Évaluation de l’impact de la pression et des types de pneus sur la résistance en fatigue des

chaussées souples

12 Avril 2011Jérôme Fachon

Damien Grellet - Guy Doré

46 e congrès de l’AQTR

Mise en contexte:o Avantages économiques engendrés par l’utilisation des pneus larges

• Diminution de la consommation d’essence (3 à 12%) et de l’émission des gaz polluants

• Baisse de la résistance au roulement (supérieure à 10%)

• Meilleur contrôle de la pression de gonflage par rapport à des pneus jumelés

• Réduction des coûts d’entretien des véhicules

o En contre partie:• Augmentation de la fissuration de fatigue et des ornières par l’utilisation des premières

générations de pneus à bande large.• Modification significative des propriétés au contact pneu-chaussée (aire de contact,

pression et effort en surface, empreinte au sol)

• Nouvelle conception et nouveau matériau de confection des pneus à bande large qui permettent une augmentation significative de la largeur du pneu.

o D’où:

Première génération:385/65R22.5 et 425/65R22.5

Nouvelle génération:445/50R22.5 et 455/55R22.5

Mise en contexte:o Étude des pneus larges 455/55R22.5 versus jumelés 11R22.5:Les paramètres de charge: Type de pneu, pression de gonflage, chargement du camion, sculpture du pneu (rainure, largeur, hauteur)

>= 1 MPa

0.5 MPa

0.0 MPa

Contrainte verticale statique

Distribution inégale des contraintes verticales, transversales et longitudinales sur l’ensemble de la surface de contact.

Présence d’un espacement inter-pneu et 4 arêtes extérieures pour les pneus jumelés traditionnels

=> Comment se distribuent ces charges dans la structure et quel est l’impact sur la durée de vie ?

État des connaissances Déformation proche de la surface

=>Ornière par fluage/fissuration par le haut(Données théoriques)

Déformation à la base du revêtement =>Fissuration de fatigue

(Données théoriques et expérimentales)

Déformation et contrainte verticale=> Ornière structurale

(Données théoriques et expérimentales)

- Données expérimentales au bas de la couche: déformation longitudinale (sens de roulement) et transversale

En moyenne, augmentation des déformations longitudinales à la base du revêtement de 15% par l’utilisation des pneus à bande large. Plus l’épaisseur du revêtement augmente et plus l’écart absolu entre les types de pneus est réduit (Al-Qadi, 2009).

- Données théoriques au bas de la couche: déformation longitudinale et transversale

Ces données confirment les résultats expérimentaux

Calcul analytique:• Types de réponses obtenues:

Obtention des déformations et des contraintes sur l’ensemble de la structure (profil spatial) Possibilité d’obtenir l’évolution du signal en fonction du temps

Déformation proche de la surface => Ornière par fluage/fissuration par le haut

(Données théoriques)

- Données théoriques proche de la surface (modélisation par éléments finis - logiciel de calcul)

Fissuration de surface et descendante (Top-down cracking): Baisse de 10 % à 15 % du cisaillement dans les premiers centimètres du revêtement bitumineux.

Ornière par fluage de l’enrobé bitumineux: Baisse de 10 % à 20 % de la compression maximale calculée proche de la surface.

Données qui sont fonction de la charge, de la pression de gonflage et de la structure de chaussée.

=> Solution technologique pour déterminer expérimentalement les déformations aux différents niveaux de la chaussée sous l’ensemble du pneu pour des conditions routières nordiques.

Les jauges à fibre optique:• Les jauges à fibre optique sont très fines (diamètre:230 m)

• Deux types de capteurs développés au cours du projet:

La carotte instrumentée:Les jauges sont placées en croisillon dans un corps polymère. La carotte est prélevée sur place et taillée pour permettre l’installation du corps polymère au bas de la carotte et proche de la surface. Après calibration cette carotte est scellée sur le site par de la colle époxy.

La plaque de déformation est composée de 24 jauges à fibre optique. Longue de 500 mm, épaisse de 5 mm et d’une hauteur équivalente à l’épaisseur du revêtement, elle est mise en place par un trait de scie et scellée par de la colle époxy

La plaque de déformation:

Les déformations dans le revêtement:L’association de ces deux techniques permet d’obtenir une déformation suivant les trois axes (x, y et z) et cela à deux niveaux de la structure (bas de la couche et proche de la surface).

