PROJET DE FIN D’ETUDES - i3c.gci.ulaval.cai3c.gci.ulaval.ca/fileadmin/i3c/documents/Decembre_2012_-_ajouts... · Soutenance présentée le : ... 2.2.1. Types de dégradations d’une

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Spécialité Génie Civil

PROJET DE FIN D’ETUDES

Sujet :

Etude de l’effet des chaussées dégradées sur la consommation de carburant des véhicules et la

sécurité des usagers de la route

Vincent DROUOT Elève ingénieur en 5ème année

Soutenance présentée le : 18 Juin 2010

Résumé

Le projet permettra d’étudier de façon théorique l’effet de la dégradation des chaussées sur la consommation de carburant des véhicules et l’énergie nécessaire au roulement.

Une revue littéraire viendra débuter le projet, ce qui permettra de se familiariser avec les paramètres préjudiciables à la consommation de carburant d’un véhicules, tels que l’uni routier, l’amplitude et la longueur d’onde d’une déformation. Il sera également intéressant de quantifier les pertes d’énergie engendrées par le déplacement d’un véhicule.

La suite du projet sera portée sur des simulations dynamiques du comportement d’un véhicule à l’aide de logiciels d’analyse adaptés que sont CarSim v.8.02 et ProVAL 3.0. Des profils typiques de surface de chaussées, générés par ordinateur, et réels, fournis par le Ministère des Transports du Québec, seront analysés par les logiciels, puis comparés et interprétés, en termes d’uni de la chaussée, de consommation de carburant et d’émissions de gaz à effet de serre, et d’énergie nécessaire au roulement.

Le projet permettra enfin de valider la fiabilité d’un logiciel de simulation pour déterminer théoriquement, à moyen ou long terme, des balises rationnelles pour la révision des seuils de déficiences des chaussées.

Remerciements Avant tout, je tiens à exprimer ma gratitude à Monsieur Guy Doré, professeur titulaire du Département de génie civil à l’Université Laval et directeur de ce projet, pour m’avoir accueilli au sein de son équipe et pour son aide et sa disponibilité tout au long du projet.

Je tiens à remercier Monsieur Eric Chardigny, pour ses conseils et pour avoir aiguillé mes recherches lors de nos prises de contact.

Je remercie également Messieurs Jean-Pascal Bilodeau et Jérôme Fachon, pour leur accueil chaleureux à mon arrivée à l’Université Laval ainsi que pour leur bonne humeur et leur disponibilité de chaque instant.

Mes remerciements vont aussi à Monsieur Louis Gagnon, étudiant en doctorat et collaborateur de ce projet, sans qui le bon déroulement des expérimentations et de l’analyse des résultats auraient été plus difficiles. Ses connaissances en informatique et en mécanique auront permis de faciliter mon travail et d’améliorer mes connaissances dans le domaine de la mécanique automobile.

Mes pensées vont pareillement à toute l’équipe de la Chaire de recherche pour avoir fait en sorte que ce séjour à l’étranger ce soit passé de la meilleure façon possible.

Enfin, pour leur soutien très précieux de tous les instants, j’associe à ce travail mes parents ainsi que toute famille. Je pense surtout à ma compagne Natacha DIVIN qui a su me remonter le moral dans les moments de doute.

Projet de fin d’étude / Vincent Drouot

i Tables des Matières

Table des matières

INTRODUCTION ............................................................................................................................ 1

PARTIE 1 : PRESENTATION GENERALE ........................................................................................... 2

1. La province de Québec .................................................................................................................... 3

1.1. Données géographiques .......................................................................................................... 3

1.2. Données historiques et population ......................................................................................... 4

2. L’Université Laval ............................................................................................................................. 4

2.1. L’Université Laval en quelques mots et quelques chiffres ...................................................... 4

2.2. Le Laboratoire de Géotechnique Routière .............................................................................. 5

2.2.1. Organigramme de l’équipe .............................................................................................. 5

2.2.2. Moyens techniques à disposition .................................................................................... 6

2.3. La Chaire industrielle i3c ......................................................................................................... 7

2.3.1. Origine de la Chaire : Le CRSNG ...................................................................................... 7

2.3.2. Missions et objectifs ........................................................................................................ 7

2.3.3. Partenariats et financements pour la recherche ............................................................ 7

2.3.4. Le GRINCH ....................................................................................................................... 8

2.3.5. Les projets en cours ......................................................................................................... 8

3. Présentation du projet de fin d’études ......................................................................................... 10

3.1. Introduction ........................................................................................................................... 10

3.2. Description générale du projet ............................................................................................. 10

3.3. Objectifs professionnels du projet ........................................................................................ 11

3.4. Objectifs personnels .............................................................................................................. 11

PARTIE 2 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE .......................................................................................... 13

1. Introduction ................................................................................................................................... 14

2. Uni ................................................................................................................................................. 15

2.1. Définition ............................................................................................................................... 15

2.2. Caractéristiques géométriques d’un profil routier (uni) ....................................................... 15

2.2.1. Types de dégradations d’une chaussée ........................................................................ 15

2.2.2. Longueur d’onde ........................................................................................................... 16

2.2.3. Décomposition d’un pseudo-profil de route ................................................................. 18

2.3. Indice de Rugosité International (IRI) .................................................................................... 19

2.4. Autres indices de rugosité ..................................................................................................... 22

3. Effet de la condition des chaussées sur la consommation de carburant ...................................... 24

4. Quantification de l’énergie nécessaire au roulement d’un véhicule ............................................ 29


ii Tables des Matières

4.1. Consommation énergétique d’un véhicule ........................................................................... 29

4.1.1. Les pertes d’énergie ...................................................................................................... 29

4.1.2. Quelques chiffres ........................................................................................................... 30

4.2. Production de Gaz à Effet de Serre (GES) .............................................................................. 32

PARTIE 3 : PRISE EN MAIN DU LOGICIEL DE SIMULATION AUTOMOBILE : CARSIM v.8.02 .............. 33

1. Introduction ................................................................................................................................... 34

2. Etapes à suivre pour effectuer une simulation avec Carsim ......................................................... 35

2.1. Définition des paramètres du véhicule ciblé ......................................................................... 35

2.1.1. Le centre de masse (sprung mass) ................................................................................ 36

2.1.2. Les caractéristiques aérodynamiques (aerodynamics) ................................................. 36

2.1.3. Le groupe motopropulseur (powertrain) ...................................................................... 37

2.1.4. Le type de suspension (suspension type) ..................................................................... 38

2.2. Définition de la trajectoire, la surface de la route et les caractéristiques décrivant

l’environnement routier .................................................................................................................... 39

2.3. Définition du comportement de la voiture (vitesse, trajectoire, freinage, etc.) ................... 41

2.4. Définition du format et du type de résultats désirés ............................................................ 42

PARTIE 4 : REALISATION DES SIMULATIONS DYNAMIQUES ET ANALYSES PARAMETRIQUES .......... 43

1. Introduction ................................................................................................................................... 44

2. Création de profils typiques .......................................................................................................... 44

3. Utilisation du logiciel ProVAL 3.0 .................................................................................................. 46

4. Simulations dynamiques et analyses paramétriques sur Carsim v.8.02 ....................................... 49

4.1. Considérations de départ ...................................................................................................... 49

4.2. Résultats préliminaires .......................................................................................................... 50

4.2.1. Représentation graphique de Qcarbu .............................................................................. 50

4.2.2. Représentations graphiques de Fx et Faéro .................................................................... 51

4.2.3. Analyses paramétriques ................................................................................................ 51

4.3. Effet de l’IRI sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement....... 52

4.3.1. Petites Ondes : 1m < λ < 3.3m ....................................................................................... 52

4.3.2. Moyennes Ondes : 3.3m < λ < 13m ............................................................................... 55

4.3.3. Grandes Ondes : 13m < λ < 40m ................................................................................... 57

4.3.4. Conclusion ..................................................................................................................... 60

4.4. Effet de la longueur d’onde sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au

roulement .......................................................................................................................................... 61

4.4.1. Petites ondes : 1m < λ < 3.3m ....................................................................................... 61

4.4.2. Moyennes ondes : 3.3m < λ < 13m ............................................................................... 62


iii Tables des Matières

4.4.3. Grandes ondes : 13m < λ < 40m .................................................................................... 64

4.4.4. Conclusion ..................................................................................................................... 67

4.5. Effet de la géométrie des déformations sur la consommation de carburant ....................... 68

5. Simulation sur des profils réels ..................................................................................................... 70

5.1. Introduction ........................................................................................................................... 70

5.2. Analyse de l’uni routier des profils réels sur ProVAL ............................................................ 71

5.3. Résultats obtenus après simulation des profils réels sur CarSim .......................................... 73

6. Discussion ...................................................................................................................................... 75

CONCLUSION GENERALE ............................................................................................................. 76

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................ 77


iv Tables des Matières

Liste des figures

Figure 1 : La province du Québec dans le Canada ..................................................................... 3 Figure 2 : Bassin hydrographique du lac Ontario et du fleuve Saint-Laurent ............................ 3

Figure 3 : Vue aérienne du campus de l’Université Laval ......................................................... 4 Figure 4 : Section d’une chaussée représentant un profil longitudinal et transversal .............. 15

Figure 5 : Structure d’une chaussée ......................................................................................... 16 Figure 6 : Schématisation d’une bosse (a) et d’un creux (b) .................................................... 16 Figure 7 : Schématisation sinusoïdale d’une irrégularité ......................................................... 19 Figure 8 : Modèle mécanique du quart de véhicule ................................................................. 20 Figure 9 : Gain en fonction du nombre d’ondes ....................................................................... 20 Figure 10 : Gamme de variation de l’IRI en fonction du type de route. .................................. 21

Figure 11 : Echelle d’appréciation pour le MPR ...................................................................... 22 Figure 12 : Gains en fonction du nombre d’onde lors du calcul du RN .................................. 23

Figure 13 : Modèle mécanique utilisé pour le calcul du HRI .................................................. 23 Figure 14 : Répartition de la dissipation d’énergie en fonction de la vitesse ........................... 31

Figure 15 : Distribution relative des dissipations d’énergie dans un véhicule léger ................ 31

Figure 16 : Définition des caractéristiques de la voiture .......................................................... 35 Figure 17 : Définition des caractéristiques dimensionnelles de la voiture ............................... 36

Figure 18 : Définition du groupe motopropulseur de la voiture .............................................. 37 Figure 19 : Evolution de la consommation de carburant d’un moteur de 300kW ................... 37

Figure 20 : Coefficient de résistance au roulement .................................................................. 38 Figure 21 :Données X et Y définissant la trajectoire sur Carsim – résultat de l’activation (Refresh) ................................................................................................................................... 39

Figure 22 : Données définissant la surface sur Carsim (distance section, élévation sentier G et élévation sentier D .................................................................................................................... 40

Figure 23 : « Screenshot » de l’animation de la courbe sur CarSim v.8.02 ............................. 40

Figure 24 : Coefficient de frottement ....................................................................................... 41 Figure 25 : Fréquences et distances utilisées pour obtenir les paramètres désirés ................... 42

Figure 26 : Allure des profils typiques générés par le script Bash ........................................... 45

Figure 27 : Fichier généré par le script Bash au format ERD lisible dans ProVAL 3.0 ........... 46 Figure 28 : Visualisation graphique du profil routier ............................................................... 47 Figure 29 : Géométrie d’une déformation visible après zoom ................................................. 48 Figure 30 : Résultat de l’action « Analyze » pour le calcul de l’IRI du profil « Ride Quality » sur ProVAL au format PDF ...................................................................................................... 48 Figure 31 : Création de la variable Qcarbu ................................................................................. 49

Figure 32 : Résultat de l’action « Plot » pour la variable Qcarbu ............................................... 50

Figure 33 : Zoom sur la Zone 2 ................................................................................................ 51 Figure 34 : Effet de l’IRI sur la consommation de carburant pour de petites ondes ................ 53

Figure 35 : Effet de l’IRI sur l’énergie nécessaire au roulement pour de petites ondes .......... 54

Figure 36 : Effet de l’IRI sur la consommation de carburant pour de moyennes ondes .......... 56

Figure 37 : Effet de l’IRI sur l’énergie nécessaire au roulement pour de moyennes ondes ..... 57


v Tables des Matières

Figure 38 : Effet de l’IRI sur la consommation de carburant pour de grandes ondes .............. 58

Figure 39 : Effet de l’IRI sur l’énergie nécessaire au roulement pour de grandes ondes ........ 59

Figure 40 : Effet des petites longueurs d’onde sur la consommation de carburant ................. 61

Figure 41 : Effet des petites longueurs d’onde sur l’énergie nécessaire au roulement ............ 62

Figure 42 : Effet des moyennes longueurs sur la consommation de carburant ........................ 63

Figure 43 : Effet des moyennes ondes sur l’énergie nécessaire au roulement ......................... 64

Figure 44 : Effet des grandes ondes sur la consommation de carburant .................................. 65

Figure 45 : Effet des grandes ondes sur l’énergie nécessaire au roulement ............................. 66

Figure 46 : Effet de la forme de la déformation sur la consommation de carburant ................ 69

Figure 47 : Elévation des voies gauche et droite en fonction de la distance pour le relevé 1 .. 71

Figure 48 : Rapport de ProVAL concernant un tronçon de 160m appartenant au relevé 1 et donnant un IRI recalculé de 5.07 m/km ................................................................................... 72 Figure 49 : Comparaison entre les profils réels et typiques en termes de consommation de carburant ................................................................................................................................... 74

Figure 50 : Comparaison entre les profils réels et typiques en termes d’énergie nécessaire au roulement .................................................................................................................................. 74


vi Tables des Matières

Liste des tableaux

Tableau 1 : Projets en cours rattachés au Laboratoire de Géotechnique Routière de l’Université laval. ....................................................................................................................... 9

Tableau 2 : Les trois catégories de longueur d’onde (OCDE, 1984) ....................................... 17

Tableau 3 : Les trois catégories de longueurs d’onde (LPC, 2009) ......................................... 17 Tableau 4 : Gamme de longueur d’onde liée au confort et à la sécurité (OCDE 1984) .......... 18

Tableau 5 : Résumé de la revue de littérature concernant l’incidence de l’uni sur la consommation de carburant ..................................................................................................... 26 Tableau 6 : Longueurs réelles et amplitudes des déformations de tous les profils typiques générés ...................................................................................................................................... 45

Tableau 7 : Résultat de l’étude sur l’effet de l’IRI pour de petites ondes : exemple pour λ = 1m ............................................................................................................................................. 52

Tableau 8 : Estimation du coût annuel en carburant pour le véhicule simulé : exemple pour λ = 1m.......................................................................................................................................... 54

Tableau 9 : Résultat de l’étude sur l’effet de l’IRI pour de moyennes ondes : exemple pour λ = 8m ............................................................................................................................................. 55

Tableau 10 : Estimation du coût annuel en carburant pour le véhicule simulé : exemple pour λ = 8m.......................................................................................................................................... 56

Tableau 11 : Résultat de l’étude sur l’effet de l’IRI pour de moyennes ondes : exemple pour λ = 20m........................................................................................................................................ 58

Tableau 12 : Estimation du coût annuel en carburant pour le véhicule simulé : exemple pour λ = 20m........................................................................................................................................ 59

Tableau 13 : Tableau récapitulatif des conclusions à tirer sur l’étude de l’effet de l’IRI sur la consommation de carburant et sur l’énergie nécessaire au roulement par des simulations sur CarSim ...................................................................................................................................... 60

Tableau 14 : Résultats de l’étude sur l’effet des petites longueurs d’onde : exemple pour IRI = 1m/km ....................................................................................................................................... 61

Tableau 15 : Résultats de l’étude sur l’effet des moyennes longueurs d’onde : exemple pour IRI = 1m/km ............................................................................................................................. 62

Tableau 16 : Résultat de l’étude sur l’effet des grandes longueurs d’onde : exemple pour IRI = 1m/km ....................................................................................................................................... 64

Tableau 17 : Dénivelés des déformations pour h > 10 cm ....................................................... 65 Tableau 18 : Tableau récapitulatif des conclusions à tirer sur l’étude de l’effet de la longueur d’onde sur la consommation de carburant et sur l’énergie nécessaire au roulement à IRI constant ..................................................................................................................................... 67

Tableau 19 : Tableau récapitulatif des conclusions à tirer sur l’étude de l’effet de la forme du profil et des déformations sur la consommation de carburant en fonction de l’IRI ................. 69

Tableau 20 : Sites expérimentaux des profils réels .................................................................. 70 Tableau 21 : Amplitude des élévations des voies gauche et droite pour l’ensemble des profils réels .......................................................................................................................................... 71


vii Tables des Matières

Tableau 22 : Tableau récapitulatif de la détermination des tronçons d’études donnant des IRI de 1 ; 2 ; 3 ; 4 et m/km .............................................................................................................. 72

Tableau 23 : Résultats obtenus pour les IRI recalculés sur ProVAL pour chaque tronçon d’étude ...................................................................................................................................... 73

Tableau 24 : Amplitude des élévations des profils réels créés ................................................. 73 Tableau 25 : Résultats de l’étude sur les simulations de profils réels ...................................... 73


viii Tables des Matières

Sommaire des Annexes

Annexe 1 : Planning prévisionnel de l’organisation du PFE ................................................... 79

Annexe 2 : Dégradations possibles d’un profil routier ............................................................ 80

Annexe 3 : Script Bash générant les profils typiques : exemple d’une longueur d’onde de 8m et d’un IRI = 5m/km ................................................................................................................. 81

Annexe 4 : Résultats de l’étude sur l’effet de l’IRI sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement à longueur d’onde constante .............................................. 83

Annexe 5 : Résultat de l’étude sur l’effet de la longueur d’onde sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement à IRI constant ................................................. 88

Annexe 6 : Résultats de l’étude sur l’effet de la géométrie du profil et des déformations sur la consommation de carburant ..................................................................................................... 89

Annexe 7 : Elévation des sentiers gauche et droit en fonction de la distance pour les relevés 2 à 5. ............................................................................................................................................ 93

Projet de fin d’études / Vincent Drouot

1 GC5 ATE INTRODUCTION

INTRODUCTION

Le Ministère des Transports du Québec utilise l’uni pour établir les priorités d’intervention sur son réseau routier. Pour ce faire, il utilise l’indice de rugosité international (IRI) comme donnée de référence. L’IRI est une valeur qui intègre l’ensemble des déformations d’une chaussée sur une distance donnée. Deux routes ayant la même valeur d’IRI peuvent présenter de grandes différences au niveau des amplitudes de leurs déformations. Les seuils de dangerosité des déformations sont encore mal connus, de même que l’impact de ces déformations sur la consommation de carburant des véhicules. Nous croyons que l’amplitude et la longueur d’une déformation sont des facteurs contribuant à une variation de la consommation de carburant. Par ailleurs, l’énergie que requiert le véhicule pour se déplacer dépend du pneu, qui établit le seul contact avec la route. Compte tenu que les aspérités de la surface ont une incidence directe sur la force de contact entre le pneu et la route, donc sur l’adhérence, la consommation de carburant et l’énergie nécessaire à l’avancement du véhicule vont évoluer en conséquence.


2 GC5 ATE Partie 1 : Présentation générale

PARTIE 1 : PRESENTATION GENERALE



Cette première partie va positionner le projet de fin d’étude dans son contexte géographique et professionnel et va présenter le projet à proprement parlé. Le contexte géographique s’articulera autour d’une présentation de la province de Québec et de l’Université Laval à Québec-ville. Le contexte professionnel sera établi par la présentation de l’organisme d’accueil (l’Université Laval et plus particulièrement le Laboratoire de Géotechnique Routière et la Chaire i3c) ainsi que les personnes physiques ou morales intervenant de près ou de loin dans le projet.

1. La province de Québec

1.1. Données géographiques

La province du Québec fait partie des dix provinces de l’état du Canada qui compte également trois territoires [Figure 1]. Elle s’étend sur environ 1 450 000 km² soit trois fois la superficie de la France et devient ainsi la plus grande province du Canada.

Près de 80% de la population québécoise vit dans les agglomérations urbaines le long du fleuve Saint-Laurent et autour du lac Ontario [Figure 2].

