Rapport de Stage - i3c.gci.ulaval.cai3c.gci.ulaval.ca/.../Rapport_de_Stage______quebecois.pdf · Rapport de Stage L. 2 REMERCIEMENTS Je tiens à emecie l’ensemble de la chaie de

Sujet de Recherche :

Étude de l’impact des charges dynamiques sur la chaussée

Juin

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EL

2

REMERCIEMENTS

Je tiens à remercier l’ensemble de la chaire de recherche i3C, Mr PERRON, Mr FACHON, ainsi que les

étudiants pour l’accueil très chaleureux et amical ainsi que l’aide apportée pour découvrir les caractères du

Québec.

Merci en particuliers à Joannie POUPART qui m’a permis d’élargir mes connaissances du Génie routier

en participant à ses expérimentations sur les matériaux.

Mes remerciements également à Louis GAGNON qui durant tous mes essais a pris le temps de

répondre à l’ensemble de mes questions et m’aider à améliorer mes connaissances en mécanique.

Un grand merci à Mr Jean-Pascal BILODEAU pour m’avoir accueillie et guidée à mon arrivée et pendant

toute la durée de mon stage.

Enfin je remercie Mr Guy DORE de m’avoir permis de participer à la chaire i3C pour ces trois mois et

ainsi découvrir le domaine du Génie routier.

3

CONTACTS

DÉPART EMENT GÉNIE C IVI L DE L ’UNIV ERSI T É LAVAL :

Adresse : Pavillon Adrien-Pouliot

1065, avenue de la Médecine

Bureau 1916

Université Laval

Québec (Québec) G1V 0A6

Téléphone : (1) 418 656-2206

Courriel: [email protected]

Site Web: http://www.gci.ulaval.ca

MAÎTR E DE STAGE :

Guy DORÉ

Adresse : Département de génie civil et de génie des eaux

Pavillon Adrien-Pouliot, local 2908

1065, avenue de la Médecine Université Laval

Québec, Canada

G1V 0A6

Téléphone :(1) 418 656-2131 poste 2203

Télécopieur : (1)418 656-2928

Courriel : [email protected]

TUTEUR :

Jean-Pascal BILODEAU

Téléphone : (1) 418 656-2131 poste 7242

Télécopieur : (1) 418 656-2928


TUTEUR À PO LY T ECH N AN T ES :

Fateh BENDAHMANE

Adresse : École polytechnique de l'université de Nantes

Département Génie Civil - Polytech Nantes Bureau 338

Site de Gavy

Gavy Océanis

BP 152

44603 St Nazaire cedex

Téléphone. : 02 40 90 50 54


mailto:[email protected]

4

INTRODUCTION

Pour clore notre 2ème

année de Génie Civil j’ai souhaité découvrir le Génie Routier afin d’élargir mes

connaissances dans un domaine qui m’attire pour l’avenir. Pour en savoir plus sur les enjeux, les problèmes

rencontrés par les professionnels ainsi que les avancées en Génie Routier j’ai choisi d’intégrer un groupe de

recherche à l’Université Laval de Québec, la chaire de recherche i3C (Interactions entre Charges lourdes, Climat

et Chaussée).

En plus d’avoir choisi le Québec pour son savoir important sur le sujet, il était intéressant de traiter les

problèmes des infrastructures du transport dans une région où les écarts de températures affectent beaucoup

plus sérieusement les chaussées qu’en France.

Et pour finir il me plaisait de découvrir cette vaste région connue pour ses nombreux lacs, sa culture et

sa population accueillante.

