EFFETS DE LA TEMPERATURE SUR LE DIMENSIONNEMENT DES …

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

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Pierre Hornych

LAMES / IFSTTAR

[email protected]

Séminaire de restitution CCLEAR Impact des conditions climatiques sur les infrastructures

routières

03 février 2015

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EFFETS DE LA TEMPERATURE SUR LE DIMENSIONNEMENT

DES CHAUSSEES


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Objectifs

• Etude de l’influence de la température sur le comportement en fatigue des matériaux bitumineux

• Application au calcul de la température équivalente, en utilisant des mesures réelles sur chaussées

• Conséquences pour le dimensionnement des chaussées bitumineuses


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Etude de l’influence de la température sur le comportement en fatigue des enrobés

Synthèse bibliographique + essais IFSTTAR

Variation de e6 avec la température

Méthode de dimensionnement

e6(q).E(q)0,5=Constante


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Calcul de la température équivalente

qeq = température constante conduisant aux même dommage

en fatigue que les variations de température réelles dans la chaussée

Dommage élémentaire pour une température qi : i

iN

1d

qq

Calcul de la température équivalente qeq en utilisant la loi de Miner :

qe

qeq

q

qq

i

6b1

i

i6ii

iiieq

eq 10nn

1

N

1d

qeq dépend :

De la structure de chaussée, des températures dans la chaussée

Des valeurs de module E et de résistance en fatigue (e6) des matériaux, et de leur variation avec la température


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Démarche pour les calculs de température équivalente

- Utilisation de mesures en continu de températures sur 3 sites :

Charente – chaussée à faible trafic Vosges – chaussée bitumineuse Loire Atlantique – chaussée bitumineuse

Hours

0h

-1

h

1h

-2

h

2h

-3

h

3h

-4

h

4h

-5

h

5h

-6

h

6h

-7

h

7h

-8

h

8h

-9

h

9h

-1

0h

10

h -

11

h

11

h -

12

h

12

h -

13

h

13

h -

14

h

14

h -

15

h

15

h -

16

h

16

h -

17

h

17

h -

18

h

18

h -

19

h

19

h -

20

h

20

h -

21

h

21

h -

22

h

22

h -

23

h

23

h -

24

h

Pe

rce

nta

ge

of

the

tru

cks n

um

be

r

0

2

4

6

8

stations means

hourly repartition of heavy trucks, in percentage, for the stations mean,sides traffic in the both, in 2005

- Définition d’une répartition horaire type du trafic, à partir de données provenant de stations de pesage en marche


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Démarche pour les calculs de température équivalente

- Calcul des histogrammes de répartition du trafic par intervalle de température , pour les 3 sites, sur 1an

Distribution des températures à 15 cm dans la chaussée

Classe de Température de 2 °C

-8 -

6

-6 -

4

-4 -

2

-2 0

0 2

2 4

4 6

6 8

8 1

0

10 12

12 14

14 16

16 18

18 20

20 22

22 24

24 26

26 28

28 30

30 32

32 34

34 36

36 38

38 4

0

40 4

2

Po

urc

en

tage

d'e

xpo

sitio

n d

e la

so

nd

e à

-1

5 c

m

0

2

4

6

8

10

12

Charente

Vosges

Loire Atlantique

Calcul incrémental du cumul de dommages avec ALIZE, sur un an :

- calcul des déformations dans la structure, par pas de 1h, avec les variations réelles de température. - calcul du dommage, par pas de 1h avec des valeurs de e6 fonction de la température. - calcul du dommage cumulé – détermination de qeq.


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Exemples d’évolution du dommage avec la température

- Structure de chaussée de référence : 8 cm BB, 16 cm GB, sol PF3

Augmentation du dommage élémentaire avec la température

Est-ce réaliste ?

0,001

0,01

0,1

1

10

100

-10 0 10 20 30 40

Temperature

ele

menta

ry d

am

age x

10

6

e6

BBSG 0/14 bitume 20/30

(Moutier, 1991)

GB 0/14 bitume 60/70

(dela Roche, 1997)

e6(q) .E(q ) 0,5 = constante

lois d’évolution de e6


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Valeurs de température équivalente pour différentes lois

d’évolution de e6 avec la température

Site

Loi de e6 Charente Vosges Loire-

Atlantique

e6(q).E(q)0,5=Constante 19,7°C 17,7°C 19,9°C

GB 0/14 b 50/70 18,3°C 20,1°C 18,7°C

GB 0/14 b 60/70 26,1°C 21,4°C 24,2°C

BBSG 0/14 b 20/30 18,4°C 18,6°C 19,3°C

BBSG 0/14 b 60/70 19,3°C 17,8°C 19,5°C

BBSG 0/14 b 80/100 19,7°C 17,4°C 19,8°C

Valeurs de qeq supérieures à 15 °C, et écarts allant jusqu’à 9°C

suivant le site et la loi de fatigue du matériau bitumineux


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Influence de la loi de variation du module avec la température sur la température équivalente