Figure 1 : La province du Québec dans le Canada Source : Google Images

Figure 2 : Bassin hydrographique du lac Ontario et du fleuve Saint-Laurent Source : Google Images



1.2. Données historiques et population

Le nom Québec, qui provient d'un mot algonquin signifiant « passage étroit » ou « détroit », désignait à l'origine le rétrécissement du fleuve Saint-Laurent en face de l'actuelle ville de Québec. Les membres des populations autochtones algonquines et iroquoises sont les premiers à s'établir sur le territoire actuel du Québec. Le Nord de la province abritait la population inuit, qui y est encore aujourd'hui concentrée.

Sur une population totale de près de 7 millions de personnes, le Québec compte plus de 5 millions d'habitants d'origine française, près de 350 000 d'origine britannique et environ 137 000 autochtones.

Le français est la langue maternelle de 83% des Québécois ; environ 10% d'entre eux se disent de langue maternelle anglaise.

2. L’Université Laval

2.1. L’Université Laval en quelques mots et quelques chiffres

L’Université Laval [Figure 3] se situe à l’Ouest de la ville de Québec (capitale de la province de Québec). Fondée en 1663, elle représente le plus ancien établissement d’enseignement supérieur du Canada, le plus ancien établissement francophone du Québec et fait partie des plus grandes et prestigieuses universités du pays. L’université compte aujourd’hui quelques 44 000 étudiants et 2 500 professeurs et chargés de cours sur tout le campus répartis dans plus de 400 programmes d’études. Pour gérer une aussi grosse entité d’études et de recherches (parmi les 10 plus grandes entités de recherche du Canada), l’université dispose chaque année d’un budget de l’ordre de 700 millions CAD (CAnadian Dollar).

Figure 3 : Vue aérienne du campus de l’Université Laval Source : Google Images



2.2. Le Laboratoire de Géotechnique Routière

Le Laboratoire de Géotechnique Routière fait partie du département de Génie Civil qui se situe dans le pavillon Adrien-Pouliot de l’Université Laval.

2.2.1. Organigramme de l’équipe

• Le titulaire :

Guy Doré (ing., Ph.D)

Le Laboratoire de Géotechnique Routière est dirigé par le professeur titulaire Guy Doré de la Faculté des sciences et de génie de l’Université Laval.

Avant son embauche par l’Université en 1997, le professeur Doré était déjà un chercheur reconnu dans le domaine routier.

Rattaché au service des chaussées du Ministère des transports de Québec dont il a assuré la direction en 1992-1993, il a notamment été très actif dans les dossiers de transport lourd. Il a de plus été détaché durant une période de trois ans pour participer, à titre de chercheur invité, au développement de prestigieux programmes de recherche.

Les douze années passées à l’Université lui ont permis de s’établir comme un chercheur d’envergure internationale dans le domaine des infrastructures de transport.

• Les professionnels de recherche :

Pierre Perron (ing.)

A titre de coordonateur, il assure les communications avec les partenaires industriels associés aux différents programmes, il participe à la gestion technique et financière des programmes, il planifie et coordonne les activités de recherche impliquant la participation des partenaires, il aide à planifier les travaux de recherche et il participe à la supervision des étudiants impliqués.

Jérôme Fachon (ing.)

À titre de professionnel de recherche, il prend part à l'organisation et la planification des projets, il participe à la gestion des travaux de recherche et prend en charge les installations expérimentales sur le terrain. Il prend en charge ou supervise la rédaction des rapports et assure la liaison technique avec les partenaires. Il gère également des projets de recherche et innovation pour de nouvelles solutions techniques.

Jean-Pascal Bilodeau (ing., Ph.D)

À titre d'attaché de recherche, il prend part à la documentation des projets, il aide à planifier les travaux de recherche, il participe à la mise sur pied des programmes expérimentaux au laboratoire et sur le terrain, il contribue à la collecte de données au laboratoire et sur le terrain,



il participe à l'analyse et à la diffusion des données et il participe à la supervision des étudiants impliqués.

• Les étudiants :

Le Laboratoire recense 19 étudiants au doctorat, à la maîtrise, au projet de fin d’études (français) et au baccalauréat (équivalent du diplôme d’ingénieur français). Ils sont chargés des projets proposés par les partenaires et par le professeur titulaire accompagné des professionnels de recherche.

2.2.2. Moyens techniques à disposition

Comme tout laboratoire de recherche, le Laboratoire de Géotechnique Routière de l’Université Laval dispose de matériel expérimental sur site et en laboratoire.

- Un bain thermique ; - Une cellule de gel et une cellule de consolidation ; - Une cellule triaxiale ; - Des chambres environnementales ; - Conductivité hydraulique (paroi rigide et flexible) ; - Des outils de détermination : granulométrie, micro-deval, Los Angeles,

sédimentométrie, compactage (Proctor, table vibrante), oedomètre. - Une presse CBR ; - Une presse hydraulique. - Un simulateur routier de sollicitations mécaniques et climatiques de laboratoire

(SIMUL); - Le Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL).

Professionnels de recherche

J.P. Bilodeau (ing., Ph. D) / J. Fachon (ing.)

Coordonateur

P. Perron (ing.)

Professeur titulaire

Guy Doré (ing., Ph. D)

Etudiants gradués

(Doctorats ou Maîtrises)

Stagiaires

(Baccalauréat ou pfe)



2.3. La Chaire industrielle i3c

2.3.1. Origine de la Chaire : Le CRSNG

Le Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG) a crée un programme qui vise à développer des chaires liant l’industrie et la recherche. Pour créer une chaire CRSNG, il faut développer des thèmes de recherches puis avoir l’aval de plusieurs partenaires liés au monde de l’industrie. Lorsque le projet est monté, le CRSNG l’évalue et donne son accord pour que la chaire devienne une chaire de recherche industriel CRSNG. Lorsqu’une chaire bénéficie de ce programme, le CRSNG s’engage à verser une contribution financière égale à celle de l’ensemble des contributions des partenaires. Ainsi, le CRSNG finance 50% d’une chaire de recherche industrielle CRSNG.

La Chaire de recherche industrielle i3c (interaction charges lourdes/climat/chaussées) a été mise sur pied à l’été 2008 et est coordonnée et dirigée par le professeur Guy Doré.

2.3.2. Missions et objectifs

La Chaire i3c travaille au développement des connaissances sur l’interaction entre les charges lourdes des véhicules commerciaux, la performance structurale et fonctionnelle des chaussées et le climat. Elle est donc vouée au développement des solutions aux problèmes qui lient l’industrie du transport routier, les infrastructures s’y rattachant, dans le contexte climatique canadien, le tout inclus dans un programme de recherche assez conséquent.

La Chaire permettra également l’identification, d’une part, de solutions réduisant les dommages aux chaussées résultant de l’action combinée des charges lourdes et du climat, et d’autre part, de solutions améliorant la productivité de l’industrie du transport qui repose en bonne partie sur la qualité de l’infrastructure routière et sur les politiques de gestion du transport lourd.

2.3.3. Partenariats et financements pour la recherche

Le programme regroupe de nombreux partenaires du domaine public ou privé provenant du milieu des transports, des municipalités et des gouvernements. Ces partenaires fournissent en partie ou parfois la totalité des fonds nécessaires à la réalisation des projets (matériels, chargés de projet,…)

Voici la liste des différents partenaires de la Chaire i3c :

- Association du camionnage du Québec (ACQ) ; - Association des constructeurs de routes grands travaux du Québec (ACRGTQ) ; - Association des propriétaires de machine lourde du Québec (APMLQ) ; - BPR ;



- Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) ; - Colas Canada Inc., - FPInnovations ; - Géolab ; - Groupe CTT ; - Groupe Qualitas ; - John Emery Geotechnical Engineering Ltd ; - Michelin Amérique du Nord (Canada); - Ministère des Transports du Québec (MTQ) ; - Opsens Inc. ; - Solmax Texel Géosynthétiques inc. ; - Transport Canada ; - Ville de Montréal ; - Ville de Québec.

2.3.4. Le GRINCH

Le GRINCH (Groupe de Recherche en INgénierie des Chaussées) est un partenariat, au sein de la Chaire i3c, entre le Laboratoire de Géotechnique Routière de l’Université Laval et le

Laboratoire sur les chaussées, routes et enrobées bitumineux de l’Ecole Technique Supérieure (ETS) de Montréal. Ce partenariat et cette complémentarité des domaines d’études, propres aux deux universités, permet de confirmer et comparer les résultats obtenus par chacun des laboratoires et d’améliorer la communication des nouvelles recherches. Un colloque est organisé chaque année par un des deux laboratoires. C’est une occasion pour les deux équipes de se rencontrer et d’échanger les derniers résultats de leurs travaux.

2.3.5. Les projets en cours

Outre les projets proposés par les partenaires de la Chaire i3c, des projets extérieurs, tels que des projets d’expertises, par exemple, peuvent provenir d’intervenants extérieurs, soumis au Laboratoire de Géotechnique Routière par des contrats.

Tous les programmes de recherches du laboratoire [Tableau 1] sont dirigés par le professeur Guy Doré et réalisés par son équipe de professionnels et d’étudiants.



Tableau 1 : Projets en cours rattachés au Laboratoire de Géotechnique Routière de l’Université laval.

Intitulé du projet Partenaire Type d’entente

Date de début

Durée prévu

e Amélioration de la qualité des

chemins d’accès aux ressources et routes locales dans le contexte

canadien

CRSNG Partenariat Avril 2005

5 ans

Centre d’études nordiques Fonds québécois de la recherche sur la

nature et les technologies

Subvention Avril 2009

6 ans

Détermination et optimisation des critères de conception des chaussées

revêtues de pavés en béton en contextes municipal et nordique

CRSNG Partenariat Janvier 2008

3 ans

Expérimentation de méthodes de mitigation des effets de la fonte du pergélisol sur les infrastructures de transport du Nunavik - Aéroport de

Tasiujaq

MTQ (Québec) Contrat Juillet 2007

4 ans

Impact des changements climatiques sur les infrastructures

de transports et adaptation

CRSNG Subvention Avril 2006

5 ans

Impact des changements climatiques sur les infrastructures

de transports et adaptation

CRSNG Subvention Avril 2006

5 ans

Interaction Charges lourdes/Climat/Chaussées (i3C)

CRSNG Partenariat Août 2008

6 ans

Investigations géotechniques - caractérisation du pergélisol et stratégie d’adaptation pour les aéroports du MTQ au Nunavik,

MTQ (Québec) Contrat Juin 2008 3 ans

R&D Support - Permafrost Adaptation Techniques,

Gouvernement du Yukon

Contrat Novembre 2008

1 an

Source : Anne-Sophie Kapp - Mémoire de stage ST2 – INSA Strasbourg – Spécialité Génie Civil



3. Présentation du projet de fin d’études

3.1. Introduction

Les routes canadiennes sont soumises à de fortes contraintes climatiques (vent, neige, gel, variation de température rapide) et doivent faire l’objet d’un attention toute particulière. Bien que le réchauffement global des températures ces dernières années et dans les années à venir tend à atténuer ces contraintes climatiques, les conséquences d’un tel climat seront toujours présentes. Les gouvernements canadien et québécois ainsi que les organismes soucieux de la préservation de l’environnement et concernés par le développement durable se doivent de réagir face à la dégradation rapide et non sans conséquences des chaussées. C’est pourquoi ils créent des partenariats avec les laboratoires de recherche, tel que le Laboratoire de Géotechnique Routière de l’Université Laval, en fondant des Chaires de recherche.

3.2. Description générale du projet

Le projet de fin d’études fait parti du programme de la Chaire i3c, dirigé par le professeur titulaire Guy Doré, en partenariat avec le CRSNG et le Ministère des Transports du Québec, et en collaboration avec Marc J. Richard, professeur titulaire et professeur de dynamique des systèmes mécaniques du département de Génie Mécanique de l’Université Laval. Le PFE s’inscrit dans un thème plus large qui fait l’objet d’une thèse de doctorat menée par M. Louis Gagnon portant sur l’ « Etude de l’effet des chaussées dégradées sur le comportement des véhicules lourds, l’efficacité du transport et le confort et la sécurité des usagers de la route ».

Les travaux concernant la thèse et le PFE ont débuté en même temps. Ainsi, le travail effectué dans le cadre du PFE est mené en collaboration étroite avec M. Louis Gagnon et ne s’occupera que d’une petite partie du projet de recherche général. Il s’agira d’étudier l’effet de la condition des chaussées sur la consommation de carburant des véhicules. L’étude sera exclusivement théorique et sera menée à l’aide d’un logiciel informatique dédié à la simulation du comportement d’un véhicule suivant un profil de route. L’analyse de profils, d’uni routier et des résultats de simulation conduiront à la détermination de la résistance au roulement induite par les déformations de la chaussée. Le présent mémoire et les résultats et analyses qu’il contient seront réutilisés par M. Louis Gagnon dans le cadre de sa thèse de doctorat.

Les thèses de Messieurs Fradette N. [1] et Vassev V. [2] ont inspiré une partie de l’étude bibliographique présentée dans ce mémoire. Cependant, des recherches ont été effectuées quant à la compréhension de ce qu’est l’uni routier, à l’énergie nécessaire au roulement d’un véhicule et aux types de déformations rencontrées sur une route.



3.3. Objectifs professionnels du projet

Le programme de recherche décrit ci-dessus a des objectifs bien précis :

� Le projet vise à améliorer la connaissance sur les phénomènes responsables des déformations de la surface des chaussées et à quantifier l’incidence de ces déformations sur le comportement des véhicules ;

� Le projet pourra, par la suite, à l’aide des acquis précédents, établir les conséquences de ces déformations sur la santé et la sécurité des usagers de la route, sur l’efficacité du transport de marchandise et sur l’émission de gaz à effet de serre ;

� Connaissant les dégâts que peut provoquer la dégradation d’une chaussée, le dernier objectif à moyen terme de ce projet sera de déterminer des balises rationnelles pour la révision des seuils de déficience d’une chaussée.

Dans le cadre plus restreint du PFE, le projet doit répondre à plusieurs objectifs spécifiques :

� Vérifier si l’uni d’une chaussée, en termes d’Indice de Rugosité Internationale (IRI), a des effets sur la consommation de carburant d’un véhicule et l’énergie nécessaire au roulement ;

� Vérifier si les résultats obtenus sur des profils réels, fournis par le MTQ, sont semblables à ceux obtenus sur des profils typiques ;

� Valider ou non l’utilisation d’un logiciel de simulation pour l’étude de l’effet de la dégradation des chaussées sur la consommation de carburant des véhicules.

Afin de remplir tous ces objectifs dans le temps imparti, une méthodologie d’approche (ou plan de travail) a été élaborée par le professeur Guy Doré. Ce plan de travail est présenté sous forme de planning prévisionnel [Annexe 1].

3.4. Objectifs personnels

Le PFE est la dernière expérience étudiante avant le passage à la vie active. Il comporte donc plusieurs objectifs personnels qui vont guider la future intégration d’un jeune ingénieur diplômé dans le monde professionnel :

� Le PFE se déroulant au Québec, il permettra de découvrir l’expatriation professionnelle. Cela comprend aussi bien l’adaptation à un autre mode de travail que la découverte de la culture québécoise.

� Après une introduction aux travaux routiers lors des précédents stages au sein de l’Agence Eurovia Bar-le-Duc, ce projet d’étude sur le comportement des véhicules sur une chaussée dégradée permettra non seulement de continuer et de compléter l’apprentissage des travaux routiers, mais aussi de découvrir le fonctionnement et les méthodes de réalisation d’un programme de recherche routier.

� Le Génie Civil comporte plusieurs domaines : la production, découverte lors de différents stages, les méthodes, le bureau d’étude et le laboratoire de recherche. C’était donc l’occasion d’avoir une expérience au sein de ce dernier domaine qui ne peut être que bénéfique dans la carrière d’un ingénieur en Génie Civil.



� Enfin, ce projet de vingt semaines permettra de mettre en application certaines connaissances acquises durant la formation d’ingénieur à l’INSA de Strasbourg, mais aussi de mettre en avant l’interaction entre le Génie Civil et le Génie Mécanique.


13 GC5 ATE Partie 2 : Etude bibliographique

PARTIE 2 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE



Avant de présenter le projet en lui-même ainsi que les essais réalisés, il convient de procéder à une étude bibliographique exhaustive sur l’effet d’une chaussée dégradée sur le comportement d’un véhicule en termes de consommation de carburant. Cette partie abordera également la quantification de l’énergie nécessaire au roulement d’un véhicule.

1. Introduction

Lorsqu’un véhicule circule sur une chaussée, de nombreux paramètres peuvent modifier son comportement. Qu’ils soient environnementaux, mécaniques ou bien physiques, ces paramètres doivent tous être pris en compte dans l’étude du comportement d’un véhicule sur chaussée. Généralement, les différentes études menées dans ce domaine ne font intervenir que certains paramètres à la fois. En d’autres termes, on peut isoler chaque paramètre et observer son effet sur le véhicule.

Certains paramètres climatiques, tel que l’effet du gel sur la structure des chaussées, font l’objet, encore aujourd’hui, de programmes de recherche comme par exemple l’étude de l’évolution du pergélisol (sol qui ne dégel pas pendant au moins 2 ans) dans le nord du Québec. D’autres paramètres, tel que l’effet du vent, sont désormais bien maîtrisés (amélioration considérable du comportement aérodynamique entre les années 80 à aujourd’hui).

Le domaine qui regroupe le plus de paramètres c’est l’étude du comportement d’un véhicule selon les conditions de la chaussée. D’après Fradette (2005), un véhicule roulant sur une route dont la surface est irrégulière répond à l’excitation à l’aide de sa suspension, mais également par la compression de ses pneus. Les vibrations qui n’auront pas été amorties par la suspension seront ressenties par le conducteur. Ces oscillations sont à l’origine de forces dynamiques de type forces de contact entre le pneu et la chaussée. Il est utile de préciser que, plus le véhicule est lourd, plus les forces sont importantes. Ainsi, ces forces créent des déformations à la surface du revêtement de la chaussée qui sont la source possible de situations dangereuses pour le véhicule [1]:

- Diminuer provisoirement la vision du conducteur ; - Augmenter le degré de fatigue des composants du véhicule ; - Réduire le contact pneu-chaussée ayant pour conséquences une efficacité moindre du

freinage et l’augmentation de la distance de freinage ; - Rendre la conduite inconfortable ; - Altérer la capacité d’exécution du conducteur ; - Provoquer des malaises aux passagers et causer des impacts sur la santé.

Les déformations ne tendent pas à s’atténuer avec le temps. Il est donc essentiel de connaître quelles conséquences peuvent avoir ces déformations, en particulier sur la consommation de carburant et sur la résistance au roulement du véhicule. Il serait bon également de définir les seuils de dangerosité pour lesquels l’entretien de la route sera nécessaire pour modérer une consommation trop élevée. L’étude du profil longitudinal d’une route pourra peut-être permettre d’apporter une réponse à cette problématique.



2. Uni

2.1. Définition

Godlewski (1985) définit l’uni de la chaussée comme un paramètre qui quantifie les variations du profil le long de la chaussée par rapport à un profil fictif parfaitement uniforme. Autrement dit, l’uni est considéré comme l’ensemble des dénivellations d’une surface de chaussée par rapport à son profil longitudinal théorique [Figure 4]. L’uni regroupe toutes les déformations de la surface à l’origine des vibrations du véhicule et constitue un critère d’intervention lorsqu’il présente des conditions de roulement inacceptables [2].

On peut également définir l’uni transversal d’une chaussée mais celui-ci ne provoque des problèmes que si la route présente des orniérages et peut être à l’origine du phénomène d’hydroplanage avec les conséquences que cela entraîne.

L’uni constitue le principal indicateur utilisé par les autorités pour savoir l’état de dégradation d’une route. Il peut être caractérisé numériquement par le calcul de la rugosité.

La qualité de l’uni d’une chaussée est altérée par des défauts de plusieurs natures qui vont se refléter dans le relevé des élévations, le pseudo-profil.