Directement sous le centre des pneus d’un tridem Extérieur des pneus

• Déformation longitudinale (suivant Y)

• Déformation transversale (suivant X)

• Déformation verticale (suivant Z)

Sites expérimentaux: Site expérimental routier de l’Université Laval

4 bras en rotation (simple à tridem) Réglage de la vitesse et chargement Choix de la distance de passage Suivi de la construction à la rupture Sections de 80mm et 120mm

Passage successif des charges

3 sections d’étude 50, 100 et 200 mm.

SERUL (Forêt Montmorency)

Section longue de 100 m Instrumentation pendant la

construction ou utilisation de procédé rétrofit

Simulateur routier (manège- Nantes)

Application de la méthode classique: Détermination des bassins de déformation.

• Pneu jumelé traditionnel à 120 Psi, 100 Psi et 80 Psi

Section de 100 mm => SERUL 2009

• Pneu à bande large 455/55R22.4 à 120 Psi, 100 Psi et 80 Psi• Chargement normalisé

• Pneu jumelé traditionnel à 100 Psi, 80 Psi et gonflage inégal (100Psi / 80Psi)

Section de 200 mm => SERUL 2010

• Pneu à bande large 455/55R22.4 à 100 Psi et 80 Psi• Chargement normalisé

Exemple de bassin: Détermination des bassins de déformations par la méthode des maximums de déformation.

• Étape 2: Détermination de la position des jauges sous le pneu (X=0 mm correspond au flanc extérieur du pneu)

• Étape 3: Sélection des extremums locaux

Jauge transversale basse:• Étape 1: Acquisition des données

Modèle empirique

de performance

Réponse des matériaux

(, , d)

Bassins de déformation: Jauge transversale basse:

• Étape 4: Tracé du bassin de déformation.

1 passage => 8 Valeurs 26 passages=> 208 points Courbe d’interpolation

• Étape 5: Réaliser les bassins de déformations pour les deux types de pneus, les différentes pressions, pour les trois types de jauges (longitudinale, transversale et verticale) et les deux niveaux d’analyse (bas de couche et en surface)

Pour un paramètre => 5 bassins de déformations ce qui représente plus de 1 000 analyses de courbe.

Modèle empirique

de performance

Réponse des matériaux

(, , d)

Analyse des résultats:

Transversale Haute

Verticale Haute

Transversale Basse

Pneu jumelé Pneu large

- Approche classique

- Non prise en compte de l’espacement inter pneu

- Influence au niveau des arêtes du pneu- Pente des bassins de déformation

1.43 me/mm

-1.2 me/mm

0.82 me/mm

-0.87 me/mm

-0.34 me/mm

0.334 me/mm

-0.242 me/mm

0.28 me/mm

Jauge transversale section de 100 mm

- Prise en compte des déformations verticales sous le pneu

Analyse des résultats:

Transversale Haute

Verticale Haute

Transversale Basse

Pneu jumelé Pneu large

Jauge transversale section de 200 mm

• Déformations maximales plusfaibles pour le pneu à bande large en surface.

• Déformations plus importantes au bas de la couche.

• Effet réduit de l’influence des arêtes des pneus.

Analyse des résultats:Pneu jumelé à 100 /100 Psi

Pression différentielle dans les pneus du jumelé

Verticale Haute

Transversale Haute

Transversale Basse

Pneu jumelé à 100/80 Psi

Analyse des résultats:• Acquérir, traiter et analyser les signaux afin d’étudier

la mécanique des matériaux et proposer des

paramètres de fatigue spécifiques à chaque mode

d’endommagement. Détermination des bassins de déformations par la

méthode des maximums de déformation.

Identifier les signaux caractéristiques à chaque zone (centre du pneu- arête)

Analyse tridimensionnelle de la déformation.

• Déterminer l’impact du type de pneu et de la pression de gonflage sur le comportement

mécanique de la chaussée. Approche d’un point de vue énergétique: vitesse de sollicitation, cheminement de contrainte.

Identifier l’impact des conditions extérieures

Conclusion:

L’étude avancée de l'effet du type et de la pression des pneus sur le comportement mécanique des chaussées repose sur la mise au point d’outils innovants (carotte et plaque de déformation). Outils qui, de par leur finesse et leur précision, permettent l’acquisition de données qui jusqu’à maintenant, n’avaient pu être déterminées que théoriquement.

Les données recueillies mettent à jour des phénomènes jusqu’alors non pris en compte dans la compréhension de « ce qui se passe » dans les couches supérieures de la chaussée.

Des nouvelles méthodes d’approche vont être à explorer et à considérer, en prenant en compte de nouveaux paramètres, tels que :

• Énergie de contrainte• Vitesse de déformation• Agressivité des contraintes de cisaillement reliée à la pente du bassin des déformations

Merci de votre attention