses (http://ir2008.bepolytech.be/tmp/IR3/CC/4e%20(par%20Oli)/Route/Cours

/chap6_dimensionnement/DimMET-Aide-Version%202.2.doc), Bruxelles, 2001, 60 p.[PDF]Universit Libre de Bruxelles,Dimensionnement structurel des chausses en Belgique(http://ir2008.bepolytech.be/tmp/Old%20(2007)/IR4/!!%20Cours%20CC/CNST286%20Van%20Rooten

/chap6_dimensionnement/chap6.pdf), Bruxelles, coll. Cours de routes chapitre 6 [PDF]Direction du laboratoire des chausses - Qubec,Mission au LCPC de Nantes dans le cadre delopration de recherche 11P063 Outils avancs de calcul et de dimensionnement des structures de

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[PDF]Michel Vaillancourt,Dimensionnement des chausses au Qubec (http://www.aqtr.qc.ca/documents/Congres_2009/pdfs/Texte_MichelVaillancourt.pdf), Qubec, cole de Technologie Suprieure, 2003[PDF]Quang Dat Tran,Modle simplifi pour les chausses fissures multicouches(http://pastel.paristech.org/1026/01/memoireDat.pdf) - Thse, Paris, cole Nationale des Ponts etChausses, 2004[PDF]Philippe Lepert, Yves Savard, Diane Leroux,Etablissement des modles de performance deschausses (http://www.mtq.gouv.qc.ca/portal/page/portal/Librairie/Publications/fr/ministere/recherche

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