2.2. Caractéristiques géométriques d’un profil routier (uni)

2.2.1. Types de dégradations d’une chaussée

Une route peut présenter un certain nombre de dégradations caractéristiques qui constituent des déformations généralement irréversibles. Parfois ces irrégularités sont invisibles à l’œil nu, mais peuvent apparaître sur le profil de la route.

On peut classer les types de déformations suivant deux critères : celles qui correspondent à des défauts situés dans les couches inférieures de la chaussée, plus précisément dans les couches de forme et d’assise, et celles qui correspondent à des défauts de surface ou à faible profondeur dans la chaussée, c'est-à-dire dans la couche de surface [Figure 5].

Figure 4 : Section d’une chaussée représentant un profillongitudinal et transversal

Source : [4]


16 GC5 ATE

Figure 5 : Structure d’une chaussée

Il existe donc différents types de phénomènes qui viennent déformer la surface de la chaussée pour la rendre inégale. Les ornières en sont un exemple mais ne peuvent pas être prises en compte dans un profil longitudinal puisqu’il s’agit de dépressions longitudinalesles déformations transversales sont visibles sur le

L’annexe 2 [Annexe 2] permet d’être plus complet quant à la nature des dégradations que peut présenter une chaussée.

2.2.2. Longueur d’onde

Une irrégularité présente des caractéristiques géométschématisée telle que le montre le schéma suune bosse) ou une profondeur (pour un creux), mais également et surtout une largeur, qui est conventionnellement appelée la longueur d’onde de la déformation en mètre (m).

Figure 6 : Schématisation d’une bosse (a) et d’un creux (b)

La gamme des longueurs d’onde étudiées sous le terme d’uni s’étend de 0.11 millimètre à 100 m. Un des moyens utiles pour déterminer le mécanisme causant la déformation est de séparer les longueurs d’onde suivant leur grandeur. d’onde (ou ondes courtes) sont généralement causésupérieure de la chaussée, alors que llongues ou ondes moyennesinférieures de la chaussée.

Figure 6 : Schématisation d’une bosse (a) et d’un creux (b)


Partie 2 : Etude bibliographique

: Structure d’une chaussée Source : Google Images

s de phénomènes qui viennent déformer la surface de la chaussée pour la rendre inégale. Les ornières en sont un exemple mais ne peuvent pas être prises en compte dans un profil longitudinal puisqu’il s’agit de dépressions longitudinales

ormations transversales sont visibles sur le profil longitudinal d’une route.

permet d’être plus complet quant à la nature des dégradations que

Longueur d’onde

Une irrégularité présente des caractéristiques géométriques. En effet, une irrégularité peut être ée telle que le montre le schéma suivant [Figure 6]. Elle possède une hauteur (pour

une bosse) ou une profondeur (pour un creux), mais également et surtout une largeur, qui est la longueur d’onde de la déformation et est notée

: Schématisation d’une bosse (a) et d’un creux (b)

La gamme des longueurs d’onde étudiées sous le terme d’uni s’étend de 0.11 millimètre à 100 pour déterminer le mécanisme causant la déformation est de séparer

les longueurs d’onde suivant leur grandeur. Fradette (2005) a défini que les faibles longsont généralement causées par des problèmes s

supérieure de la chaussée, alors que les grandes ou moyennes longueurs d’onde (ondes ou ondes moyennes) correspondent aux mouvements différentiels

Figure 5 : Structure d’une chaussée

: Schématisation d’une bosse (a) et d’un creux (b)

: Etude bibliographique

: Google Images

s de phénomènes qui viennent déformer la surface de la chaussée pour la rendre inégale. Les ornières en sont un exemple mais ne peuvent pas être prises en compte dans un profil longitudinal puisqu’il s’agit de dépressions longitudinales [1]. Seules

profil longitudinal d’une route.

permet d’être plus complet quant à la nature des dégradations que

riques. En effet, une irrégularité peut être possède une hauteur (pour

une bosse) ou une profondeur (pour un creux), mais également et surtout une largeur, qui est et est notée λ, exprimée

La gamme des longueurs d’onde étudiées sous le terme d’uni s’étend de 0.11 millimètre à 100 pour déterminer le mécanisme causant la déformation est de séparer

es faibles longueurs s par des problèmes situés dans la partie

longueurs d’onde (ondes correspondent aux mouvements différentiels des couches

Source : Google Images



Parmi les dégradations référencées dans l’Annexe 2, les ondes courtes regroupent entre autres les fissurations longitudinales, les nids-de-poule, les bosses ou le désenrobage, tandis que les ondes longues regroupent entre autres, les affaissements, les soulèvements différentiels ou encore les pelades.

L’Organisation de Coopération et de Développement Economique (OCDE, 1984) a séparé les longueurs d’onde en trois catégories, comme le dit N. Fradette dans sa thèse [Tableau 2].

Tableau 2 : Les trois catégories de longueur d’onde (OCDE, 1984)

Ondes courtes entre 1.0 et 3.3m

Ondes moyennes entre 3.3 et 13.0m

Ondes longues entre 13.0 et 40.0m

L’OCDE regroupe de nombreux pays tels que le Canada, la France, les Etats-Unis, l’Italie, etc. Dans les analyses d’uni, au Canada, les autorités utilisent les catégories de longueurs d’onde présentées dans le tableau précédent. Bien que la France fasse partie de l’OCDE, les autorités françaises utilisent les catégories du tableau ci-dessous [Tableau 3].

Tableau 3 : Les trois catégories de longueurs d’onde (LPC, 2009)

Petites Ondes (PO) entre 0.7 et 2.8m

Moyennes Ondes (MO) entre 2.8 et 11.3m

Grandes Ondes (GO) entre 11.3 et 45m

Ces catégories ont été déterminées par le Laboratoire des Ponts et Chaussées (LPC) et sont référencées dans la méthode d’essai n°46 relative à la mesure de l’uni longitudinal des chaussées routières et aéronautiques [12].

Plusieurs études ont été menées pour déterminer les effets sur la perception de l’usager selon le type d’onde traversée. Par exemple, Delanne (1999) a mis en avant que la vitesse du véhicule avait une incidence sur le confort du conducteur pour une gamme de longueurs d’onde comprises entre 0.7 et 45.2 m. Ainsi, il y a une relation entre la vitesse du véhicule et longueur d’onde d’un défaut qui s’exprime simplement par :

� � �� (1)

Avec f : fréquence verticale de vibration [ Hz ]

v : vitesse du véhicule [ m/s ]

λ : longueur d’onde de la déformation [ m ]



Ainsi, l’inconfort maximum est ressenti lorsque la roue ou le châssis du véhicule atteint sa fréquence de résonance. Celle de la roue se situe entre 10 et 12 Hz alors que celle du châssis se situe entre 1 et 1.5 Hz. Il faut noter aussi que les longueurs d’onde critiques, correspondant aux fréquences de résonances, augmentent avec une vitesse plus élevée. Sachant tout cela, des limites, en termes de longueurs d’onde, ont pu être établies pour assurer un confort et une sécurité accrue des usagers [1] [Tableau 4].

Tableau 4 : Gamme de longueur d’onde liée au confort et à la sécurité (OCDE 1984)

2.2.3. Décomposition d’un pseudo-profil de route

Un pseudo-profil est une représentation numérique de l’élévation de la surface d’une route en fonction de la distance de celle-ci. Un pseudo-profil de route peut être représenté par une combinaison de plusieurs ondes sinusoïdales distinctes pures. Une vibration sinusoïdale pure se compose d’une seule fréquence. Les vibrations aléatoires causées par la non-uniformité d’une route sont définies comme étant non périodiques. C’est-à-dire qu’aucune fonction mathématique ne peut exprimer l’uni d’un pseudo-profil à cause de la grande quantité de fréquences dont il est composé.[1]

Une onde sinus ou cosinus peut être appelée également une sinusoïde. Une sinusoïde est définie par une longueur d’onde, une amplitude et une phase. L’équation d’une sinusoïde est donnée par la relation :

� � � sin � ��

Avec Y : élévation [ m ]

A : amplitude [ m ]

λ : longueur d’onde [ m ]

X : distance [ m ]

X0 : phase [ m ]

A partir de la schématisation d’une longueur d’onde précédente et de la décomposition d’un pseudo-profil de route en une sommation de sinusoïdes, on peut définir une nouvelle représentation d’une irrégularité comme étant une sinusoïde élémentaire. Donc, l’amplitude de la sinusoïde sera égale à la hauteur de la bosse ou à la profondeur du creux, et la longueur d’onde représente toujours la largeur de l’irrégularité [Figure 7]. [1]

Vitesse (km/h)

Longueurs d’onde liées à la sécurité (m)

Longueurs d’onde liées au confort (m)

40-60 0.6 - 1.6 3.7 – 16.6 90 1.25 – 2.5 8.3 – 25.0 130 1.8 – 3.5 12.0 – 25.0

Source : [2]

(2)



2.3. Indice de Rugosité International (IRI)

Avec le développement exponentiel de l’industrie automobile ainsi que celui des techniques de réalisation des chaussées au début des années 80, l’uni ne pouvait plus être considéré comme un critère pertinent quant à la décision de réhabiliter ou non une chaussée. Ainsi, la Banque Mondiale a développé un modèle qui permet de calculer un indicateur de la qualité de l’uni : l’IRI (Indice de Rugosité International) . Ce modèle, a été développé grâce à une coopération entre le Transportation Research Board américain (TRB), le Federal HighWay Administration (FHWA) et le National Cooperative Highway Research Program (NCHRP).

L’IRI est, par définition, un indice proportionnel aux déplacements verticaux cumulés de l’axe de la roue par rapport au châssis du véhicule. Il correspond à un modèle mécanique, qui renvoie la réaction d’un véhicule excité par les variations d’élévations du profil de la chaussée, pour un véhicule se déplaçant à une vitesse de 80 km/h. Ce modèle mécanique est appelé modèle du quart de véhicule, dont le fonctionnement est illustré par la figure en bas de page [Figure 8] [4].

Le calcul de l’IRI s’effectue à l’aide de l’équation suivante :

�� ∑ |�� |

!"�

Avec �# : déplacement de la masse suspendue

�� : déplacement de la masse non-suspendue

$ : longueur du pseudo-profil

Figure 7 : Schématisation sinusoïdale d’une irrégularité Source : [1]

(3)



La masse suspendue (M) rend compte du mouvement vertical du châssis d’un véhicule alors que la masse non suspendue (m) représente la roue. La suspension, qui relie les deux masses entre elles, est schématisée par l’association d’un ressort linéaire (Ks) avec un amortisseur (Cs). L’autre ressort linéaire (Kt) modélise le pneu, et plus particulièrement le phénomène de suspension du pneu.

Il est important de noter également que le modèle du quart de véhicule procède à un filtrage du pseudo-profil. Comme le montre la Figure 8, la réponse dynamique de la suspension en fonction de la fréquence (en cycles/s) n’est pas linéaire, elle présente deux fréquences d’amplifications et une fréquence d’amortissement. Si on raisonne en cycles/m avec une échelle logarithmique, on obtient la réponse de la figure suivante [Figure 9] [4].

Figure 8 : Modèle mécanique du quart de véhicule Source : [4]

• Masse suspendue

• Pneu

• Route

• Suspension

• Masse non suspendue

Fréquence (Hz)

Rép

on

se d

e la

su

spen

sio

n

Figure 9 : Gain en fonction du nombre d’ondes Source : [4]



On en conclut que les données du pseudo-profil sont filtrées par le modèle du quart de véhicule. Pour un gain de 1, le signal original ne change pas. Pour un gain supérieur à 1, le signal est amplifié. Pour un gain inférieur à 0.5, (très grandes (>30m) et très petites (<1.25m) longueurs d’onde), le modèle élimine de moitié ces longueurs d’onde.

Il existe plusieurs techniques de filtrage des pseudo-profils, mais cet aspect ne sera pas abordé dans ce mémoire. Pour simple information, il existe trois techniques : le filtrage par moyenne mobile, l’utilisation d’un filtre Butterworth, le filtrage par la densité spectrale de puissance.

Le développement de l’indice de rugosité international présente plusieurs avantages :

• Il est stable dans le temps ; • Il est applicable à tous types de routes et de pistes ;

• Il peut être calculé à partir de relevés réalisés avec n’importe quel type d’appareil ; • Il bénéficie d’une reconnaissance internationale.

L’IRI se mesure habituellement par tronçon de 100 m et s’exprime en mètres de déplacement vertical par kilomètre de distance parcourue (m/km). La figure qui suit [Figure 10] présente les différentes valeurs d’IRI en fonction du type de route [4].

Vitesse d’utilisation normale

Perfection absolue

Piste d’atterrissage d’aéroports Autoroutes

Nouveaux revêtements

Revêtements anciens

Routes sans revêtement

Revêtements endommagées

Routes sans revêtement irrégulières

Figure 10 : Gamme de variation de l’IRI en fonction du type de route. Source : [4]



2.4. Autres indices de rugosité

Etant donnée la reconnaissance internationale de l’IRI, il représente l’indicateur de l’uni routier le plus utilisé par les autorités. Cependant, il existe un grand nombre d’indicateurs de la rugosité. La plupart des analyses effectuées dans le passé utilisant ces autres indicateurs et leur méthode associée n’ont pas reçues l’approbation des autorités pour l’une des deux raisons suivantes :

1. Les formats des résultats obtenus ne sont pas bien adaptés aux logiciels d’analyse de profils utilisés par les différentes entreprises.

2. Les résultats obtenus sont en parfaite corrélation avec l’IRI. Il n’est donc pas nécessaire d’utiliser un autre indicateur que l’IRI si celui-ci a déjà été calculé.

On compte huit indicateurs autres que l’IRI permettant de quantifier le niveau d’uni d’une route. La suite de ce paragraphe va présenter brièvement ces huit indicateurs : [4]

« Mean Panel Ratings » (MPR) :

• Indice basé sur l’appréciation moyenne de la sensation de confort lors de la circulation sur une route pour des personnes prises au hasard. Il s’agit d’une approche subjective ;

• Echelle d’appréciation est habituellement comprise entre 0 et 5 [Figure 11]

• Les résultats dépendent des questions et des instructions données au conducteur ;

• Pas de stabilité dans le temps ; • L’étude coûte chère à cause du nombre de personnes requises pour obtenir une

moyenne représentative mais aussi à cause du fait que ces personnes doivent être transportées sur la route à tester.

« Ride Number » (RN) :

• Résultat d’une recherche du NCHRP dans les années 80 ; • Indice de profil prévu pour indiquer le niveau de confort lors de la circulation sur une

route ; • Pas de stabilité dans le temps. Il est nécessaire de le recalculer chaque année ;

Figure 11 : Echelle d’appréciation pour le MPR Source : [4]



• Sensibilité à des longueurs d’ondes plus petites que l’IRI [Figure 12]

• Il est possible de calculer l’IRI à partir du RN mais pas l’inverse.

Half-car Roughness Index (HRI) :

• Algorithme de l’IRI appliqué pour la moyenne de deux profils (voie de gauche et de droite d’une route bidirectionnelle par exemple) [Figure 13] ;

• Les valeurs obtenues pour le HRI sont inférieures à celles obtenues pour l’IRI ; • Les deux profils doivent être parfaitement synchronisés avant d’être moyennés ;

Figure 12 : Gains en fonction du nombre d’onde lors du calcul du RN

Source : [4]

Figure 13 : Modèle mécanique utilisé pour le calcul du HRI Source : [4]



Mays Ride Meter (MRM) :

• Indice calculé avec de la même manière que le HRI mis à part que la vitesse du véhicule peut être variable.

Root-Mean-Square Acceleration (RMSA) :

• Indice calculé en considérant l’accélération verticale du véhicule ; • Corrélation quasi-parfaite avec HRI et IRI si une vitesse de simulation standard est

utilisée ; • Permet de compléter les informations fournies par l’IRI.

Texas MO and Brazil QI :

• Indices calculés sur la base du RMSA

%& � �20 ) 23 + �%,�- ) 58 + �%,��0

Où les valeurs du RMSA sont calculées avec des longueurs de base de 4 et 16 pieds.

1� � 8.54 ) 6.17 + �%,��.� ) 19.38 + �%,��.8

Où les valeurs du RMSA sont calculées avec des longueurs de base de 1.0m et 2.5m.

• Ces indices ont une grande corrélation avec l’IRI ; • Pas d’information supplémentaire fournie.

Present Serviceability Index (PSI) :

• Permet d’évaluer le niveau de service d’une route à l’aide d’un panel d’utilisateurs et d’une analyse statistique.

3. Effet de la condition des chaussées sur la consommation de carburant

De nombreux travaux ont été effectués concernant l’incidence de l’uni sur la consommation de carburant des véhicules lourds et légers. Autant de résultats ont été proposés avec, parfois, des divergences assez significatives. Ces différences proviennent des considérations de départ propre à chaque étude. Parmi les paramètres qui vont influencer les résultats, on peut citer :

• La vitesse du véhicule (constante, variable,…) ; • L’état de la surface de la chaussée (pavées, non pavées, gravier,…) ;

• Le type de véhicule (marque, véhicule lourd ou léger,…) ; • Les caractéristiques mécaniques du véhicule (suspension, pneu,…) ;

• L’énergie nécessaire au roulement du véhicule ; • Le profil géométrique de la chaussée (uni, gradient, courbatures,…).

(4)

(5)



Il faut noter que les premières études ont été faites il y a plus de 30 ans et qu’à cette époque la condition des chaussées dans le nord-américain n’était pas aussi bonne que celle d aujourd’hui. Ainsi, la consommation de carburant dans les années 80 était d’autant plus conséquente que l’entretien des chaussées était moins fréquent et certainement de moins bonne qualité.

Globalement, ce qui ressort des différentes études c’est que la condition de la chaussée influence peu la consommation de carburant, que les nombreuses variables qui affectent cette consommation font en sorte qu’il est difficile d’isoler les effets spécifiques à la condition de la chaussée, et qu’il est nécessaire de rester dans des gammes de valeurs pour le niveau d’uni qui correspondent à des conditions de chaussées réalistes.

Le tableau suivant [Tableau 5], tiré de l’étude bibliographique de Gagnon et al. (2006) concernant l’incidence de l’uni sur la consommation de carburant, résume l’ensemble des points pertinents des ouvrages cités [5].