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

-10 0 10 20 30 40

Temperature (°C)

Module

d'é

lasticité (

MP

a)

GB3 - Expérimental

BBSG - ExpérimentalGB3 - Base de données ALIZE

BBSG - base de données ALIZELois d’évolution du module d’élasticité des enrobés avec la température à 10 Hz

Site

Loi E(q) Charente Vosges Loire-Atlantique

Base de données ALIZE 20,5 °C 17,7 °C 21,1°C

Expérience 23,3 °C 20,5 °C 25,2 °C


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Influence de la température équivalente sur la durée de vie des chaussées

-Structure de chaussée de référence (catalogue 1998) : 8 cm BB, 16 cm GB, sol PF3 – trafic TC320

qeq 15°C 18°C 21°C 24°C

et calculé (mdef) 85 100 119 138

e6(q).E(q)0,5=Const. 104,4 115,8 129,7 146,4

e6 GB 0/14 b 60/70 93,1 95,1 97,2 99,4

(mdef) BBSG 0/14 b 20/30 100,5 108,2 116,7 125,8

Durée

de vie

(années)

e6(q).E(q)0,5=Const. 20,2 15,3 11,5 9,0

GB 0/14 b 60/70 11,9 5,9 2,7 1,5

BBSG 0/14 b 20/30 17,4 11,2 6,8 4,7

Diminution de la durée de vie en fatigue lorsque qeq augmente


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Conclusions

• Les paramètres de fatigue des enrobés bitumineux dépendent fortement

de la température

• L’hypothèse du guide de dimensionnement e6(q). E(q)0,5=Constante ne

semble pas très réaliste

• Valeurs de qeq obtenues pour les 3 chaussées : 17°C à 26 °C

• Les valeurs de qeq dépendent fortement des paramètres des

matériaux E(q) et e6(q)

• La méthode de calcul indique une diminution de la durée de vie en

fatigue des chaussées lorsque qeq augmente

Mais l’étude est basée sur des essais de fatigue avec chargement

continu à 25 Hz – Validité avec des temps de repos ?

Résultat à confirmer par des observations sur chaussées


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Etude complémentaire réalisée à l’IFSTTAR

• Essais de fatigue à 4 températures : 0, 10, 20 et 30 °C, à 25 Hz

sur une GB3 et un EME

80 essais de fatigue par matériau !

Confirmation de l’évolution non monotone de e6 avec la température


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Influence de la température sur l’évolution des courbes de fatigue

•

Nombre de cycles

Module

éla

stique n

orm

alis

é

Module

éla

stique n

orm

alis

é

Nombre de cycles

La forme des courbes de perte de rigidité est différente suivant la température : Basse température : pratiquement pas de perte de rigidité initiale en phase I Haute température : forte perte de rigidité initiale (dissipation thermique, thixotropie ?) Interprétation des essais / comparaison des durées de vie à améliorer ?

Matériau 1 : GB3 Matériau 2 : EME


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Travaux complémentaires

• Travail de fin d’étude de l’ENTPE, réalisé par Hicham CHOUKOUR au printemps 2014

Prise en compte du climat

dans le calcul structurel des chaussées en régionalisant la valeur de la température équivalente

Extension du travail de C. Mauduit et P. Hornych sur la valeur de la température équivalente à 17 départements ; Mêmes principes (calculs, lois de fatigue,…) ; Influence de différents paramètres ;


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Extension à 17 départements

• Départements du rapport « Mauduit » : Trafic et températures : données 2005 • Autres départements : Trafic : données DIR ; Températures : base InfoClimat + modèle de Barber


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Validation du modèle de Barber

• Départements du rapport « Mauduit » : Températures : données 2005

Légende :

températures mesurées

températures calculées d’après

Barber E.S. (1957): Calculation of

maximum pavement temperatures

from weather reports, HRB, Bul 168


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• Calcul de la température équivalente pour :

• la structure 8 BBSG / 16 GB3 / PF3

• Les distributions de trafic par tranches de température (année 2005) ;

