ÉTUDE DU CONCEPT DE STRUCTURE INVERSE ÉTUDE DU CONCEPT DE STRUCTURE INVERSE POUR LE RENFORCEMENT DE CHAUSSÉESPOUR LE RENFORCEMENT DE CHAUSSÉES

SOUMISES AUX CHARGES D’AUTOBUS URBAINSSOUMISES AUX CHARGES D’AUTOBUS URBAINS

Pierre Gauthier, ing.

6 novembre 2007

Séminaire INFRA 2007

Jean-Marie Konrad, ing., Ph.D.Benoît Bissonnette, ing., Ph.D.

Centre de recherche sur les infrastructures en bétonCentre de recherche sur les infrastructures en béton

Fissurationpar

fatigue

Dégradation structuraleDégradation structurale des chausséesdes chaussées

Déformationstructurale

Dégradation structuraleDégradation structuraledes chaussées (suite)des chaussées (suite)

Renforcer de façon optimisée les chaussées soumises aux charges d’autobus urbains

S’attaquer aux causes des problèmes rencontrés et non à leurs effets

Utiliser le plus possible les matériaux recyclés disponibles localement

Viser un meilleur rapport bénéfices/coûts

Objectifs du projet Objectifs du projet de développementde développement

Charges : - conception : 80 KN (1.0 ECAS)- légale : 100 KN (2.2

ECAS)- autobus : 115 KN (4.0

ECAS)

Gel & dégel : - portance réduite au dégel- contrôle inexistant au dégel

Particularités : - trottoirs & bordures (rehaussement impossible)- services publics à conserver (750 mm de profondeur)

Sollicitations et contraintesSollicitations et contraintesde conceptionde conception

Approche de conception Approche de conception conventionnelleconventionnelle

Principe de renforcement Principe de renforcement à l’aide d’une structure inverseà l’aide d’une structure inverse

Approche de conception Approche de conception mécanistique - empiriquemécanistique - empirique

Sélection du logicielSélection du logicielde conceptionde conception

DAMA (Asphalt Institute)- limite de 5 couches au maximum- impossible de modéliser une couche antifissure

ALIZÉ III (LCPC)- essais de caractérisation français- lois de fatigue et de déformation européennes

KENLAYER (Université du Kentucky)- accepte jusqu’à 19 couches et sous-couches- calcule les essieux avant, simple et multiple

- Modélisation de 8 couches- Élastique linéaire et non linéaire- Essieux avant et arrière- Analyse sur 12 mois

Utilisation du logicielUtilisation du logicielKENLAYERKENLAYER

Module d’élasticité des enrobés :- module d’élasticité dynamique

Caractéristiques physiques des GCR :- module d’élasticité- résistance à la flexion

Caractéristiques des matériaux granulaires :- module d’élasticité- facteur

Charges et trafic

Données d’entrée du Données d’entrée du logiciel KENLAYERlogiciel KENLAYER

1K 21KKE

ModuleModule d’élasticité d’élasticité des des enrobés bitumineux du revêtementenrobés bitumineux du revêtement

Enrobé de type EB-10S

0

5000

10000

15000

20000

25000

Mo

du

le d

ynam

iqu

e (M

Pa)

50 km 16479 16479 16479 14248 7762 4778 3626 4157 6925 11618 16479 16479

30 km 15249 15249 15249 12979 6720 4033 3031 3490 5956 10366 15249 15249

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. déc.

Module d’élasticité des Module d’élasticité des Graves Ciment Recyclées (GCR)Graves Ciment Recyclées (GCR)

0

5000

10000

15000

20000

25000

E (

MP

a)

GCR-4% 11752 11177 9491 7801 7100 7100 7100 7100 7100 7481 8985 10794

GCR-6% 15899 15119 12835 10551 9600 9600 9600 9600 9600 10122 12150 14599

GCR-8% 20535 19528 16577 13628 12400 12400 12400 12400 12400 13073 15693 18856

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. déc.

Rapport A/G= 0.33

Résistance à la flexion des Résistance à la flexion des Graves Ciment Recyclées (GCR)Graves Ciment Recyclées (GCR)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

Rf (

MP

a)

GCR-4% 3.1 3.0 2.5 2.1 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 2.1 2.4 2.9

GCR-6% 4.0 3.8 3.2 2.6 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.6 3.0 3.6

GCR-8% 4.8 4.6 3.9 3.2 2.9 2.9 2.9 2.9 2.9 3.2 3.7 4.4

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. déc.

Rapport A/G= 0.33

Variation saisonnière des matériaux Variation saisonnière des matériaux granulaires et du solgranulaires et du sol

Valeur du facteur K1 Valeur du facteur K1 des matériaux des matériaux granulaires de la chausséegranulaires de la chaussée

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

Fac

teu

r K

1 (M

Pa)

MG 63.0 63.0 12.6 5.3 8.4 11.6 14.7 17.9 21.0 21.0 48.5 63.0

ST 37.8 37.8 7.6 3.2 5.0 6.9 8.8 10.7 12.6 12.6 29.1 37.8

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. déc.