Tableau 5 : Résumé de la revue de littérature concernant l’incidence de l’uni sur la consommation de carburant

Type de chausséeQualité d'usage / Uni

Les relations empiriques déduites d'un Puisque les résultats réfèrent à laprogramme expérimental sont vitesse libre et que celle-ci varie enintroduites dans un modèle fonction des paramètres de la

Chaussées pavées informatique (TAFA) afin de prédire la Les résultats présentés sont chaussée (type, uni, gradient), il estet non pavées vitesse libre et la consommation de préliminaires et le modèle doit difficile, selon les résultats80 < QI < 200 carburant sur des routes à faible débit être validé présentés, d'évaluer l'impact de

en fonction de différents paramètres l'uni sur la consommation dedont le type de chaussée, l'uni et le carburant

gradientLes résultats d'essais visant à Cette conclusion s'applique à une

Revêtement bitumineux déterminer l'effet de la condition de la plage de valeur d'uni excédantTraitement de surface chaussée et du type de véhicule sur la L'uni a un impact significatif sur largement les valeurs typiquement

Gravier consommation de carburant sont la consommation de carburant rencontrées dans le contexterapportés. Les essais sont effectués à canadien

vitesse constanteRoss souligne les divergences entre lesconclusions des études antérieures. Ilprésente de nouveaux résultats sur la L'uni a un faible impact sur la L'échantillon utilisé pour cette

1 < SI < 4 base d'essais effectués avec trois consommation de carburant étude est petitdiférentes marques de véhicule sur une (1 à 1,5%)

plage d'uni plus représentative de laréalité nord-américaine

Cette large étude rapporte les résultatsBéton et l'analyse d'essais effectués dans L'uni n'a pas d'impact La plage de valeur de PSI

Revêtement bitumineux l'objectif de déterminer l'effet du significatif sur la consommation (1,8 à 4,2) pour laquelle ont étéTraitement de surface gradient, de la courbature, du type et de de carburant dans les condition effectuée les investigations est-elle

Gravier la condition de la surface de la normalement rencontrés sur le représentative du contexte1,8 < PSI < 4,2 chaussée sur la consommation de réseau routier américain canadien?

carburant

3 Ross (1981)

4

Zaniwski et al. (1982)

Zaniewski (1983)

1 Zaniewski (1979)

Zaniewski (1979) (2)2

Particularité de l'étude Conclusions CommentairesSource




Une amélioration de l'unientraînant une diminution de la

résistance au roulement de l'ordrede 10% résultera en une économie

de carburant d'environ 2%Béton Pour l'automobile, une réduction de

Revêtement bitumineux Ces études proposent une approche où l'IRI entraîne une réduction de laTraitement de surface l'on utilise les principes de cinématique résistance au roulement et,

Gravier et de mouvement pour modéliser incidemment, de la consommation11,8 < QI < 74,7 l'énergie requise par les véhicules pour de carburant

se déplacer. Selon le modèle de Curtayne, pour Cette conclusion s'applique à uneChaussées pavées la plage de conditions de chaussée plage de valeur d'uni excédant

et non pavées Différents modèles sont proposés sur la expérimentées, la variation de largement les valeurs typiquement27 < QI < 214 base d'études paramétriques consommation en carburant peut rencontrées dans le contexte

atteindre 20% canadienPour la plage d'uni de cette étude,l'effet de la surface de la chausséesur la consommation de carburant

peut atteindre 7% pour lesautomobiles et 20% pour les

camionsL'iirégularité montre un fort

coefficient de corrélation avec laconsommation de carburant. On

estime que l'irrégularité de laCes ouvrages rapportent les surface peut avoir un impact allant

résultats d'études où sont mises en jusqu'à 12% sur la consommationrelation la texture et l'irrégularité de la de carburant

Niveau d'irrégularité chaussée vs la consommation de Les auteurs concluent que, pour lade mauvais à bon carburant plage de conditions investiguées,

(plage d'uni typiquement l'irrégularité et la macrotexturerencontrés sur des routes peuvent, chacune, entraîner des

locales, des routes augmentations en consommation denationales et des carburant de 0,4L/100 km

autouroutes de France)

Laganier et Lucas (1990)

15 < QI < 80

5 Lu (1985)

6 Bester (1984)

7 Curtayne et al. (1987)

8 DuPlessis et al. (1990)

Particularité de l'étude Conclusions Commentaires

9 Sandberg (1990)

10

Source




Des mesures d'uni et de consommation Une diminution de l'IRI de l'ordrede carburant sont effectuées avant et de 10% entraîne, dans les

après la réalisation de travaux de conditions spécifiques à ce projet,réfection sur un site expérimental une réduction de la consommation

en carburant de 4,5%

L'uni n'a pas d'influence sur laconsommation de carburant lorsque

L'objectif du projet était de mesurer la l'IRI est supérieur à 1,0 m/km.consommation de carburant de camions Toutefois, pour toutes les

lourds sous différentes conditons conditions expérimentales, on noteune diminution de la consommationde carburant d'environ 10% pour

un IRI de l'ordre de 1,0 m/km

Développement d'un modèle (HPP) L'uni n'est pas pris enpermettant de calculer la considération par ce modèle, car

consommation de carburant et les l'uni a un effet, à toute fin presque,émissions de gaz à effet de serre négligeable sur la consommation de

carburant

1 < IRI < 5,5

11 FHWA Westrack (2000)

12 CNRC (2000)

13 FHWA (2001)

Source Particularité de l'étude Conclusions Commentaires

Source : [5]



4. Quantification de l’énergie nécessaire au roulement d’un véhicule

4.1. Consommation énergétique d’un véhicule

4.1.1. Les pertes d’énergie

Un véhicule a besoin d’énergie pour se déplacer. Cette énergie est fournie, à la base, par la combustion du carburant dans le moteur qui transforme l’énergie chimique, apportée par le carburant, en énergie mécanique acheminée jusqu’aux roues par une succession d’éléments mécaniques.

Cependant, l’énergie mécanique utile nécessaire pour mettre en mouvement le véhicule est loin d’être identique à l’énergie fournie au départ. En effet, il y aura une partie de l’énergie dissipée par :

• Les frottements internes mécaniques FV provoqués par, entres autres, la transmission, le convertisseur de couple, le joint de cardan, etc.

• La résistance aérodynamique Faéro provoquée par la pénétration du véhicule dans l’air donnée par la relation :

9:é<= � �� + > + , + ?@ + A@

�

Avec : 9:é<= = force aérodynamique de résistance à l’avancement (ou force de traînée) (en N)

ρ = masse volumique de l’air (kg.m-3) = 1.2 kg.m-3

S = surface exposée de l’air ou aire frontale du véhicule (en m2)

?@ = coefficient de traînée (sans unité). Généralement pour une voiture on a 0.25<Cd<0.35

Vd = vitesse de déplacement du véhicule (en m/s)

• La résistance au roulement FR provoquée par le contact entre le véhicule et la chaussée donnée par la relation.

9B � ?B + % + C

Avec : 9B = force de résistance au roulement (en N)

M*g = le poids du véhicule (en N)

?B = coefficient de résistance au roulement (sans unité) ; il dépend de la surface, de la déformation du pneu et de la suspension, du diamètre, de la largeur de la roue, de la nature du sol, de la pression de gonflage, et de la température. Généralement pour une voiture on a 0.02<CR<0.05

(6)

(7)



• La gravité (pente, dévers, virage…) ou force de pente (en N) FP. La force résistive de pente évolue en fonction de la masse et de l’inclinaison de la pente. Ainsi, on la relation :

9D � % + C + sin E

Avec α : angle de dénivellation de la route (en deg)

• La force dynamique et la force d’accélération F due aux variations de vitesse du véhicule définie par la deuxième loi de Newton :

9 � ∑ 9 � 9F ) 9G � % + H

Avec 9F = force d’accélération (en N)

9G = force dynamique (en N)

M = masse du véhicule (en kg)

On en déduit donc que la force totale Ftot (en N) qui permet de surmonter toutes ces forces résistantes et donc de faire avancer le véhicule est donnée par :

9I=I � 9J ) 9:é<= ) 9B ) 9D ) 9

De plus, pour une vitesse stabilisée, la puissance requise par le système de propulsion du véhicule connaissant les forces appliquées sur ce même véhicule et sa vitesse de déplacement s’écrit :

K � 9I=I + A@

Avec P : puissance requise (en W)

Vd : vitesse de déplacement (m.s-1)

Et, l’énergie utile ER (en J) nécessaire pour faire avancer le véhicule est :

LB � K + M

Avec τ : durée du phénomène considéré (en s)

4.1.2. Quelques chiffres

Les relations précédentes montrent que la vitesse a un impact non négligeable sur la consommation, et la figure ci-dessous [Figure 14] en est l’illustration. Fd représente toutes les forces dynamiques (accélération et aérodynamisme) et FRR toutes les forces résistantes à l’avancement du véhicule.

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)



Ainsi, on remarque que plus la vitesse augmente, plus il y a de pertes d’énergie dues aux forces dynamiques et moins les frottements mécaniques internes et la résistance au roulement sont conséquents.

Dans la littérature on trouve que environ un tiers de la consommation de carburant est due à la résistance au roulement FR + Faéro du véhicule. En 1992, le NRC (National Research Council) du Canada a présenté la répartition des pertes d’énergie dans le mécanisme d’acheminement de l’énergie [Figure 15]. Il en ressort que les pertes les plus importantes se situent dans le moteur (69%) lors de la combustion du carburant.

Dans ce même registre de l’influence de la résistance au roulement sur la consommation d’énergie, le TRL (Transport Research Laboratory) a montré en 2008 que pour une réduction de 10% du coefficient de résistance au roulement CR la consommation en carburant du véhicule diminuait de 2%.

Figure 14 : Répartition de la dissipation d’énergie en fonction de la vitesse Source : [9]

Figure 15 : Distribution relative des dissipations d’énergie dans un véhicule léger Source : [9]



4.2. Production de Gaz à Effet de Serre (GES)

Lorsqu’un véhicule est en mouvement il consomme de l’énergie et donc du carburant, et il émet des gaz d’échappements, notamment des GES. Le dioxyde de carbone (CO2) est l’un des principaux GES et la quantité dégagée par le véhicule dépend de la quantité et du type de carburant utilisé. Chaque litre d’essence produit environ 2.3 kg de CO2 et chaque litre de diesel environ 2.7 kg de CO2.

On calcule les émissions de CO2 en multipliant la consommation de carburant du véhicule par le facteur de conversion correspondant au type de carburant du véhicule.

Soient Qcarbu (en L/100km) la consommation de carburant calculé pour un temps ou une distance donnée et QCO2 (en kg de CO2/100km) la quantité de CO2 dégagée pendant cette même période ou distance, on a alors la relation :

1NOP � �2.3 QR 2.7� + 1S:<T�

(13)


33 GC5 ATE Partie 3 : Prise en main de Carsim v.8.02

PARTIE 3 : PRISE EN MAIN DU LOGICIEL DE SIMULATION

AUTOMOBILE : CARSIM v.8.02



La revue de littérature qui vient d’être faite aura servie à prendre connaissance de ce qu’est l’uni d’une chaussée et des paramètres qui peuvent influencer la consommation de carburant d’un véhicule.

Dans le cadre du Projet de Fin d’Etudes, la plus grosse partie des recherches consiste en des simulations dynamiques d’un véhicule circulant sur différents types de routes. Le logiciel permettant de réaliser ces simulations se nomme Carsim v.8.02 et est mis à disposition par le Laboratoire de Géotechnique Routière de l’Université Laval.

Le logiciel CarSim version 8.02 a été développé à l’U.M.T.R.I (University of Michigan Transportation Research Institute, U.S.A). Il est capable de générer plus de 400 variables qui peuvent être visualisées, analysées ou exportées vers d’autres logiciels. Il propose également un vaste choix de conditions routières et de caractéristiques de voiture. CarSim a déjà fait ses preuves à l’international et est donc réputé dans le domaine de l’ingénierie du design et du développement. Il est intéressant de savoir que le logiciel autorise la création de véhicules ou l’analyse avancée de véhicules existants.

L’objectif de cette partie est donc de découvrir le logiciel Carsim v.8.02, les différentes configurations qu’il propose et de procéder à plusieurs simulations préliminaires qui permettront de déterminer la configuration optimale pour la suite de l’étude.

1. Introduction

Comme énoncé précédemment, le logiciel CarSim est utilisé pour effectuer des simulations dynamiques à partir de différentes routes et de différents types de véhicules. Le principe de la simulation est basé sur un modèle mathématique combiné à une grande vitesse de résolutions numériques. Ce modèle mathématique reprend toutes les caractéristiques du véhicule afin d’en reproduire le comportement.

La modernité du logiciel CarSim se trouve dans son interface capable d’exécuter des tests simultanés mais également de visualiser les résultats par des animations ou des graphiques. Toutes les configurations possibles qu’offre le logiciel sont organisées en plus de 175 écrans graphiques tels que les propriétés du véhicule, la géométrie de la route, les propriétés des résultats graphiques ou encore les propriétés d’animation du mouvement.

Le logiciel CarSim est muni d’une base de données relativement complète qui permet de trouver facilement les caractéristiques du véhicule et les conditions de simulation requises. Il est à noter que le logiciel est exclusivement en anglais.



2. Etapes à suivre pour effectuer une simulation avec Carsim

Après avoir effectué plusieurs essais, il ressort quatre étapes essentielles, dans la méthode d’utilisation du logiciel CarSim, pour réaliser une simulation. Ces quatre étapes seront détaillées dans les quatre sections suivantes.

2.1. Définition des paramètres du véhicule ciblé

La première étape consiste à choisir le type de véhicule et à en spécifier les caractéristiques. Parmi la multitude de caractéristiques que le logiciel propose, seules quelques-unes sont utiles au projet de recherche [Figure 16] :

• Le centre de masse (sprung mass) ;

• Les caractéristiques aérodynamiques (aerodynamics) ; • Le groupe motopropulseur (powertrain) ;

• Le type de suspension (suspension type), comprenant les caractéristiques des pneus (tires) ;

Figure 16 : Définition des caractéristiques de la voiture Source : Screenshot de l’interface « Vehicle Assembly » sur CarSim v.8.02

1

1

2

3

4

2

3

4



2.1.1. Le centre de masse (sprung mass)

Etant donné que le sujet du PFE s’inscrit dans un projet de doctorat concernant l’étude de l’effet des chaussées dégradées sur le comportement des véhicules lourds, le choix qui s’est imposé quant au type de voiture utilisé pour les simulations est celui de prendre le véhicule le plus lourd que le logiciel propose. Finalement, le véhicule utilisé fait parti de la catégorie des Véhicules à Usage Spécial (SUV) (comme les modèles Mitsubishi Outlander, GMC Yukon, etc.). Ses caractéristiques dimensionnelles sont définies dans la figure suivante [Figure 17], mais seule la masse (2257 kg) est utile pour la suite<.

2.1.2. Les caractéristiques aérodynamiques (aerodynamics)

Dans cet écran graphique, on trouve toutes les caractéristiques aérodynamiques permettant de calculer la force aérodynamique appliquée sur le véhicule. Les données fournies par le logiciel sont propres au véhicule choisi. Par une simple comparaison avec l’équation (6) on peut identifier les différents paramètres de l’équation.

La force aérodynamique Fx du logiciel Carsim est donnée par :

9U � ?9U�V� + � + W + JP

�

D’où :

(6) = (14) => ?9U �V� � ?@ A = S

D = ρ V=Vd

Avec : A = 2.4 m² et D = 1.206 kg.m-3

Figure 17 : Définition des caractéristiques dimensionnelles de la voiture Source : Screenshot de l’interface « Sprung mass » sur CarSim v.8.02

(14)

1

2



2.1.3. Le groupe motopropulseur (powertrain)

L’élément important du groupe motopropulseur [Figure 18] auquel il a fallu porter de l’attention est le moteur « Engine ». En effet, si la configuration était restée telle que prédéfinie par le logiciel, l’étude de la consommation n’aurait pas pu se faire, faute de pouvoir tracer les courbes de consommation de carburant. En plus du type de moteur associé à la voiture, il fallait préciser le type de consommation de carburant du moteur « Fuel Consumption Rate », c'est-à-dire quelle quantité de carburant consomme le moteur en fonction de la vitesse de rotation du moteur et de sa puissance. Finalement après plusieurs essais, la meilleure association Moteur/Consommation de carburant du moteur avec les choix proposés par le logiciel (150 kW ou 300 kW « Fuel Consumption Rate ») est la suivante :

• Un moteur avec une puissance maximale de 250kW ; • Une évolution de la consommation associée à un moteur de 300 kW [Figure 19].

3

Figure 18 : Définition du groupe motopropulseur de la voiture Source : Screnshot de l’interface « 4-wheel drive » sur CarSim v.8.02

Figure 19 : Evolution de la consommation de carburant d’un moteur de 300kW Source : Screenshot de l’interface « Fuel consumption rate »sur CarSim v.8.02



2.1.4. Le type de suspension (suspension type)

Pour l’essieu avant « Front » :

Les caractéristiques de la suspension sur l’essieu avant sont les suivantes :

• Suspension de type : indépendant ; • Masse non suspendue « unsprung mass » : 125kg ; • Raideur du ressort d’amortissement à gauche et à droite « left or right spring » :

189N/mm ; • Amortisseur associé à un gros SUV « Big SUV Damping » ; • Pneu gauche et droit de type : 265/70 R17 ;

• Pneu modélisé par un ressort de raideur : 250N/mm ; • Coefficient de résistance au roulement : Rr_c = 0.005 [Figure 20].

Pour l’essieu arrière « Rear » :

Les caractéristiques de la suspension sur l’essieu arrière sont les suivantes :

• Suspension de type : axe solide ;

• Masse non suspendue : 150kg ; • Ressort d’amortissement à gauche et à droite de type : « SUV Full Size – Rear

Spring » ;

• Amortisseur associé à un gros SUV ; • Pneu gauche et droit de type : 265/70 R17 ;

• Pneu modélisé par un ressort de raideur : 250N/mm ; • Coefficient de résistance au roulement : Rr_c = 0.005 [Figure 20].

4

Figure 20 : Coefficient de résistance au roulement Source : Screenshot de l’interface « Tire » sur CarSim

v.8.02



2.2. Définition de la trajectoire, la surface de la route et les caractéristiques décrivant l’environnement routier

La deuxième étape représente l’intégration des données afin de simuler la surface et la trajectoire de la route.

Il s’agit, tout d’abord, de définir la géométrie horizontale de la trajectoire de la voiture (« Centerline geometry : Horizontal (X-Y) table »), c'est-à-dire si celle-ci va subir des virages durant la simulation. Il suffit d’incorporer les coordonnées X et Y à Carsim en collant les valeurs dans « Path profile » [Figure 21]. Dans le cadre du PFE, seules des routes parfaitement rectilignes seront définies, toujours dans le souci d’isoler le simple effet de la condition de la chaussée sur la consommation de carburant.

Suite à l’introduction des coordonnées, le logiciel trace la trajectoire dans le diagramme de gauche et calcule les distances parcourues, à partir du départ, pour chaque point (S). Les valeurs et les coordonnées cartésiennes des points sont affichées.

Après la définition de la trajectoire horizontale du véhicule il convient de définir la trajectoire verticale (« Off-center elevation dZ vs S, L ») ou la surface routière. Pour faciliter l’introduction des profils dans le logiciel Carsim, un script a été rédigé en langage Bash et permet facilement d’obtenir le format de données correspondant à celui de Carsim. Il s’agit d’un script ayant pour but de définir les profils typiques sur CarSim à partir de considérations définies pour l’étude [Annexe 3]. Le script et les considérations retenues seront expliqués plus en détail dans la Partie 4. La figure qui suit [Figure 22] montre l’exemple d’un profil typique utilisé pour les simulations.

Figure 21 :Données X et Y définissant la trajectoire sur Carsim – résultat de l’activation (Refresh) Source : Screenshot de l’interface « X-Y coordinates of centerline » sur CarSim v.8.02



Une option intéressante du logiciel CarSim permet de visualiser par une animation l’allure de la trajectoire finale de la route simulée. Il s’agit de Surfanim, un logiciel d’animation intégré à CarSim, qui permet de constater du réalisme de la simulation tout en permettant l’ajustement de la trajectoire. Voici une image de Surfanim [Figure 23] :

Figure 22 : Données définissant la surface sur Carsim (distance section, élévation sentier G et élévation sentier D Source : Screenshot de l’interface « Off Center Elevation Map » sur CarSim v.8.02

Figure 23 : « Screenshot » de l’animation de la courbe sur CarSim v.8.02



Pour terminer l’introduction de la route avec toutes ses caractéristiques, il reste à définir le coefficient de frottement entre le pneu et la surface routière (généralement il est égal à 0.75 pour une valeur normale pour des surfaces d’asphalte sèches) [Figure 24].

2.3. Définition du comportement de la voiture (vitesse, trajectoire, freinage, etc.)

Les paramètres permettant de contrôler le comportement de la voiture simulée sont différents pour chaque type de simulation. Le réglage de ces paramètres s’effectue dans la zone « Procedure » du logiciel CarSim où on peut décliner cinq caractéristiques principales pour décrire le comportement du véhicule :

• Trajectoire désirée « Steering : Driver path follower » ; • Freinage « Braking : Brake control » ;

• Vitesse et accélération « Speed/Acceleration » ; • Commande de puissance de la part du conducteur « Throttle from driver » ; • Changement de vitesse « Shifting control : Open-loop shift control ».

Pour toutes les simulations effectuées, le comportement de la voiture a été choisi afin d’isoler uniquement l’effet de la condition de la chaussée sur la consommation de carburant :

Trajectoire désirée : centrée sur l’axe de la route

La route choisie est une route unidirectionnelle à une voie, de largeur 3m et de longueur 450m. Une trajectoire centrée sur l’axe de la route permet à la voiture de ne pas déraper pendant la simulation et donc de fausser les résultats obtenus.

Freinage : Aucun

Aucune simulation ne fait intervenir le freinage.

Figure 24 : Coefficient de frottement Source : Screenshot de l’interface « Road : 3D

surface » sur CarSim v.8.02



Vitesse et accélération : Vitesse constante =90km/h

Toutes les simulations ont été effectuées à vitesse constante « constant target speed » V = 90 km/h, et donc avec une accélération nulle.