• les variations de modules programmée dans Alizé ;

• les lois de fatigue suivantes : loi1 guide SETRA e6(q) = 0,0018 q3 + 0,039 q2 + 1,0220 q + 73,53 loi2 thèse Domec e6(q) = 0,145 q2 – 3,6979 q + 77,67

loi3 Moutier 20/30 e6(q) = 0,0024 q3 + 0,200 q2 - 0,4583 q +133


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Durée de vie perdue

pour la structure

8 BB / 16 GB3 / PF3


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Sur-épaisseur

requise par rapport à

8 BB / 16 GB3 / PF3


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Autres analyses

• Comment peut-on appréhender « simplement » la variation de température dans la chaussée pour un calcul de q équivalente ? • Influence du trafic en terme d’épaisseur de la structure, pour différentes températures équivalentes ; • Influence de la distribution de température sur la température équivalente (année « froide » ou « chaude ») ; • Travail à poursuivre…


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EFFETS DE VARIATIONS SAISONNIERES DANS LES CHAUSSEES


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Introduction

• Examples de mesures de températures dans les chaussées bitumineuses

• Influence de la température sur les mesures de déflexion


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Suivis de température sur chaussée autoroutière (A63)

Temps (jours)

Te

mp

éra

ture

(°C

)

Gradients de température

Date

Eca

rt d

e te

mp

éra

ture

(°

C)

ba

se

BB

TM

/ b

ase

GB


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0 50 100 150 200 250 300 350 400-20

0

20

40

60

Temps (jours)

Tem

péra

ture

(°C

)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Temps (jours)

Gra

die

nt

de t

em

péra

ture

(°C

/cm

)

Température de surface

Température en profondeur

Structure de chaussée : 2,5 cm BBTM

2 ×11cm EME

35cm MTLH.

Suivi de température sur chaussée autoroutière (A10)


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Chaussée autoroutière (A10) Incidence des gradients de température

sur les modules des matériaux

24 mars 8 juin

Profondeur 8h 15h 8h 15h

2,5 cm Temp (°C) 4.5 14.6 26.1 45.3

EEME(MPa) 21000 14300 8000 1500

25 cm Temp (°C) 19.0 20.2 24.6 27.8

EEME(MPa) 11600 11000 8500 7000


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Example d’influence de la température sur la déflexion maximale

Chaussée bitumineuse épaisse : 6 cm BBSG

7 cm BBSG

2 × 12 cm GB

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dé

fle

xio

n (m

m/1

00

)

Température (°C)

Calcul Alizé pour f=0,5 Hz

Calcul Viscoroute pour f=0,5 Hz

Calcul Alizé pour f=2 Hz

Calcul Viscoroute pour f=2 Hz


Calcul Viscoroute pour f=10 Hz

Température (°C)

Dé

fle

xio

n (

mm

/10

0)


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Influence de la température sur la déflexion maximale Dans le cas d’un gradient de température

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dé

fle

xio

n (m

m/1

00

)

Température (°C)

Calcul Alizé pour f=0,5 Hz


Alizé; 10 Hz sans gradient

Alizé 10 Hz avec gradient négatif (Tsurface)

Alizé 10 Hz avec gradient positif (Tsurface)

Température (°C)

Déflexio

n (

mm

/100

)


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Formules de correction de la déflexion maximale

Correction proposée par le

guide renforcement des

chaussées

Tref: 15°C

K depends on structure

T mesurée à mi – hauteur des

couches bitumineuses.

15

151

15

T

K

dd T

.

Formules de correction pour le curviametre

Belgique:

𝑑é𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛 ∶ 𝑑20 = 𝑘 𝑇 𝑑𝑇 𝑎𝑣𝑒𝑐 ∶ 𝑘 𝑇 = 0.00026008T² − 0.02589279T + 1.4111835

Espagne :

𝑑20 =200𝑑𝑇

3𝑇 + 140

Tref : 20°C

T température de surface

Chaussée k

Souple 0.15

Bitumineuse épaisse 0.20

Mixte 0.08

Hydraulique 0.04


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Comparaison des formules de correction de déflexion

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dé

fle

xio

n (m

m/1

00

)

Température (°C)

Déf lexion brute; f=2 Hz

Déf lexion corrigée; méthode guide; f=2 Hz

Déf lexion corrigée; méthode espagnole; f=2 Hz

Déf lexion corrigée; méthode belge; f=2 Hz

Correction satisfaisante entre 5°C et 25 °C

Résultats assez similaires avec les 3 formules

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