Le rapport qui suit est une synthèse du travail effectué en cours de ces trois mois de stage ainsi qu’une

présentation du

5

TABLE DES MATIÈRES Contacts .................................................................................................................................................................. 3

Partie 1 : Présentation ............................................................................................................................................ 8

1. Présentation du Québec ............................................................................................................................ 8

1.1. Géographie ........................................................................................................................................ 8

1.2. Histoire .............................................................................................................................................. 8

1.3. Climat ................................................................................................................................................ 9

2. Présentation de l’Université Laval ............................................................................................................. 9

2.1. Histoire et localisation ....................................................................................................................... 9

2.2. Les Facultés ....................................................................................................................................... 9

2.3. Faculté des Sciences et des Génies : Département Génie Civil ....................................................... 10

Partie 2 : La Chaire Industrielle I3C ....................................................................................................................... 10

1. Présentation de la chaire ......................................................................................................................... 10

1.1. Objectif général ............................................................................................................................... 10

1.2. Thèmes de recherche ...................................................................................................................... 11

1.3. L’équipe ........................................................................................................................................... 11

2. Présentation du thème : étude de l’effets des charges dynamiques ...................................................... 12

2.1. Objectifs .......................................................................................................................................... 12

2.2. Travail à effectuer ........................................................................................................................... 12

Partie 3 : Recherche bibliographique et TruckSim ............................................................................................. 12

1. Recherche bibliographique ...................................................................................................................... 12

1.1. Introduction .................................................................................................................................... 12

1.2. Les chaussées .................................................................................................................................. 13

1.3. Les charges d’un véhicule ................................................................................................................ 14

1.4. Interaction véhicule – chaussée ...................................................................................................... 14

2. Logiciel TruckSim .................................................................................................................................. 15

2.1. Origine du logiciel ............................................................................................................................ 15

2.2. Fonctionnement .............................................................................................................................. 15

2.3. Données de sortie ........................................................................................................................... 17

Partie 4 : Expérimentation .................................................................................................................................... 18

1. Dimensionnement ................................................................................................................................... 18

1.1. Composition du véhicule ................................................................................................................. 18

1.2. Vérification des hypothèses ............................................................................................................ 19

2. Résultats : ................................................................................................................................................. 20

2.1. Profil de route : bosse triangulaire .................................................................................................. 20

6

2.2. Profil de route : Différence de niveau (« marche d’escalier ») ....................................................... 25

2.3. Profil de route : Sinusoïdale ............................................................................................................ 30

2.4. Profil de route réel : IRI de 6,64 ...................................................................................................... 34

TABLE DE ILLUSTRATIONS

FIGURE 1 : MESURES DE LA RÉPARTITION DES PRESSIONS DE CONTACT D’UN PNEU POUR DIFFÉRENTES

CONDITIONS DE CHARGE (DE BEER, FISHER ET AL. 1997) ............................................................................. 14

FIGURE 2 : INTERFACE DU LOGICIEL TRUCKSIM .................................................................................................... 16

FIGURE 3 : PAGE DE RÉGLAGE DES DONNÉES DU TRACTEUR ............................................................................... 16

FIGURE 4 : PAGE DE RÉGLAGE DES DONNÉES DE LA REMORQUE ........................................................................ 17

FIGURE 5 : COMPARAISON INTÉRIEUR/EXTÉRIEUR : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA

DISTANCE PARCOURUE PAR NOTRE CAMION SUR UN PROFIL AVEC UNE BOSSE DE 3CM DE HAUTEUR

POUR LES PNEUS GAUCHES INTÉRIEURS ET EXTÉRIEURS. EN HAUT VITESSE DE 50KM/H, EN BAS VITESSE DE

110KM/H. ...................................................................................................................................................... 19

FIGURE 6 : COMPARAISON GAUCHE/DROITE : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA

DISTANCE PARCOURUE PAR NOTRE CAMION SUR UN PROFIL AVEC UNE BOSSE DE 3CM DE HAUTEUR

POUR LES ROUES GAUCHES ET DROITE. EN HAUT VITESSE DE 50KM/H, EN BAS VITESSE DE 110KM/H. ..... 20

FIGURE 7: LES COURBES D'ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE

PAR LE CAMION POUR CHAQUE ROUE GAUCHE DES ESSIEUX (EN HAUT); COURBE DE LA VITESSE DU

CAMION ET CELLE DE LA CONSIGNE 30KM/H (EN BAS) ................................................................................ 21