Commande de puissance de la part du conducteur : Aucune

Les simulations ont été effectuées sans que le conducteur ne fournisse de puissance supplémentaire à l’accélérateur « No Throttle ».

Changement de rapport : Boîte de vitesse bloquée sur le pignon du 4ème rapport

Il a été convenu que la voiture roulerait en 4ème vitesse durant toute la simulation « Constant @ 4th Gear ». Ceci afin de ne pas faire apparaître de consommation supplémentaire due aux changements de rapports.

2.4. Définition du format et du type de résultats désirés

Le choix du format et du type de résultats dépend du but de la recherche. CarSim fournit des résultats globaux et spécifiques. Plusieurs catégories de résultats graphiques sont disponibles. Nous pouvons alors choisir parmi plus de 120 types de résultats différents.

En considérant la grande variété de résultats disponibles sur le logiciel CarSim, il a été décidé de concentrer la recherche sur trois facteurs importants : la consommation instantanée de carburant Qfuel (en kg/s), la force horizontale du pneu Fx (en N) et la force aérodynamique horizontale Faéro.

La dernière caractéristique importante à choisir quant aux résultats désirés est la fréquence avec laquelle les résultats seront calculés et présentés. Plusieurs simulations préliminaires ont montré une bonne performance de calcul et de présentation avec les paramètres de fréquence suivants : calcul toute les 0.001 sec et présentation toute les 0.001 sec. De plus, les résultats seront calculés et présentés pour -150 m < X < 300m [Figure 25].

Figure 25 : Fréquences et distances utilisées pour obtenir les paramètres désirés

Source : Screenshot de l’interface d’accueil de CarSim v.8.02


43 GC5 ATE Partie 4 : Réalisation des simulations dynamiques et analyses paramétriques

PARTIE 4 : REALISATION DES SIMULATIONS DYNAMIQUES ET

ANALYSES PARAMETRIQUES



Le chapitre précédent a permis d’acquérir les connaissances de base pour l’utilisation du logiciel CarSim v.8.02 et ainsi de déterminer la configuration initiale, en rapport avec le sujet de l’étude, qui sera utilisée pour les simulations dynamiques. La partie qui suit présente la méthode d’approche de la problématique du projet de recherche par l’utilisation du logiciel CarSim v.8.02, ainsi que les résultats obtenus à la suite des simulations dynamiques.

1. Introduction

Avant de commencer les simulations, les limites du projet ont été fixées. En effet, il a été décidé d’étudier uniquement des chaussées ayant un IRI inférieur ou égal à 5 m/km. Ainsi, on a choisi les IRI suivants : IRI = 0 ; 1 ; 2 ; 3 ; 4 et 5 m/km. Il est à noter qu’un IRI de 0 m/km correspond à une surface de chaussée absolument parfaite (soit sans aucune irrégularité, ce qui est techniquement impossible à réaliser), qu’un IRI < 1.5 m/km correspond à revêtement de surface qui vient juste d’être mis en place ou très récent, et qu’un IRI de 5 m/km correspond généralement à une route avec un revêtement ancien.

Ensuite, des profils typiques ont été créés. A l’aide du logiciel ProVAL 3.0, on a pu vérifier la valeur de l’IRI et visualiser l’allure de chaque profil. Les profils sont ensuite introduits dans CarSim par de simples manipulations.

Enfin, toutes les simulations utiles à l’étude ont pu être réalisées. L’exportation des résultats (en termes de consommation de carburant et d’énergie nécessaire au roulement) vers Excel a permis d’analyser et de comparer toutes les valeurs. Pour confirmer ou réfuter la cohérence des résultats obtenus, une comparaison avec des profils réels, fournis par le Ministère des Transport du Québec, sera faite.

2. Création de profils typiques

En accord avec les limites du projet, la création de profils typiques a été la première étape dans la partie expérimentale du projet de recherche. Le logiciel CarSim permet de générer des surfaces routières. Cette option du logiciel n’est intéressante que pour l’insertion de profils réels. Les coordonnées des profils typiques n’étant pas connus au départ, il est plus simple et plus rapide de créer un programme qui puisse générer tous les profils désirés.

Le programme est un script Bash qui permet de calculer la longueur d’onde, l’amplitude de la déformation et le nombre de boucle d’itération à effectuer [Annexe 3]. Ce script, écrit en langage "Shell", a été entièrement conçu par M. Louis Gagnon grâce à ses connaissances certaines en programmation informatique. Pour qu’un profil soit correct, le nombre de longueur d’onde doit être un nombre entier, c'est-à-dire que sur la longueur L du profil on ne devrait pas trouver une longueur d’onde partielle. Les profils typiques générés ont les caractéristiques générales suivantes [Figure 26] :

• Longueur d’onde : λ = 1 ; 2 ; 3.3 ; 5 ; 8 ; 10 ; 13 ; 20 ; 32 et 40m ; • Pour chaque longueur d’onde on fait varier l’IRI du profil : IRI = 1 ; 2 ; 3 ; 4 et

5m/km ;



• Amplitudes de déformations et longueurs de profils telles que dans le tableau ci-dessous [Tableau 6]. On remarque que les longueurs réelles des profils est légèrement différente de L = 160m qui était recherchée. Ceci est dû au fait que l’on ne veut pas de longueur d’onde partielle sur la longueur de base L du profil ;

• Intervalle entre chaque point : 15mm : à la base le choix était porté vers un intervalle de 15cm utilisé en conditions réelles de calcul de l’IRI. Cela s’est révélé très peu performant lors des simulations. La fréquence de calcul de CarSim choisie a contraint le choix d’un intervalle de 15mm ;

• Largeur de la déformation : l = 30cm : choisie en fonction des conditions réelles de calcul de l’IRI. En effet, une bosse de 30cm, telle que sur la figure 26, représente 3 points de mesure en conditions réelles. Et, même si l’intervalle est revenue à 15mm, la largeur de 30cm a été conservée.

La longueur de base L = 160m des profils a été déterminée en fonction des longueurs d’onde choisies. En effet on doit avoir la relation suivante :

X � Y + Z

Où n est un entier naturel. Ainsi, la valeur de L qui convenait le mieux avec les longueurs d’onde qui seront étudiées était L = 160m.

Sur le site internet de l’UMTRI (University of Michigan Transportation Research Institute) il est possible de vérifier si le niveau d’IRI est celui qui était recherché, grâce à l’accès à un programme non disponible au téléchargement. Ce programme n’a pas de nom, il est simplement intégré au site de l’UMTRI.

Tableau 6 : Longueurs réelles et amplitudes des déformations de tous les profils typiques générés

Figure 26 : Allure des profils typiques générés par le script Bash

h

L

λ

l

Longueur d'onde Longueur du profilλ Lm m IRI=1 m/km IRI=2 m/km IRI=3 m/km IRI=4 m/km IRI=5 m/km1 159,795 0,0036 0,0072 0,0108 0,0144 0,01802 159,600 0,0038 0,0077 0,0153 0,0156 0,0194

3,3 158,400 0,0041 0,0083 0,0124 0,0165 0,02075 159,840 0,0056 0,0112 0,0167 0,0223 0,02798 159,900 0,0088 0,0175 0,0263 0,0350 0,043810 160,080 0,0108 0,0216 0,0324 0,0432 0,054013 156,060 0,0140 0,0280 0,0419 0,0559 0,069920 159,960 0,0209 0,0418 0,0628 0,0837 0,104632 159,975 0,0336 0,0671 0,1007 0,1342 0,167840 160,020 0,0417 0,0833 0,1250 0,1667 0,2083

Amplitude de la déformationh (en mètre)

(15)



3. Utilisation du logiciel ProVAL 3.0

Après avoir créé les profils typiques, il s’agit désormais de vérifier si la valeur des IRI est correcte. Cela permet également de confirmer si la valeur donnée par le programme de l’UMTRI est juste. ProVAL 3.0 est le logiciel qui sera utilisé pour effectuer cette vérification.

Ce logiciel a plusieurs fonctionnalités. Il peut entre autres :

• Calculer l’IRI d’un profil routier sur toute sa longueur ou sur une section particulière à définir ;

• Visualiser l’allure d’un profil ;

• Fournir des rapports écrits des résultats obtenus ; • Décomposer un profil routier grâce à une analyse spectrale qui donne les différentes

longueurs d’onde présentes dans le profil ;

Quelques lignes de programmation supplémentaires dans le script Bash renvoient deux types de fichiers : l’un sous un format qui peut être lu par le logiciel ProVAL 3.0 (fichier .ERD) [Figure 27] et l’autre qui permettra d’introduire le profil dans CarSim.

Les différents termes du programme identifiables dans le cadre rouge signifient :

- ERDFILEV2.00 = identifie le fichier comme étant au format ERD - La ligne de nombres :

� 2 = NCHAN = Nombre de colonnes de données ( Number of data channels) ;

� 10660 = NSAMP = Nombre d’échantillons pour chaque colonne (Number of samples for each channel) ;

� -1 = NRECS = Nombre d’entrées de données (Number of records data) (Si inconnu, utiliser -1) ;

Figure 27 : Fichier généré par le script Bash au format ERD lisible dans ProVAL 3.0



� 1 = NBYTES = Nombre d’échantillons par entrée (Number of samples per record)

� 5 = KEYNUM = Indique la façon dont sont enregistrées les données : Formatted floating-point

� 0.015 = Step = intervalle d’échantillonnage (sample interval) (ici 15

mm). L’intervalle se calcule par la relation : ,[\] � ^_#F`D , avec L =

Longueur du profil (ici L = 159.9m) ; � -1 = KeyOpt = Nombre auxiliaire utilisé par certains programmes

(auxiliary number used by some programs).

- SHORTNAM = Noms abrégés des colonnes (ici LElev. = Left Eleveation / RElev. = Right Elevation) ;

- UNITSNAM = Unité des colonnes (ici le millimètre (mm)) ; - XLABEL = Nom de la variable indépendante dans le fichier ERD (ici Distance) ; - XUNITS = Unité de la variable indépendante (le mm) ; - END = indique la fin du programme.

Les termes qui se trouvent dans le cadre vert correspondent aux élévations à gauche et à droite de l’axe de la chaussée. Dans le cadre de l’étude les deux côtés ont des élévations identiques.

Les trois figures qui suivent [Figure 28 ; Figure 29 ; Figure 30] montrent les résultats obtenus sur ProVAL pour un profil constitué de longueurs d’onde de 8m et un IRI de 5m/km.

Figure 28 : Visualisation graphique du profil routier

Source : Screenshot de l’interface « Viewer » sur ProVAL 3.0



On remarque sur la Figure 30 que la valeur de l’IRI renvoyé par le logiciel ProVAL (IRI = 4.98 m/km) n’est pas celle attendue (IRI = 5m/km). Cette différence avec la valeur renvoyée par le programme de l’UMTRI provient certainement de la technique de filtrage utilisé par les deux programmes. Il n’y a pas de renseignement concernant le type de filtre appliqué pour le programme de l’UMTRI, mais l’hypothèse qu’il soit différent de celui qu’utilise ProVAL pour le calcul de l’IRI (« Apply 250mm Filter ») ne semble pas incohérent puisqu’il existe plusieurs techniques de filtrages.

L’écart relatif entre les deux valeurs d’IRI excédant tout juste les 0.4%, il a été décidé de garder les profils typiques tels qu’ils étaient. De plus, tous les profils présentent plus ou moins le même écart.

Figure 29 : Géométrie d’une déformation visible après zoom

Figure 30 : Résultat de l’action « Analyze » pour le calcul de l’IRI du profil « Ride Quality » sur ProVAL au format PDF



4. Simulations dynamiques et analyses paramétriques sur Carsim v.8.02

Maintenant que les profils typiques ont été créés et vérifiés, ils peuvent être introduits dans le logiciel CarSim. Les résultats obtenus seront exportés vers le logiciel Excel.

4.1. Considérations de départ

Comme il a été défini dans le chapitre 3, les simulations dynamiques seront menées afin de pouvoir observer l’évolution de la consommation de carburant ainsi que l’énergie nécessaire au roulement du véhicule circulant sur les profils typiques définis.

La consommation de carburant est représentée dans CarSim par la variable Qfuel, exprimée en kg/s. Pour une meilleure compréhension des valeurs obtenues suite à la simulation, il est préférable d’exprimer la consommation de carburant en L/100km, qui est l’unité la plus couramment utilisée lorsqu’on parle des performances d’un véhicule. Dans la partie « Output variables : Write Channels » de l’écran d’accueil de CarSim on trouve une zone de texte réservée à la création de nouvelles variables et de leur formule associée [Figure 31].

Ainsi, la formule suivante permet de convertir des kg/s en L/100km :

1S:<T� � abcde+f0��@g+Jh

+ 100

Avec : 1S:<T� : variable créée = consommation de carburant [ L/100km ]

1i�j� : ancienne variable = consommation de carburant [ kg/s ]

kS : densité du carburant = densité de l’essence = 0.755 [ kg/L ]

A@ : vitesse de déplacement du véhicule [ km/h ]

Sachant que toutes les simulations à suivre se feront à vitesse constante Vd = 90 km/h, l’équation (17) devient :

1S:<T� � abcde+f.0+��l

0m.n8

(16)

Figure 31 : Création de la variable Qcarbu Source : Screenshot de l’interface « Output variables » sur CarSim v.8.02

(17)



L’énergie nécessaire au roulement du véhicule n’est pas calculée directement par le logiciel CarSim. Par contre il peut donner les valeurs de la force de roulement au niveau des 4 pneus ainsi que la force aérodynamique Faéro.

Lors de la simulation, CarSim va calculer la force verticale Fxi pour chaque pneu et non la force globale de résistance au roulement Fx qui est simplement donnée par la relation :

9o � ∑ 9o!-!"�

La composante verticale de la force aérodynamique ne rentre pas dans de le cadre de ce projet de recherche, on ne s’attardera donc qu’à la composante horizontale Faéro. CarSim calcule directement cette composante.

4.2. Résultats préliminaires

La partie 3 concernant la prise en main du logiciel CarSim v.8.02 a montré qu’il était possible de visualiser graphiquement les résultats de la simulation. Donc pour les trois variables qui font l’objet de cette étude, on peut visualiser l’allure des résultats sous forme de courbe graphique.

Exemple sur un profil typique :

Les caractéristiques sont les suivantes :

� λ = 8m ; � L = 159.9m ; � Nombre d’onde sur toute la longueur = 20.

4.2.1. Représentation graphique de Qcarbu

Le tracé de la consommation en fonction du temps révèle 2 zones intéressantes [Figure 32]

(18)

Figure 32 : Résultat de l’action « Plot » pour la variable Qcarbu

Zone 1

Zone 2



- La Zone 1 représente la période qu’utilise le logiciel pour se stabiliser à Vd = 90 km/h. - La Zone 2 représente la consommation de carburant du véhicule lorsqu’il subit l’effet des déformations du profil. En regardant d’un peu plus près cette zone [Figure 33] on remarque une périodicité dans les variations de la consommation de carburant. On compte exactement 20 périodes, soit le nombre de longueurs d’onde du profil.

Ce zoom fait apparaître la Zone 3 qui correspond à des oscillations amorties dues aux suspensions du véhicule. Pour prendre en compte uniquement l’effet de la condition de l’état de surface de la chaussée, les résultats ne seront pas analysés et interprétés sur toute la durée de la simulation, mais seulement sur la période où le véhicule parcourt les 20 longueurs d’onde. A 90 km/h le véhicule met 6.4 secondes pour parcourir les 159.9m.

4.2.2. Représentations graphiques de Fx et Faéro

Les représentations graphiques de Fx et Faéro font apparaître les trois mêmes zones que pour la représentation graphique de Qcarbu , à la différence près que l’allure des courbes présentes dans ces zones n’est pas identique. La période d’étude des résultats sera également semblable à celle de la consommation de carburant.

4.2.3. Analyses paramétriques

Connaissant désormais l’allure des représentations graphiques en fonction du temps des différentes variables qui font l’objet de cette étude, plusieurs analyses paramétriques peuvent être réalisées. Il s’agit de faire varier trois paramètres de la façon suivante :

• Effet de l’IRI sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement ;

Figure 33 : Zoom sur la Zone 2

1 période = 1 longueur d’onde

20 périodes = 20 longueurs d’onde

Zone 3



• Effet de la longueur d’onde sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement ;

• Effet de la géométrie des déformations sur la consommation de carburant.

4.3. Effet de l’IRI sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement

Le but de cette étude est d’observer l’effet de la variation de l’IRI d’un profil sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement en gardant la longueur d’onde constante. L’étude sera menée par gamme d’ondes (petites, moyennes et grandes ondes) à vitesse constante Vd = 90 km/h. Le tableau 5, relatif aux caractéristiques géométriques des profils typiques, montre que l’amplitude des déformations croît avec l’augmentation du niveau d’IRI de la chaussée. On pourrait donc facilement croire que la consommation de carburant suivrait la même tendance avec l’augmentation du niveau d’IRI.

4.3.1. Petites Ondes : 1m < λ < 3.3m

Le Tableau ci-dessous [Tableau 7] donne les résultats des simulations pour les profils typiques ayant des longueurs d’onde de 1m. Les valeurs surlignées en rouge font correspondent aux valeurs calculées directement pas CarSim, alors que les autres sont des valeurs calculées indépendamment de CarSim. Les résultats des simulations pour les petites ondes de 2m et 3.3m sont disponibles en annexe [Annexe 4].

Avec : Faéro : la composante horizontale de la force aérodynamique ;

Fx : la force de résistance au roulement ;

Ftot : la force totale de résistance à l’avancement déterminée selon l’équation (8) avec Fv = Fp = F = 0 ;

P : la puissance nécessaire à l’avancement du véhicule déterminée selon l’équation (9) avec Vd = 25 m/s ;

ER : l’énergie nécessaire au roulement déterminée selon l’équation (10) avec τ = 6.4 s ;

IRI Faéro Fx Ftot P ER QR QRCO2 QcarbuCO2 ∆Qcarbu Em ER/Em

m/km N N N W J L/100km kg de CO2 /100km L/100km L kg de CO2/100km % J %0 310,33 310,30 620,64 15516 99302 1,9395 4,461 8,450 0,013520 19,435 0,000 432650 22,9521 310,33 310,28 620,62 15515 99299 1,9394 4,461 8,451 0,013522 19,438 0,015 432716 22,9482 310,33 310,18 620,51 15513 99282 1,9391 4,460 8,453 0,013524 19,441 0,029 432775 22,9413 310,33 309,97 620,30 15508 99248 1,9384 4,458 8,454 0,013526 19,444 0,042 432831 22,9304 310,33 309,67 620,00 15500 99201 1,9375 4,456 8,455 0,013528 19,446 0,055 432888 22,9165 310,33 309,30 619,64 15491 99142 1,9364 4,454 8,456 0,013530 19,449 0,069 432947 22,899

Qcarbu

Longueur d'onde 1m

Tableau 7 : Résultat de l’étude sur l’effet de l’IRI pour de petites ondes : exemple pour λ = 1m



QRCO2 : la quantité de CO2 consommée pendant la période de simulation calculée selon les équations (13) et (19), sachant que 1L d’essence consommé est transformé en une énergie de 3.2*107 J :

1B � pq^+��rs+f.�+��t

Qcarbu : la consommation de carburant ;

Qcarbu CO2 : la quantité de CO2 consommée pendant la période de simulation calculé selon l’équation (13) ;

∆Qcarbu : la variation de consommation de carburant par rapport à un IRI de 0m/km, soit par rapport à une route parfaite ;

Em : l’énergie totale consommée par le moteur calculée selon l’équation (20) :

Lu � 1S:<T� + X + 10vf + 3.2 + 10m

ER/Em : la part d’énergie totale consommée en énergie de roulement.

Afin de bien se rendre compte de l’influence de l’IRI, il est intéressant de tracer l’écart de consommation de carburant par rapport à une route parfaite selon le niveau d’IRI [Figure 34].