ModuleModule d’élasticité du d’élasticité dusol support sol support dede la chaussée la chaussée

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

E (M

Pa)

SS 230.0 345.0 345.0 13.0 19.7 26.3 33.0 39.7 46.3 53.0 53.0 115.0

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. déc.

Répartition du nombre d’autobusRépartition du nombre d’autobussur le réseau artérielsur le réseau artériel

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

1 6 11

16

21

26

31

36

41

46

51

56

61

66

71

76

81

86

91

96

10

1

10

6

11

1

11

6

12

1

12

6

13

1

13

6

14

1

14

6

15

1

15

6

16

1

16

6

Nombre de tronçon

Au

tob

us

/ J

ou

r

(RTC 2004)

Principaux résultats Principaux résultats de la modélisationde la modélisation

Prédiction de l’endommagement de la GCR :

- rapport t / Rf

Calcul du nombre de passage maximum :- rupture par fatigue- déformation permanente

Calcul de la durée de vie en année :- facteurs d’endommagement relatif- rapport fatigue/déformation

Conception de chaussée à structure inverse

Prédiction de l’endommagementPrédiction de l’endommagementde la couche de GCR de la couche de GCR

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. déc.

t /

Rf

ESSIEU ARRIÈRE

ESSIEU AVANT

SEUIL D'ENDOMMAGEMENTPAR FATIGUE

FATIGUE

1

10

100

0 1 10 100

f (10

+5)

e t (10

-6)

E SSIE U AVANT

E SSIE U ARRIÈ RE

E (Max.) Hiver

E (M in.) É té

Relation entre la déformation en Relation entre la déformation en tension et le nombre de passagestension et le nombre de passages

Loi de fatigue

32EB1ff

tf EfN e

DÉFORMATION

1

10

100

0 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

d (10

+5 )

e c (10-6 )

ESSIEU AVANTESSIEU ARRIÈRE

Relation entre la déformation en Relation entre la déformation en compression et le nombre de passagescompression et le nombre de passages

Loi de déformation54

f

cd fN e

Chaussée flexibleChaussée flexibleEndommagement relatif Endommagement relatif

End

omm

agem

ent

rela

tif (

%)

End

omm

agem

ent

rela

tif (

%)

FATIGUE

0

5

10

15

20

25

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. dec.

ESSIEU ARRIÈRE

ESSIEU AVANT

DÉFORMATION

0

5

10

15

20

25

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. dec.

ARTÈRE PRINCIPALE

TRAFIC D'AUTOBUS: 250 A/jVITESSE DES AUTOBUS: 50 km/h

(mm) (mm)1) EB-10S 40

2) EB-20 70Revêtement: 110

3) MG 450

4) ST 450Épaisseur Totale: 1010

5) SS1 790

6) SS2 -------

ENDOMMAGEMENT RELATIFFatigue: 100%Déformation: 20%

DURÉE DE VIE: 5 ans

Chaussée Chaussée inverseinverseEndommagement relatifEndommagement relatif

DÉFORMATION

0

5

10

15

20

25

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. dec.

En

do

mm

agem

ent

rela

tif

(%)

FATIGUE

0

5

10

15

20

25

janvier février mars avril mai juin juillet août sept. octobre nov. dec.

En

do

mm

agem

ent

rela

tif

(%)

ESSIEU ARRIÈRE

ESSIEU AVANT

End

omm

agem

ent

rela

tif (

%)

End

omm

agem

ent

rela

tif (

%)

ARTÈRE PRINCIPALE

TRAFIC D'AUTOBUS: 250 A/jVITESSE DES AUTOBUS: 50 km/h

(mm) (mm)1) EB-10S 40

2) GBR 70

3) MAF 100

4) GCR 100Renforcement: 310

5) MG 250

6) ST 450Épaisseur Totale: 1010

7) SS1 790

8) SS2 -------

ENDOMMAGEMENT RELATIFFatigue: 100%Déformation: 10%

DURÉE DE VIE: 26 ans

Conception de chaussées àConception de chaussées àstructure inversestructure inverse

ÉPAISSEUR DE LA GCR EN FONCTION DE SA TENEUR EN CIMENT ET DE LA VITESSE DES VÉHICULES

0

50

100

150

200

250

Vitesse des véhicules

Ép

aiss

eur

de

la G

CR

(m

m)

4%

6%

8%

50 km/h

4%

6%

8%

30 km /h

Trafic: 450 A/jDurée de vie: 25 ans

Conclusions etConclusions etrecommandations recommandations

Les chaussées à structure inverse permettent d’entrevoir :

- une très grande durabilité (25 ans); - des excavations peu profondes (350 à 450 mm); - l’utilisation de GCR à faible teneur en ciment (4%); - le recyclage de matériaux disponibles localement; - des réhabilitations futures limitées à la surface. Des planches d’essais sont nécessaires afin d’évaluer

le comportement et d’établir le rapport bénéfices/coûts des ces chaussées novatrices.

À SUIVRE… À SUIVRE…