Pour les trois longueurs d’onde on remarque tout d’abord que la consommation de carburant croît en fonction du niveau d’IRI de la chaussée. Cependant, cette croissance reste très faible par rapport à la consommation d’un véhicule qui circule sur une route parfaite car elle ne

(19)

(20)

Figure 34 : Effet de l’IRI sur la consommation de carburant pour de petites ondes

8,448

8,450

8,452

8,454

8,456

8,458

8,460

0 1 2 3 4 5

Qca

rbu

(L/

10

0k

m)

IRI (m/km)

Effet de l'IRI sur la consommation de carburant pour de

petites ondes

Longueur d'onde 1m

Longueur d'onde 2m

Longueur d'onde 3.3m



dépasse pas 0.069%. Pour λ = 3.3m la variation est encore plus insignifiante car elle atteint difficilement les 0.029%.

Si on raisonne désormais en coût annuel en carburant pour ce véhicule, on note que le coût augmente, là aussi, très peu pour chaque niveau d’IRI, [Tableau 8 et Annexe 4].

Les pertes d’argent sont infimes (1.5€ par an pour un IRI de 5m/km) pour un seul véhicule mais cette valeur prend de l’importance si on prend en compte le débit annuel du trafic de la route étudiée.

Il reste à tracer l’évolution de l’énergie nécessaire à l’avancement du véhicule en fonction du niveau d’IRI [Figure 35].

Figure 35 : Effet de l’IRI sur l’énergie nécessaire au roulement pour de petites ondes

Tableau 8 : Estimation du coût annuel en carburant pour le véhicule simulé : exemple pour λ = 1m

IRI Qcarbu Qcarbu-annuel

0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,451 1690,3 1690,3 2281,92 8,453 1690,5 1690,5 2282,23 8,454 1690,7 1690,7 2282,54 8,455 1691,0 1691,0 2282,85 8,456 1691,2 1691,2 2283,1

Coût annuel

$CADLL/100km €m/km

Longueur d'onde 1m

99120

99140

99160

99180

99200

99220

99240

99260

99280

99300

99320

0 1 2 3 4 5

ER

(J)

IRI (m/km)

Effet de l'IRI sur l'énergie nécessaire au roulement pour de

petites ondes

Longueur d'onde 1m

Longueur d'onde 2m

Longueur d'onde 3.3m



L’ordre de grandeur de l’énergie nécessaire au roulement selon CarSim, et pour la configuration adoptée, est de 99000 J. Plus le niveau d’IRI augmente et plus cette énergie diminue. Ce phénomène est dû à l’évolution du contact pneu-chaussée lorsque le véhicule s’engage sur une bosse. La déformation engendre une perte de contact entre le pneu et la chaussée et donc la force de résistance au roulement Fx devient nulle. Dans cet état de suspension au dessus du sol, c’est l’énergie cinétique emmagasinée auparavant qui propulse le véhicule vers l’avant. Le phénomène se produit deux fois par bosse : pour l’essieu avant et pour l’essieu arrière.

L’énergie est liée directement à la force de résistance au roulement d’après les équations (8) et (9). De plus, la force aérodynamique reste constante en fonction de l’IRI comme on peut le voir sur le tableau 6. Donc la résistance au roulement évolue de la même façon que l’énergie de roulement en fonction de l’IRI.

En termes d’émissions de gaz à effet de serre, seulement 19.457 kg de CO2 pour 100km au maximum sont dégagés par le véhicule, soit 194.57 g/km de CO2 dégagés ou encore 3887 kg CO2 par an. Cette valeur est comparable à celle d’un véhicule de type Mitsubishi Outlander classique (3910 kg de CO2 par an d’après le Guide de consommation de carburant 2010 du NRC).

4.3.2. Moyennes Ondes : 3.3m < λ < 13m

Le Tableau ci-dessous [Tableau 9] donne les résultats des simulations pour les profils typiques ayant des longueurs d’onde de 8m. Les résultats des simulations pour les moyennes ondes de 5m, 10m et 13m sont disponibles en annexe [Annexe 4].

Le graphe de l’évolution de la consommation de carburant en fonction du niveau d’IRI pour des moyennes ondes est présenté sur la figure suivante [Figure 36] :

IRI Faéro Fx Ftot P ER QR QRCO2 QCO2 ∆Qcarbu Em ER/Em


Longueur d'onde 8m

Qcarbu

Tableau 9 : Résultat de l’étude sur l’effet de l’IRI pour de moyennes ondes : exemple pour λ = 8m



Comme pour les petites ondes on observe une augmentation de la consommation de carburant avec le niveau d’IRI qui croît. Bien que l’écart avec la consommation soit encore faible par rapport à celle d’une route parfaite, la valeur maximale (0.299%) a plus que doublé par rapport à celle des petites ondes (0.112%).

Si on regarde ce que donne le coût estimatif annuel de consommation de carburant pour une longueur d’onde de 8m [Tableau 10], la perte d’argent n’est toujours pas significative. Seulement 6.8 € de pertes si le véhicule roulait sur une route avec un IRI de 5 m/km pendant un an par rapport à une route parfaitement lisse.

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0 1 2 3 4 5

∆Q

carb

u (

%)

IRI (m/km)


moyennes ondes

Longueur d'onde 5m

Longueur d'onde 8m

Longueur d'onde 10m

Longueur d'onde 13m

Figure 36 : Effet de l’IRI sur la consommation de carburant pour de moyennes ondes



0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,458 1691,6 1691,6 2283,72 8,465 1693,0 1693,0 2285,53 8,470 1694,0 1694,0 2287,04 8,474 1694,8 1694,8 2287,95 8,475 1695,1 1695,1 2288,4

€

Longueur d'onde 8mCoût annuel

m/km L $CADL/100km



La figure suivante représente l’énergie nécessaire à l’avancement du véhicule circulant sur des profils à moyennes ondes [Figure 37] :

L’ordre de grandeur de 99000 J est identique à celui des petites ondes. L’allure de l’évolution de l’énergie en fonction de l’IRI est également la même. Seulement, l’énergie dépensée pour les moyennes ondes est bien moindre que pour les petites ondes, étant donné que les amplitudes des déformations ont augmenté. Il en va donc de même pour la force de roulement.

Les émissions de gaz à effet de serre ont augmenté par rapport aux petites ondes mais restent insignifiantes. En comparant les valeurs maximales pour les deux gammes d’ondes on obtient une augmentation de +0.19%.

4.3.3. Grandes Ondes : 13m < λ < 40m

Le tableau ci-dessous [Tableau 11] donne les résultats des simulations pour les profils typiques ayant des longueurs d’onde de 20m. Les résultats des simulations pour les grandes ondes de 32m et 40m sont disponibles en annexe [Annexe 4].

98400

98500

98600

98700

98800

98900

99000

99100

99200

99300

99400

0 1 2 3 4 5

ER

(J)

IRI (m/km


moyennes ondes

Longueur d'onde 5m

Longueur d'onde 8m

Longueur d'onde 10m

Longueur d'onde 13m

Figure 37 : Effet de l’IRI sur l’énergie nécessaire au roulement pour de moyennes ondes



Le graphe de l’évolution de la consommation de carburant en fonction du niveau d’IRI pour des moyennes ondes est présenté sur la figure suivante [Figure 38] :

En observant la courbe de consommation de carburant en fonction de l’IRI, on remarque tout de suite que l’allure des courbes pour les grandes ondes présente des différences par rapport aux courbes des autres ondes. Plus l’IRI augmente et plus la consommation de carburant a tendance à diminuer voire même à consommer moins que pour une route sans déformation.

Le tableau ci-dessous [Tableau 12] montre que l’usager gagne de l’argent (0.2 €) s’il circule sur une route ayant un IRI de 5m/km.


m/km N N N W J L/100km kg de CO2 /100km L/100km L kg de CO2/100km % J %0 310,33 310,30 620,64 15516 99302 1,9395 4,461 8,450 0,013520 19,435 0,000 432650 22,9521 310,33 310,19 620,53 15513 99284 1,9391 4,460 8,458 0,013533 19,453 0,091 433042 22,9272 310,33 309,42 619,75 15494 99160 1,9367 4,454 8,463 0,013541 19,466 0,156 433324 22,8843 310,33 307,84 618,17 15454 98907 1,9318 4,443 8,465 0,013543 19,468 0,169 433382 22,8224 310,33 305,19 615,53 15388 98485 1,9235 4,424 8,460 0,013536 19,458 0,118 433160 22,7365 310,34 301,37 611,70 15293 97872 1,9116 4,397 8,449 0,013519 19,434 -0,009 432612 22,624

Longueur d'onde 20m

Qcarbu

Tableau 11 : Résultat de l’étude sur l’effet de l’IRI pour de moyennes ondes : exemple pour λ = 20m

Figure 38 : Effet de l’IRI sur la consommation de carburant pour de grandes ondes

-0,800

-0,700

-0,600

-0,500

-0,400

-0,300

-0,200

-0,100

0,000

0,100

0,200

0,300

0 1 2 3 4 5

∆Q

carb

u (

%)

IRI (m/km)


grandes ondes

Longueur d'onde 20m

Longueur d'onde 32m

Longueur d'onde 40m



La figure suivante représente l’énergie nécessaire à l’avancement du véhicule circulant sur des profils à grandes ondes [Figure 39] :

On retrouve l’ordre de grandeur de 99000 J pour faire avancer le véhicule. Cependant, la différence maximale par rapport à une route lisse est intéressante puisqu’elle atteint -3.43%.

La différence des valeurs maximales pour les émissions de CO2 entre les petites ondes et les grandes ondes est de -0.06%

95500

96000

96500

97000

97500

98000

98500

99000

99500

0 1 2 3 4 5

ER

(J)

IRI (m/km)


grandes ondes

Longueur d'onde 20m

Longueur d'onde 32m

Longueur d'onde 40m

Figure 39 : Effet de l’IRI sur l’énergie nécessaire au roulement pour de grandes ondes


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,458 1691,6 1691,6 2283,62 8,463 1692,7 1692,7 2285,13 8,465 1692,9 1692,9 2285,44 8,460 1692,0 1692,0 2284,25 8,449 1689,9 1689,9 2281,4


m/km L/100km L $CAD €




4.3.4. Conclusion

L’étude de l’effet de l’IRI sur la consommation de carburant et sur l’énergie nécessaire au roulement du véhicule a révélé plusieurs similitudes entre les gammes d’ondes mais aussi des points sensibles. Le récapitulatif de cette étude est présenté dans le tableau ci-dessous [Tableau 13].

Les résultats obtenus confirment la plupart des études déjà menées c'est-à-dire que l’uni a une faible influence sur la consommation de carburant. Les pourcentages ne dépassent pas 0.3%, par rapport à une chaussée parfaite, pour un seul véhicule. Pour que les chiffres aient plus de sens il faudrait pratiquer des essais sur profils typiques mais en conditions réelles pour une quantité suffisante de véhicules de la même catégorie.

Tableau 13 : Tableau récapitulatif des conclusions à tirer sur l’étude de l’effet de l’IRI sur la consommation de carburant et sur l’énergie nécessaire au roulement par des simulations sur CarSim


L'IRI a un impact négatif très faible sur la consommation de carburant

La différence maximale constatéepar rapport à une chaussée

parfaitement lisse est de +0,299%L'étude montre des résultats étranges pour

la consommation de carburantdans le cas des grandes ondes et attend

l'analyse paramétrique suivante pour être L'objectif était de mesurer la confirméeconsommation de carburant L'IRI a un impact positif très faible sur

et l'énergie nécessaire au l'énergie nécessaire au roulementroulement d'automobiles lourdes pour de petites et moyennes ondespour différents profils typiques mais atteint -3,43% pour une grande

par rapport à une route onde de 40msans déformation Une augmentation de l'IRI est bénéfique

pour la force de roulement mais néfaste pourl'adhérence du pneu à la chaussée

Une diminution de l'IRI ne représente pasune économie d'argent intéressantepour l'usager (< 6,8€/an/véhicule)

Une augmentation de l'IRI ne provoque pasd'émissions de gaz à effet de serre importantes

Qco2 max = 19,494 kg/100km = 195 g/km

Particularité de l'étude Conclusions

1 < IRI < 5



4.4. Effet de la longueur d’onde sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement

Le but de cette étude est d’observer l’effet de la variation de la longueur d’onde d’un profil sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement en gardant l’IRI constant. L’étude sera menée par gamme d’ondes (petites, moyennes et grandes ondes). Pour cette étude, seules la consommation de carburant et l’énergie de roulement seront présentées. Les simulations ont été effectuées pour Vd = 90 km/h. Tous les résultats qui ne sont pas visibles ici sont disponibles en annexe [Annexe 5].

4.4.1. Petites ondes : 1m < λ < 3.3m

Le tableau ci-dessous présente les résultats de l’étude pour un IRI de 1m/km [Tableau 14].

Le graphe suivant [Figure 40] présente les écarts de consommation par rapport à une route lisse pour les petites ondes.

Figure 40 : Effet des petites longueurs d’onde sur la consommation de carburant

0,000

0,050

0,100

1 2 3 4

∆Q

carb

u (

%)

Longueur d'onde (m)

Effet des petites ondes sur la consommation de carburant

IRI 1 m/km

IRI 2 m/km

IRI 3 m/km

IRI 4 m/km

IRI 5 m/km

Tableau 14 : Résultats de l’étude sur l’effet des petites longueurs d’onde : exemple pour IRI = 1m/km

Longueur d'onde Qcarbu QCO2 ∆Qcarbu ERm L/100km kg de CO2/100km % J1 8,451 19,438 0,015 992992 8,451 19,438 0,013 99301

3,3 8,451 19,438 0,011 99302

1IRI (m/km)



Dans la gamme des petites ondes, si on augmente la longueur d’onde la consommation de carburant va diminuer. La diminution maximale obtenue est de 0.069% pour un IRI de 5 m/km. Les variations sont tellement petites qu’on peut considérer que les petites ondes n’ont aucune influence sur la consommation de carburant.

Ci-dessous la figure relative à l’effet des petites ondes sur l’énergie de roulement [Figure 41] :

On remarque que l’énergie croît quand la longueur d’onde augmente. L’interprétation que l’on peut donner quant à cette augmentation est que l’énergie de roulement que demande le véhicule lorsqu’il s’engage sur la déformation est supérieure à l’énergie qui n’est pas dépensée pendant la période où le véhicule n’est plus en contact avec le sol.

4.4.2. Moyennes ondes : 3.3m < λ < 13m


Figure 41 : Effet des petites longueurs d’onde sur l’énergie nécessaire au roulement

99120

99140

99160

99180

99200

99220

99240

99260

99280

99300

99320

1 1,5 2 2,5 3 3,5

ER

(J)

Longueur d'onde (m)

Effet des petites d'onde sur l'énergie nécessaire au

roulement

IRI 1 m/km

IRI 2 m/km

IRI 3 m/km

IRI 4 m/km

IRI 5 m/km

Longueur d'onde Qcarbu QCO2 ∆Qcarbu ERm L/100km kg de CO2/100km % J5 8,454 19,443 0,041 993038 8,458 19,454 0,094 9929710 8,455 19,446 0,057 9929113 8,457 19,451 0,079 99297

1IRI (m/km)

Tableau 15 : Résultats de l’étude sur l’effet des moyennes longueurs d’onde : exemple pour IRI = 1m/km




Pour λ = 8m on a la consommation maximale. Fondamentalement, tout véhicule possède une fréquence de résonance lorsqu’il circule sur une route. La résonance est atteinte quand la fréquence des déformations de la surface routière est la même que la fréquence de résonance des suspensions du véhicule. En moyenne, pour un véhicule circulant à 90 km/h la résonance est atteinte pour une longueur d’onde λ = 10m. Cependant, il s’agit d’une moyenne effectuée pour plusieurs types de véhicules. Ainsi, dans cette étude, pour λ = 8m (soit une fréquence f = 3.125 Hz) le véhicule a atteint sa fréquence de résonance et subit des oscillations plus prononcées : il va donc consommer plus de carburant.

Si on fait abstraction de la longueur d’onde de 8m, la tendance de la consommation est d’augmenter quand la longueur d’onde augmente.

Ci-dessous la figure relative à l’effet des moyennes ondes sur l’énergie de roulement [Figure 43] :

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

3 5 7 9 11 13

∆Q

carb

u (

%)

Longueur d'onde (m)

Effet des moyennes ondes sur la consommation de carburant

IRI 1 m/km

IRI 2 m/km

IRI 3 m/km

IRI 4 m/km

IRI 5 m/km

Figure 42 : Effet des moyennes longueurs sur la consommation de carburant



Comparativement aux petites ondes, la courbe de l’énergie dépensée pour l’avancement du véhicule n’a pas la même allure. Cette fois-ci on peut supposer que l’énergie de roulement que demande le véhicule lorsqu’il s’engage sur la déformation est inférieure à l’énergie qui n’est pas dépensée pendant la période où le véhicule n’est plus en contact avec le sol. Le fait que l’amplitude des déformations grandit en même temps que la longueur amène à penser que plus la déformation grandit, plus l’adhérence avec le sol diminue voire s’annule et donc plus la force de roulement est petite elle aussi.

4.4.3. Grandes ondes : 13m < λ < 40m


98400

98500

98600

98700

98800

98900

99000

99100

99200

99300

99400

3 5 7 9 11 13

ER

(J)

Longueur d'onde (m)

Effet des moyennes ondes sur l'énergie nécessaire au

roulement

IRI 1 m/km

IRI 2 m/km

IRI 3 m/km

IRI 4 m/km

IRI 5 m/km

Figure 43 : Effet des moyennes ondes sur l’énergie nécessaire au roulement

Longueur d'onde Qcarbu QCO2 ∆Qcarbu ERm L/100km kg de CO2/100km % J13 8,457 19,451 0,079 9929720 8,458 19,453 0,091 9928432 8,459 19,457 0,110 9926140 8,459 19,456 0,107 99248

IRI (m/km)1

Tableau 16 : Résultat de l’étude sur l’effet des grandes longueurs d’onde : exemple pour IRI = 1m/km




L’étude des grandes longueurs d’onde révèle des anomalies pour λ > 13m et pour IRI > 2 m/km. Les animations graphiques de ces simulations permettent d’expliquer ces anomalies. On remarque que l’élévation du véhicule, lorsqu’il franchit la déformation, ne correspond pas avec l’amplitude de cette même déformation. On constate donc que pour h > 10 cm environ le véhicule ne réagit plus correctement aux déformations. Pour franchir toutes les bosses où h > 10 cm qui sont présentes dans les profils typiques créés le véhicule doit contrer des dénivelés tels que dans le tableau suivant [Tableau 17] :

Ces dénivelés dépassent tous les 30°, et il semble difficile pour un véhicule circulant à 90 km/h de franchir de telles déformations sans subir de désordre. Deux théories se présentent pour expliquer cela :

1. Le modèle de calcul utilisé par le logiciel CarSim n’est pas assez puissant pour prendre en compte des déformations ayant ces dimensions. Cependant, les nombreuses

-0,800

-0,700

-0,600

-0,500

-0,400

-0,300

-0,200

-0,100

0,000

0,100

0,200

0,300

13 18 23 28 33 38

∆Q

carb

u (

%)

Longueur d'onde (m)

Effet des grandes ondes sur la consommation de carburant

IRI 1 m/km

IRI 2 m/km

IRI 3 m/km

IRI 4 m/km

IRI 5 m/km

Figure 44 : Effet des grandes ondes sur la consommation de carburant

λ

IRI = 3 IRI = 4 IRI = 5 IRI = 3 IRI = 4 IRI = 520 10,46 34,8932 10,07 13,42 16,78 33,87 41,82 48,2140 12,5 16,67 20,83 39,81 48,02 54,24

cm

h

°dénivellée

m

Tableau 17 : Dénivelés des déformations pour h > 10 cm



simulations effectuées lors de la prise en main du logiciel ont montré que CarSim était un outil très puissant pour simuler le comportement d’un véhicule.

2. La modélisation des profils typiques n’est pas optimale pour cette étude. Une révision de la forme des bosses serait envisageable, et plus précisément de la largeur des bosses.

La deuxième théorie semble la plus probable.

Ci-dessous la figure relative à l’effet des grandes ondes sur l’énergie de roulement [Figure 45] :

L’allure des courbes pour les grandes ondes est comparable à celle des moyennes ondes, mais l’économie d’énergie est beaucoup plus significative pour les grandes ondes.

95500

96000

96500

97000

97500

98000

98500

99000

99500

13 18 23 28 33 38

ER

(J)

Longueur d'onde (m)

Effet des grandes ondes sur l'énergie nécessaire au

roulement

IRI 1 m/km

IRI 2 m/km

IRI 3 m/km

IRI 4 m/km

IRI 5 m/km

Figure 45 : Effet des grandes ondes sur l’énergie nécessaire au roulement



4.4.4. Conclusion

Le récapitulatif de cette étude est présenté dans le tableau ci-dessous [Tableau 18].

Tableau 18 : Tableau récapitulatif des conclusions à tirer sur l’étude de l’effet de la longueur d’onde sur la consommation de carburant et sur l’énergie nécessaire au roulement à IRI constant

Type de profiltypique

L'objectif était de mesurer la Une diminution de la longueur d'onde a unconsommation de carburant impact négatif insignifiant sur la consommation

et l'énergie nécessaire au de carburant,roulement d'automobiles lourdes La différence maximale constatée

pour des profils typiques par rapport à une chaussée parfaitement lisseà petites ondes est de 0,069% pour λ = 1m et IRI = 5m/km

par rapport à une route Les petites ondes n'ont, pour ainsi dire, aucunsans déformation, à IRI constant effet ni sur l'énergie nécessaire au roulement

ni sur l'émissions de gaz à effet de serreUne diminution de la longueur d'onde a un

impact positif insignifiant sur la consommation de carburant.

La différence maximale constatée par rapport à une chaussée parfaitement lisse

L'objectif était de mesurer la est de 0,299% pour λ = 8m et IRI = 5m/kmconsommation de carburant λ = 8m correspond à la fréquence de

et l'énergie nécessaire au résonance du véhiculeroulement d'automobiles lourdes Une diminution de la longueur d'onde a un impact

pour des profils typiques positif très faible sur l'énergie nécessaireà moyennes ondes au roulement.

par rapport à une route L'économie maximale constatée par rapport à unesans déformation, à IRI constant chaussée parfaitement lisse est de -0,78%

pour λ = 13m et IRI = 5m/kmUne augmentation de la longueur d'onde

ne provoque pas une diminution d'émissionsde gaz à effet de serre importante

Le logiciel CarSim donne des résultats incohérents pour la consommation de carburant

à cause de la modélisation desprofils typiques adoptée

Une révision de la géométrie des déformationsL'objectif était de mesurer la est à revoir, en particulier la largeur l consommation de carburant Une élévation de la longueur d'onde a un impact

et l'énergie nécessaire au positif intéressant sur l'énergie nécessaireroulement d'automobiles lourdes au roulement.

pour profils typiques L'économie maximale constatée par rapport à uneà grandes ondes chaussée parfaitement lisse est de -3,43%

par rapport à une route pour λ = 40m et IRI = 5m/kmsans déformation, à IRI constant Les grandes longueurs d'onde sont bénéfiques

pour la force de roulement mais néfastes pourl'adhérence du pneu à la chaussée

L'économie maximale de CO2 dégagé avec l'augmentation de la longueur d'onde

est de -0,69%

13m < λ < 40m


1m < λ < 3,3m

3,3m < λ < 13m



Le but étant de trouver une ou plusieurs solutions pour diminuer la consommation de carburant, l’étude qui vient d’être menée montre qu’une action de réfection sur les déformations à très petites longueurs d’onde n’est pas un bon moyen pour y arriver puisqu’elles diminuent l’adhérence et donc le contrôle du véhicule. Il en découle que la sécurité du conducteur ne sera plus bonne.

4.5. Effet de la géométrie des déformations sur la consommation de carburant

Pour venir compléter les deux études précédentes, une série de simulations complémentaires ont été effectuées pour étudier l’effet de modifications des profils typiques initiaux. Seule la variation de la consommation de carburant sera analysée.

Toutes les simulations ont été faites pour λ = 8m (fréquence de résonance du véhicule) et IRI = 5m/km.

Cette étude sur la géométrie des déformations a été menée à vitesse de déplacement constante Vd = 90 km/h. Les paramètres de la géométrie des déformations qui ont été modifiés sont :

• Le nombre de déformations par longueur d’onde : 1, 3 et 5 déformations ; • La forme de la déformation : triangulaire, trapézoïdale et sinusoïdale.

L’étude a été menée en deux parties. Tout d’abord les courbes de consommation de carburant et de différence de consommation, par rapport à une chaussée lisse, ont été tracées en fonction de l’IRI. Ensuite, une comparaison de la consommation entre les différentes géométries a permis de révéler la forme la plus néfaste pour le véhicule.

Le tableau présentant tous les résultats obtenus sont disponibles en annexe [Annexe 6]. Pour exemple, la figure suivante [Figure 46] montre l’effet de la forme de la déformation sur la consommation de carburant.



Le tableau suivant [Tableau 19] présente les conclusions de cette étude :

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0 1 2 3 4 5

∆Q

carb

u (

%)

IRI (m/km)

Effet de la forme de la déformation sur la

consommation de carburant par rapport à une

chaussée parfaite

1 bosse triangulaire

sinusoide

1 trapèze

1 creux

Figure 46 : Effet de la forme de la déformation sur la consommation de carburant


Plus le nombre de déformations par longueur d'onde augmente et plus la consommation de

carburant diminueLa réduction maximale de la consommation entre

1 et 5 déformations est de 0,28%Un profil typique constitué de longueurs

L'objectif était de mesurer la d'onde en forme de sinusoïde peut provoquer uneconsommation de carburant hausse de +0,4% de la consommation pour

en faisant varier la forme un IRI de 5 m/km par rapport au profil typique initialdu profil, de la déformation Un profil sinusoïdal peut provoquer une hausse deet l'IRI à vitesse constante +0,75% de la consommation par rapport à une

Vd = 90 km/h chaussée parfaitement lisseUne déformation trapézoïdale engendre une infime

augmentation de la consommation par rapportà la déformation initiale de l'ordre de +0,01%

Pour un creux ayant les mêmes dimensionsqu'une bosse, il n'y a aucune variation de

consommation


1 < IRI < 5

Tableau 19 : Tableau récapitulatif des conclusions à tirer sur l’étude de l’effet de la forme du profil et des déformations sur la consommation de carburant en fonction de l’IRI



5. Simulation sur des profils réels

5.1. Introduction

L’un des objectifs de ce projet de recherche est de comparer les résultats obtenus sur des profils théoriques à des profils réels mis à disposition par le Ministère des Transports du Québec (MTQ). Ces profils ont été relevés sur sections de route appartenant à la province du Québec. Le tableau suivant [Tableau 20] détaille le nom des routes où les relevés ont été effectués, la municipalité auxquelles elles appartiennent ainsi que la date.

Tableau 20 : Sites expérimentaux des profils réels

Relevé Route Date Municipalité

1 Route 369 7 Avril 2003 Shannon

2 Route 369 7 Avril 2003 Shannon

3 Route 367 7 Avril 2003 Ste Catherine

4 Route 367 7 Avril 2003 Ste Catherine

5 A - 40 7 Avril 2003 St Augustin

Les relevés ont tous été effectués à la même date afin d’avoir les mêmes conditions météorologiques. On remarque qu’on se situe au printemps en période de dégel là où les routes peuvent subir des déformations importantes.

La méthodologie d’analyse de ces profils est la suivante :

• Analyse de l’uni routier avec ProVAL o Visualisation du profil ; o Détermination des sections d’études ; o Calcul de l’IRI pour chaque section ;

• Simulation sur CarSim o Insertion des sections d’études ; o Simulation ; o Exportation des résultats vers Excel.

• Comparaison avec les profils typiques o En termes de consommation de carburant ; o En termes d’énergie nécessaire au roulement.



5.2. Analyse de l’uni routier des profils réels sur ProVAL

La première étape dans l’étude des profils réels est l’analyse de l’uni routier de chacun d’entre eux. Pour se faire l’utilisation du logiciel ProVAL est requise. Les fichiers renfermant les profils réels du MTQ étaient déjà programmés pour être lus dans ProVAL.

Le graphe de l’élévation des voies gauche et droit en fonction de la distance pour le relevé 1 est présenté sur la figure suivante [Figure 47] :

Les graphes des autres profils se trouvent en annexe [Annexe 9].

L’élévation des voies gauche et droite en fonction de la distance a une amplitude de 85cm. Le tableau ci-dessous donne l’amplitude des élévations des sentiers gauche et droit pour l’ensemble des profils réels [Tableau 21] :

Figure 47 : Elévation des voies gauche et droite en fonction de la distance pour le relevé 1

Amplitudecm

1 852 463 22,54 17,55 7,3

Relevé

Tableau 21 : Amplitude des élévations des voies gauche et droitepour l’ensemble des profils réels



Ensuite, l’objectif est de prendre chaque relevé, de le découper en tronçon de 160m pour respecter la configuration des profils typiques, de recalculer l’IRI pour chacune de ces sections et de trouver celles où les IRI valent 1 ; 2 ; 3 ; 4 et 5m/km. La figure suivante représente un rapport sous format « .pdf » d’un tronçon de longueur 160m appartenant au relevé 1 et donnant un IRI recalculé de 5.07m/km [Figure 48]

La détermination de chaque tronçon donnant des IRI de 1 à 5m/km est résumé dans les tableaux qui suivent [Tableau 22] ; [Tableau 23] :

Tableau 22 : Tableau récapitulatif de la détermination des tronçons d’études donnant des IRI de 1 ; 2 ; 3 ; 4 et m/km

Distance de départ Distance d'arrivée Relev Lelev RelevLelev Relev Lelev Relev Lelev Relev Lelevkm km m/km m/km m/km m/km m/km m/km m/km m/km m/km m/km

0,00 0,16 5,80 8,87 2,97 3,63 3,64 4,49 6,98 8,50 1,51 1,510,16 0,32 6,53 9,49 2,30 2,64 4,00 4,22 2,23 2,24 1,54 1,910,32 0,48 5,09 6,89 1,36 1,91 1,70 2,13 3,08 2,98 1,51 1,940,48 0,64 6,29 6,42 3,11 3,65 3,73 4,03 2,19 2,16 1,97 2,420,64 0,80 6,30 7,63 3,56 3,33 1,80 2,15 3,14 2,72 2,98 3,730,80 0,96 7,24 8,42 2,74 3,05 1,69 2,09 1,90 2,09 2,47 2,970,96 1,12 8,05 9,19 2,50 3,17 2,56 2,95 2,20 1,97 1,77 2,221,12 1,20 9,58 6,64 2,83 3,64 3,29 4,59 1,91 1,54 1,18 1,00

Relevé 1 Relevé 2 Relevé 3 Relevé 4 Relevé 5

Figure 48 : Rapport de ProVAL concernant un tronçon de 160m appartenant au relevé 1 et donnant un IRI recalculé de 5.07 m/km



Voici l’amplitude des élévations pour les profils réels créés [Tableau 24] :

5.3. Résultats obtenus après simulation des profils réels sur CarSim

Maintenant que l’on dispose des profils réels adaptés à l’étude, l’insertion de ces profils dans CarSim peut être faite ainsi que les simulations. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau ci-dessous [Tableau 25] :

Si on compare la courbe de consommation de carburant en fonction de l’IRI à celles obtenues avec les profils typiques, on obtient la figure qui suit [Figure 49]. Les profils réels sont comparés à trois profils typiques appartenant chacun à une gamme d’onde différente.

Tableau 25 : Résultats de l’étude sur les simulations de profils réels

Tableau 24 : Amplitude des élévations des profils réels créés

Tableau 23 : Résultats obtenus pour les IRI recalculés sur ProVAL pour chaque tronçon d’étude

IRI IRI réel Faéro Fx Ftot P ER ∆Qcarbu Em ER/Em

m/km m/km N N N W J L/100km L % J %0 0 310,33 310,30 620,64 15516 99302 8,450 0,013520 0,000 432650 22,9521 1,36 310,33 309,03 619,36 15484 99098 8,461 0,013538 0,132433219 22,8752 2,09 310,33 310,47 620,80 15520 99328 8,473 0,013556 0,264433793 22,8983 2,98 310,33 309,72 620,05 15501 99209 8,474 0,013559 0,286433888 22,8654 4,03 310,33 309,07 619,41 15485 99105 8,482 0,013570 0,371434256 22,8225 5,09 310,33 307,95 618,28 15457 98924 8,483 0,013573 0,392434347 22,775

Qcarbu

IRI recherché IRI réel IRI recalculéProfils crées Profils réels m/km m/km m/km

Profil 1 Relevé 2 1,00 1,36 1,36Profil 2 Relevé 4 2,00 2,09 2,06Profil 3 Relevé 5 3,00 2,98 2,90Profil 4 Relevé 3 4,00 4,03 4,02Profil 5 Relevé 1 5,00 5,09 5,07

Amplitudecm

1 112 53 6,54 85 20,5

Profils créés



Jusqu’à IRI = 1m/km, la consommation pour les profils réels est confondue avec celle pour λ = 8m, puis la consommation « dépasse » cette dernière pour atteindre environ +0.4% de différence par rapport à un IRI = 0m/km, soit 0.1% de plus que pour λ = 8m. Malgré le pic que l’on trouve à IRI = 2m/km, les allures des courbes sont relativement identiques.

Sachant cela, on peut dire qu’il est possible d’estimer de façon théorique la consommation de carburant d’un véhicule par l’intermédiaire d’un logiciel de simulation automobile. Cependant, il faut également pouvoir estimer le pourcentage d’erreur commise grâce à de nombreuses simulations qui pourraient donner une valeur moyenne représentative.

En ce qui concerne la comparaison en termes d’énergie nécessaire au roulement, le constat est sensiblement le même. Comme le montre la figure ci-dessous [Figure 50], les allures des courbes sont comparables, bien que l’on remarque, là aussi, une discontinuité pour IRI = 1.36m/km.

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

0,450

0 1 2 3 4 5

∆Q

carb

u (

%)

IRI (m/km)

Comparaison entre les profils réels et typiques en

termes de consommation de carburant

Profils réels

Longueur d'onde 1m

Longueur d'onde 8m

Longueur d'onde 13m

98400

98600

98800

99000

99200

99400

0 1 2 3 4 5

ER

(%)

IRI (m/km)

Comparaison entre des profils réels et typiques en

termes d'énergie nécessaire au roulement du

véhicule

Profils réels

Longueur d'onde 1m

Longueur d'onde 8m

Longueur d'onde 13m

Figure 49 : Comparaison entre les profils réels et typiques en termes de consommation de carburant

Figure 50 : Comparaison entre les profils réels et typiques en termes d’énergie nécessaire au roulement



6. Discussion

Le logiciel CarSim n’a encore jamais été utilisé pour l’étude de la consommation de carburant d’un véhicule dans un projet de recherche. Donc, aucune bibliographie à ce sujet n’était disponible et de nombreuses questions quant à l’utilisation de ce logiciel sont apparues. Il a fallu faire des choix dans la configuration du véhicule simulé et dans le format des résultats recherchés sans connaître à l’avance l’impact réel sur la suite du projet.

Certains résultats obtenus ont montré que la modélisation des profils typiques adoptée n’était pas adaptée pour les simulations dynamiques. Cela indique donc que le logiciel CarSim a des limites qu’il est essentiel de bien définir pour la suite des recherches.

Le but de cette partie est donc de discuter des choix qui ont été faits et de voir quelles améliorations pourraient être apportées pour la suite des recherches de M. Louis Gagnon ou pour de futurs projets dans ce domaine.

Les discussions sur les différents problèmes rencontrés sont les suivants :

• Lors de la prise en main du logiciel CarSim, on a remarqué que parmi les dizaines d’exemples fournis dans la base de données, aucun ne fait référence à la consommation de carburant, ce qui confirme l’idée que l’utilisation de ce logiciel pour l’étude de la consommation de carburant est une idée nouvelle.

• Le groupe motopropulseur : Comme il a déjà été expliqué dans le Chapitre 3, le logiciel CarSim permet de configurer le groupe motopropulseur du véhicule. Certains options sont prédéfinies pour chaque véhicule mais d’autres sont à préciser, en l’occurrence il s’agit de l’option « Fuel Consumption rate ». En effet, le logiciel propose seulement deux modes de consommation de carburant pour des moteurs de puissance 150kW et 300kW. Le choix qui avait été fait était de choisir le mode 300kW. Cependant, étant donné que le moteur associé au véhicule simulé a une puissance de 250kW, l’association (250kW ; 300kW) ne semble pas cohérente. Une association (250kW ; 250kW) aurait été plus logique, mais le logiciel ne propose pas assez de choix pour obtenir cette association.

• Définition du format des résultats désirés : Il aurait été intéressant de pouvoir obtenir la valeur de l’énergie nécessaire au roulement ou du moins l’énergie totale dépensée par le véhicule. Cela aurait évité de devoir passer par la décomposition en une force de résistance et une force aérodynamique.

• Définition du type de résultats désirés : A ce niveau on avait à choisir entre une fréquence de simulation de 1000Hz ou 10000Hz. La différence entre les deux est que la fréquence de 10000Hz calcule pour plus de points (une mesure tous les 2.5mm pour une vitesse de 90km/h, alors qu’une fréquence de 1000Hz effectue une mesure tous les 25mm) ce qui rend les résultats plus précis. Cependant, le temps de simulation est relativement plus élevé que pour 1000Hz. Le choix s’est donc porté sur cette dernière afin de pouvoir réaliser le plus de simulations possibles en un minimum de temps même si on observe une différence dans les résultats obtenus pour les deux fréquences de simulation mais elle est insignifiante.


76 GC5 ATE CONCLUSION GENERALE

CONCLUSION GENERALE

La revue littéraire qui a débuté ce projet a permis de comprendre en détail ce que représente l’uni d’une chaussée. Les variations du profil en long sont dues aux déformations de la surface de la route. L’identification de tous les types de déformations que peut rencontrer un automobiliste ainsi que sur leurs caractéristiques géométriques, a pu être faite.

Un récapitulatif des projets déjà menés sur la problématique de l’effet de l’uni sur la consommation de carburant ou sur l’énergie nécessaire au roulement a montré des conclusions variées, mais aucun de ces projets n’a utilisé une approche théorique. L’utilisation du logiciel CarSim a permis d’amener une nouvelle approche. La multitude de possibilités de configurations, la rapidité et la fiabilité de calcul de ce logiciel en font un outil théorique très puissant. Il n’apparaît, cependant, pas assez développé pour une étude sur la consommation de carburant.

Les résultats ont également montré que le logiciel CarSim était sensible aux déformations minces avec de grandes amplitudes. Le problème provenait des profils typiques générés par le script Bash. La combinaison d’un intervalle entre chaque point des profils trop petit avec une interpolation inadéquate effectuée par le logiciel a permis de conclure qu’une optimisation des profils typiques devaient être faite, ainsi qu’une analyse approfondie des modèles de calcul utilisés par le logiciel.

Ces profils typiques auront permis tout de même d’isoler l’effet d’une variation de l’IRI, de la longueur d’onde, ou encore de la géométrie des déformations sur la consommation de carburant et d’énergie nécessaire au roulement. Les variations de ces consommations par rapport à une chaussée parfaitement lisse existent mais sont insignifiantes en termes d’économie d’argent et d’émissions de gaz à effet de serre. Les pourcentages de variation obtenus ne sont pas en accord avec les études déjà menées. Pourtant, on décèle quand même, toute proportion gardée, des variations intéressantes lorsqu’on modifie certains paramètres, tels que le coefficient de roulement, la vitesse de déplacement, la fréquence de calcul du logiciel ou encore le type d’interpolation utilisé pour les profils typiques.

Ce projet n’est qu’un préambule dans l’étude de l’effet de l’uni sur la consommation de carburant par une approche théorique avec un logiciel de simulation. Il servira donc d’ébauche aux futurs projets. Ainsi, les travaux synthétisés dans ce mémoire n’ont pas pu permettre de conclure quant à la fiabilité du logiciel CarSim v.8.02, du moins pour cette étude.

La ressemblance des gammes d’ondes (PO, MO, GO) utilisées par le Canada et la France permettrait une uniformisation des résultats obtenus par les deux pays, voire même au niveau international si tous les membres de l’OCDE s’accordaient à utiliser les mêmes catégories d’ondes.


77 GC5 ATE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

1. Fradette, N., (2005), Etude des conséquences de la détérioration de l’uni des chaussées sur le comportement des véhicules et la sécurité des usagers de la route, Mémoire de maîtrise présenté à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval, 112 p.

2. Vassev, V., (2005), Etude des conséquences de la détérioration de l’uni des chaussées

sur le comportement des véhicules, Mémoire de maîtrise présenté à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval, 92 p.

3. Richard, M.J., Doré, G., Vassev V., Fradette N., (2009), Etude des conséquences de la

détérioration de l’uni des chaussées sur le comportement des véhicules et la sécurité des usagers de la route, Revue canadienne de génie civil, Volume 36, number 3, p. 504-513.

4. Sayers, M.W., Karamihas, S.M., (1998), The Little Book of Profiling, Basic information

about Measuring and Interpreting Road Profiles, 100 p.

5. Gagnon, D., Beaulac, I., Doré, G., Pierre, P., (2006), Incidence de l’uni et du type de chaussée sur le coût d’opération d’un véhicule, sur l’émission des gaz à effet de serre et sur la sécurité des usagers de la route, Rapport GCT, Université Laval, Québec , Canada, 97 p.

6. du Plessis, H.W., Visser, A.T., et Curtayne, P.C., (1985), Fuel Consumption of Vehicles

as Affected by Road-Surface Characteristics, Surface Characteristics of Roadways, STP 1031, p. 480-496

7. Durand, J.M., et Doré, G., (1993), Manuel d’identification des dégradations des

chaussées flexibles. Direction des communications, ministère des Transports du Québec, Québec, QC, 58 p.

8. Vaillancourt, M., Perraton, D., Dorchies, P., Doré, G., (2002), Décomposition du pseudo-

profil et analyse de l’indice de rugosité international (IRI), publié sur le site Web des Presses scientifiques du CNRC, p. 923-933

9. Les Plénières 2009 du LCPC, (2009), Sciences et techniques du Génie Civil, Journées

Techniques Routes de Nantes

10. Martin, J.M., (2007), MLPL (MultiProfilomètre Longitudinal) Mesure sans contact de l’uni longitudinal, Journées Techniques Uni LCPC

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couches de roulement neuves, (2000), Ressaisie DTRF


78 GC5 ATE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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13. Guide de consommation de carburant 2010, (2010), Ressources naturelles Canada

14. Site internet de l’Université Laval. Adresse URL : http://www.ulaval.ca


79 GC5 ATE / Annexes

Annexe 1 : Planning prévisionnel de l’organisation du PFE

Accueil + intégration à l'environnement

Rencontre avec Louis Gagnon pour l'orientation du projetRéaliser une revue de littérature

Orienter les recherchers sur :

Effet de la condition des chaussées sur la consommation d'essence des véhicules Quantification de l'énergie nécessaire au roulement d'un véhicule

Longueur d'ondes critiques en termes de consommation

Familiarisation avec le logiciel CARSIM et simulations préliminaires

Utilisation de CARSIM pour étudier l'effet de la condition de la chaussée sur le comportement des véhicules Incorporation de profils typiques de surface de chaussée dans le logiciel Analyse des profils en termes d'uni et comparaison avec les données disponibles

Quantifiaction de l'énergie nécessaire au roulement d'une roue virtuelle sur un profil routier parfait et imparfait Traduction de l'énergie nécessaire au roulement en termes de consommation

d'essence et d'émissions de gaz à effet de serre

Analyse et interprétation des résultats de simulation

Essais complémentairesRédaction du rapport

Projet de Fin d'Etudes

Planning prévisionnel

S1

Janvier

S2 S3 S4

Février Mars Avril Mai Juin

S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S20S15 S16 S17 S18 S19



Annexe 2 : Dégradations possibles d’un profil routier

Dégradation Illustration Dégradation Illustration Dégradation Illustration

Fissure transversale Ornière à faible rayon Ressuage

Fissure en piste de roues Ornière à grand rayon Pelade

Fissure longitudinale hors piste de roue Affaissement Nid-de-poule

Fissure de gel (lézarde) Soulèvement différentiel Dénivellation des regards

Fissure en carrelage Désordre du profil Fissuration autour des regards

Fissure en rive Désenrobage et arrachement Coupe et tranchée



Annexe 3 : Script Bash générant les profils typiques : exemple d’une longueur d’onde de 8m et d’un IRI = 5m/km

#! /bin/bash ### détermination des 4 entrées au script, $1, $2,. ..,$4 longOnde=$1 # longueur d'onde de la bosse ampli=$2 # amplitude de la bosse (attention si a mplitude trop petite on aura une division par zero seule=$3 # 1 =1 si une seule bosse par longueu r d'onde, sinon pas =1 testmode=$4 #=1 si test de IRI sur un seul loop iter=$5 #=1 si on itère pour trouver un IRI=1, si non = autre intervaleMesure=0.015 # changé à 15cm pour adapter au données du MTQ et ensuite divisé par 10 pour l'interpolation de CarSim moder=1 #modificateur de l'amplitude pour looping result=5 #valeur initial du résultat: n'importe quo i sauf 1 while [ "$result" != "1.00" ] ; do ampli=`printf "%.8f" \`calc $moder*$ampli|sed s/~// \`` nbrePoints=`printf "%.f" \`calc $longOnde/$interval eMesure|sed s/~//\`` nbreLoop=`printf "%.f" \`calc 160/$nbrePoints/$inte rvaleMesure|sed s/~//\`` #nbre de periodes d'oscillation pour atteindre 160m if [ "$testmode" -eq "1" ]; then nbreLoop=1 fi echo "Longueur d'onde: " $longOnde " Hauteur des bo sses: " $ampli " Bosse seule? " $seule rm itMod1.erd itMod2.erd linenumber=1 for i in $(seq 0 1 $nbrePoints) do profil[$i]=0; done echo "ERDFILEV2.00" >> itMod1.erd echo "2, `calc $nbrePoints*$nbreLoop`, -1, 1, 5, $intervaleMesure, -1, " >> itMod1.erd echo "SHORTNAMLElev. RElev. " >> itMod1.erd echo "UNITSNAMm m " >> itMod1.erd echo "XLABEL Distance " >> itMod1.erd echo "XUNITS m " >> itMod1.erd echo "END " >> itMod1.erd for i in $(seq 1 1 $nbrePoints) do if [ "$i" -eq "$fstBmp" ] || [ "$i" -eq "$sndBmp" ] || [ "$i" -eq "$trdBmp" ]; then for k in $(seq 1 1 10) do profil[$(($i+$k))]=`calc $k/10*$ampli` profil[$(($i+20-$k))]=`calc $k/10*$ampli` done fi done



for j in $(seq 1 1 $nbreLoop) do for i in $(seq 1 1 $nbrePoints) do ipro=${profil[$i]} lnpVal[$linenumber]=`echo $j|awk -v Iprofil="$ipro " -v lnumb=$linenumber 'BEGIN{ print Iprofil, Iprofil }'` echo ${lnpVal[$linenumber]} >> itMod1.erd lnp[$linenumber]=`echo $i|awk -v Iprofil="$ipro" - v lnumb=$linenumber -v intMes=$intervaleMesure 'BEGIN{ print lnumb*intMes, Iprofil, Iprofil, Iprofil, Iprofil }'` echo ${lnp[$linenumber]} >> itMod2.erd let linenumber++ done done if [ $iter -eq "1" ] ; then result=`./a.out|grep Aver|sed s/".*rage IRI.*="/""/ |sed s/" m\/km "/""/|sed s/" "/""/g` #pour loop moder=`printf "%.8f" \`calc 1/$result|sed s/~//\`` echo ampli=`printf "%.8f" \`calc $ampli|sed s/~//\` ` else ./a.out break fi done todos itMod1.erd todos itMod2.erd



Annexe 4 : Résultats de l’étude sur l’effet de l’IRI sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au

roulement à longueur d’onde constante



Qcarbu

Longueur d'onde 2m



Longueur d'onde 3,3m

Qcarbu


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,452 1690,4 1690,4 2282,12 8,454 1690,8 1690,8 2282,63 8,456 1691,2 1691,2 2283,14 8,458 1691,6 1691,6 2283,65 8,460 1691,9 1691,9 2284,1

Coût annuel

L/100km L $CAD €

Longueur d'onde 2m

m/km


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,451 1690,2 1690,2 2281,82 8,452 1690,4 1690,4 2282,03 8,452 1690,5 1690,5 2282,14 8,453 1690,5 1690,5 2282,25 8,452 1690,5 1690,5 2282,2

Coût annuel

L/100km L $CAD €m/km

Longueur d'onde 3,3m





Longueur d'onde 10m

Qcarbu



Longueur d'onde 5m

Qcarbu


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,454 1690,7 1690,7 2282,52 8,457 1691,4 1691,4 2283,43 8,460 1692,1 1692,1 2284,34 8,463 1692,6 1692,6 2285,05 8,465 1692,9 1692,9 2285,4

€


m/km L/100km L $CAD


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,458 1691,6 1691,6 2283,72 8,465 1693,0 1693,0 2285,53 8,470 1694,0 1694,0 2287,04 8,474 1694,8 1694,8 2287,95 8,475 1695,1 1695,1 2288,4

€m/km L/100km L $CAD






Longueur d'onde 13m

Qcarbu


m/km N N N W J L/100km kg de CO2 /100km L/100km L kg de CO2/100km % J %0 310,33 310,30 620,64 15516 99302 1,9395 4,461 8,450 0,013520 19,435 0,000 432650 22,9521 310,33 310,05 620,38 15510 99261 1,9387 4,459 8,459 0,013535 19,457 0,110 433124 22,9182 310,33 308,58 618,92 15473 99027 1,9341 4,448 8,462 0,013539 19,462 0,139 433250 22,8573 310,33 305,33 615,66 15392 98506 1,9239 4,425 8,454 0,013527 19,445 0,047 432854 22,7574 310,34 300,34 610,68 15267 97708 1,9084 4,389 8,436 0,013498 19,403 -0,167 431928 22,6215 310,34 293,65 603,98 15100 96638 1,8875 4,341 8,411 0,013458 19,345 -0,464 430642 22,440

Longueur d'onde 32m

Qcarbu


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,459 1691,9 1691,9 2284,12 8,462 1692,4 1692,4 2284,73 8,454 1690,8 1690,8 2282,64 8,436 1687,2 1687,2 2277,75 8,411 1682,2 1682,2 2271,0

€


m/km L/100km L $CAD


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,457 1691,4 1691,4 2283,32 8,463 1692,6 1692,6 2285,03 8,467 1693,4 1693,4 2286,14 8,468 1693,6 1693,6 2286,35 8,466 1693,2 1693,2 2285,8


m/km L/100km L $CAD €




Gazole Essence0 8,450 1690,0 1690,0 1943,5 2281,61 8,459 1691,9 1691,9 1945,7 2284,12 8,462 1692,4 1692,4 1946,2 2284,73 8,454 1690,8 1690,8 1944,5 2282,64 8,436 1687,2 1687,2 1940,3 2277,75 8,411 1682,2 1682,2 1934,5 2271,0


m/km L/100km L $CAD€


m/km N N N W J L/100km kg de CO2 /100km L/100km L kg de CO2/100km % J %0 310,33 310,30 620,64 15516 99302 1,9395 4,461 8,450 0,013520 19,435 0,000 432650 22,9521 310,33 310,05 620,38 15510 99261 1,9387 4,459 8,459 0,013535 19,457 0,110 433124 22,9182 310,33 308,58 618,92 15473 99027 1,9341 4,448 8,462 0,013539 19,462 0,139 433250 22,8573 310,33 305,33 615,66 15392 98506 1,9239 4,425 8,454 0,013527 19,445 0,047 432854 22,7574 310,34 300,34 610,68 15267 97708 1,9084 4,389 8,436 0,013498 19,403 -0,167 431928 22,6215 310,34 293,65 603,98 15100 96638 1,8875 4,341 8,411 0,013458 19,345 -0,464 430642 22,440

Longueur d'onde 32m

Qcarbu


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,458 1691,6 1691,6 2283,62 8,463 1692,7 1692,7 2285,13 8,465 1692,9 1692,9 2285,44 8,460 1692,0 1692,0 2284,25 8,449 1689,9 1689,9 2281,4

€


m/km L/100km L $CAD




m/km N N N W J L/100km kg de CO2 /100km L/100km L kg de CO2/100km % J %0 310,33 310,30 620,64 15516 99302 1,9395 4,461 8,450 0,013520 19,435 0,000 432650 22,9521 310,33 309,96 620,30 15507 99248 1,9384 4,458 8,459 0,013535 19,456 0,107 433111 22,9152 310,33 307,93 618,27 15457 98923 1,9321 4,444 8,458 0,013534 19,455 0,098 433075 22,8423 310,33 303,64 613,98 15349 98236 1,9187 4,413 8,444 0,013511 19,422 -0,068 432356 22,7214 310,34 297,34 607,67 15192 97228 1,8990 4,368 8,421 0,013473 19,368 -0,348 431144 22,5515 310,34 289,01 599,34 14984 95895 1,8729 4,308 8,392 0,013427 19,301 -0,693 429653 22,319

Qcarbu

Longueur d'onde 40m


0 8,450 1690,0 1690,0 2281,61 8,459 1691,8 1691,8 2284,02 8,458 1691,7 1691,7 2283,83 8,444 1688,9 1688,9 2280,04 8,421 1684,2 1684,2 2273,65 8,392 1678,3 1678,3 2265,7

€


m/km L/100km L $CAD



Annexe 5 : Résultat de l’étude sur l’effet de la longueur d’onde sur la consommation de carburant et l’énergie nécessaire au roulement à IRI constant

Longueur d'onde Qcarbu QCO2 ER Longueur d'onde Qcarbu QCO2 ∆Qcarbu ER Longueur d'onde Qcarbu QCO2 ∆Qcarbu ERm L/100km kg de CO2/100km J m L/100km kg de CO2/100km % J m L/100km kg de CO2/100km % J1 8,450 19,435 99302 1 8,453 19,441 0,029 99282 1 8,454 19,444 0,042 992482 8,450 19,435 99302 2 8,452 19,440 0,024 99287 2 8,453 19,442 0,034 99257

3,3 8,450 19,435 99302 3,3 8,452 19,439 0,020 99292 3,3 8,452 19,440 0,026 992665 8,450 19,435 99302 5 8,457 19,451 0,081 99290 5 8,460 19,459 0,119 992558 8,450 19,435 99302 8 8,465 19,469 0,174 99261 8 8,470 19,482 0,237 9918810 8,450 19,435 99302 10 8,459 19,456 0,108 99241 10 8,462 19,463 0,143 9914013 8,450 19,435 99302 13 8,463 19,465 0,153 99234 13 8,467 19,474 0,199 9910020 8,450 19,435 99302 20 8,463 19,466 0,156 99160 20 8,465 19,468 0,169 9890732 8,450 19,435 99302 32 8,462 19,462 0,139 99027 32 8,454 19,445 0,047 9850640 8,450 19,435 99302 40 8,458 19,455 0,098 98923 40 8,444 19,422 -0,068 98236

Longueur d'onde Qcarbu QCO2 ∆Qcarbu ER Longueur d'onde Qcarbu QCO2 ∆Qcarbu ERm L/100km kg de CO2/100km % J m L/100km kg de CO2/100km % J1 8,455 19,446 0,055 99201 1 8,456 19,449 0,069 991422 8,454 19,444 0,042 99211 2 8,454 19,445 0,048 99159

3,3 8,453 19,441 0,029 99221 3,3 8,452 19,441 0,027 991765 8,463 19,464 0,149 99208 5 8,465 19,469 0,171 991228 8,474 19,490 0,279 99078 8 8,475 19,494 0,299 9892910 8,464 19,467 0,162 98999 10 8,464 19,467 0,160 9879913 8,468 19,476 0,210 98868 13 8,466 19,471 0,185 9852320 8,460 19,458 0,118 98485 20 8,449 19,434 -0,009 9787232 8,436 8,436 -0,167 97708 32 8,411 19,345 -0,464 9663840 8,421 8,421 -0,348 97228 40 8,392 19,301 -0,693 95895

IRI (m/km)

IRI (m/km)IRI (m/km)

0 2 3

4 5

IRI (m/km) IRI (m/km)



Annexe 6 : Résultats de l’étude sur l’effet de la géométrie du profil et des déformations sur la consommation de carburant

IRI Qcarbu ∆Qcarbu Qcarbu ∆Qcarbu Qcarbu ∆Qcarbum/km l/100km % l/100km % l/100km %

Vitesse de 0 8,450 0,00 8,450 0,00 8,450 0,00déplacement 1 8,478 0,33 8,458 0,09 8,452 0,02

pour la 2 8,495 0,53 8,465 0,17 8,454 0,04simulation 3 8,506 0,66 8,470 0,24 8,456 0,0790 km/h 4 8,512 0,73 8,474 0,28 8,458 0,09

5 8,513 0,75 8,475 0,30 8,460 0,12

IRI Qcarbu ∆Qcarbu Qcarbu ∆Qcarbu Qcarbu ∆Qcarbum/km l/100km % l/100km % l/100km %

Vitesse de 0 8,4502 0,000 8,450 0,00 8,450 0,00déplacement 1 8,4507 0,006 8,458 0,09 8,458 0,10

pour la 2 8,4510 0,009 8,465 0,17 8,465 0,18simulation 3 8,4511 0,011 8,470 0,24 8,471 0,2590 km/h 4 8,4512 0,012 8,474 0,28 8,475 0,30

5 8,4514 0,014 8,475 0,30 8,478 0,32

Profil avec 3 bosses triangulaires

Profil avec 5 bosses triangulairespar longueur d'onde

Profil sinusoidalProfil avec 1 bosse triangulaire

par longueur d'onde par longueur d'onde

Profil avec 1 creux Profil avec 1 bosse trapézoidalepar longueur d'onde par longueur d'onde



∆Qcarbu-1bosse/3bosses∆Qcarbu-1bosse/5bosses ∆Qcarbu-Sin/Triangle 1bosse% % %

0,00 0,00 0,000,07 0,09 0,240,13 0,16 0,350,17 0,23 0,420,18 0,27 0,450,18 0,28 0,45

∆Qcarbu-creux/bosse ∆Qcarbu-triangle/trapèze% %

0,00 0,000,00 0,000,00 -0,010,00 -0,010,00 -0,020,00 -0,02



8,445

8,450

8,455

8,460

8,465

8,470

8,475

8,480

0 1 2 3 4 5

Qca

rbu

(L/

10

0k

m)

IRI (m/km)

Effet du nombre de déformations par longueur

d'onde sur la consommation de carburant


3 bosses triangulaires


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 1 2 3 4 5

∆Q

carb

u (

%)

IRI (m/km)

Effet du nombre de déformation par longueur

d'onde sur la consommation de carburant

1 bosse tringulaire





8,440

8,450

8,460

8,470

8,480

8,490

8,500

8,510

8,520

0 1 2 3 4 5

Qca

rbu

(L/

10

0k

m)

IRI (m/km)

Effet de la forme de la déformation sur la

consommation de carburant


sinusoide

1 trapèze

1 creux

-0,10

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0 1 2 3 4 5

∆Q

carb

u (

%)

IRI (m/km)

Comparaison de la consommation de carburant

entre les différentes géométries de déformations

∆Qcarbu-1bosse/3bosses

∆Qcarbu-1bosse/5bosses

∆Qcarbu-Sin/Triangle

1bosse

∆Qcarbu-creux/bosse

∆Qcarbu-triangle/trapèze



Annexe 7 : Elévation des voies gauche et droite en fonction de la distance pour les relevés 2 à 5.

Relevé 2



Relevé 3



Relevé 4



Relevé 5

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PROJET DE FIN D’ETUDES - i3c.gci.ulaval.cai3c.gci.ulaval.ca/fileadmin/i3c/documents/Decembre_2012_-_ajouts... · Soutenance présentée le : ... 2.2.1. Types de dégradations d’une