FIGURE 8 : LES COURBES D'ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE

PAR LE CAMION POUR CHAQUE ROUE GAUCHE DES ESSIEUX (EN HAUT); COURBE DE LA VITESSE DU

CAMION ET CELLE DE LA CONSIGNE 50KM/H (EN BAS) ................................................................................ 22

FIGURE 9 : COURBES D'ÉVOLUTION DU RAPPORT DE FORCES FMAX/FCST EN FONCTION DE LA VITESSE V DU

CAMION POUR LES PNEUS GAUCHES DE CHAQUE ESSIEU ........................................................................... 23

FIGURE 10 : FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA POSITION DE L’AVANT DU CAMION ................................... 25

FIGURE 11 : LES COURBES D’ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE

PAR LE CAMION POUR CHAQUE ROUE GAUCHE DES ESSIEUX POUR UNE VITESSE DE 50KM/H. ................. 26

FIGURE 12 : COURBES D’ÉVOLUTION DU RAPPORT FMAX/FCST POUR L1 EN FONCTION DE LA VITESSE DU

CAMION POUR LES TROIS VALEURS DE « LONGUEUR D’ONDE » ................................................................. 27

FIGURE 13: COURBES D’ÉVOLUTION DU RAPPORT FMAX/FCST POUR L2 EN FONCTION DE LA VITESSE DU


FIGURE 14: COURBES D’ÉVOLUTION DU RAPPORT FMAX/FCST POUR L5 EN FONCTION DE LA VITESSE DU


FIGURE 15: COURBES D’ÉVOLUTION DU RAPPORT FMAX/FCST DE L1, L2 ET L5 EN FONCTION DE LA HAUTEUR DE

LA DÉFORMATION POUR LES TROIS VALEURS DE LONGUEUR D’ONDE POUR LES VITESSES DE 50 ET

90KM/H ......................................................................................................................................................... 29

FIGURE 16 : COURBES WINEP REPRÉSENTANT L’ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE DE CHAQUE ROUE

INTÉRIEURE GAUCHE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE POUR LE PASSAGE DU CAMION À UNE

7

VITESSE DE 50KM/H SUR UN PROFIL SINUSOÏDAL AVEC UNE LONGUEUR D’ONDE DE 2M ET PAR ORDRE

DESCENDANT D’AMPLITUDE DE 1CM, 5CM ET 10CM................................................................................... 31

FIGURE 17 : INFLUENCE DE LA VITESSE : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE DES ROUES DE CHAQUE ESSIEU

EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE PAR LE CAMION SUR UN PROFIL SINUSOÏDAL D’AMPLITUDE

5CM. .............................................................................................................................................................. 32

FIGURE 18 : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE DE CHAQUE ESSIEU EN FONCTION DE LA DISTANCE

PARCOURUE PAR LE CAMION À UNE VITESSE DE 90KM/H POUR UN PROFIL SINUSOÏDAL DE LONGUEUR

D’ONDE 2M ET DE HAUTEUR 10CM. ............................................................................................................. 33

FIGURE 19 : COURBE DU RELIEF DE LA CHAUSSÉE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE PAR LE CAMION.

EN HAUT POUR LA ROUE DE L’ESSIEU AVANT GAUCHE (L1), EN BAS POUR CELLE DE L’ESSIEU AVANT DROIT

(R1) ................................................................................................................................................................ 34

FIGURE 20 : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE AU NIVEAU DE CHAQUE ESSIEU POUR UN PASSAGE D’UN

CAMION SUR UN PROFIL DE ROUTE RÉEL AVEC UN IRI DE 6,64. EN HAUT LES FORCES AU NIVEAU DES

PNEUS GAUCHES, EN BAS CELLES AU NIVEAU DES PNEUS DROITS .............................................................. 34

TABLE DES TABLEAUX

TABLEAU 1 : SEUIL UTILISÉS POUR DÉFINIR L’ÉTAT D’UNE CHAUSSÉE SELON L’IRI .............................................. 13

TABLEAU 2 : SEUILS UTILISÉS POUR DÉFINIR L’ÉTAT D’UNE CHAUSSÉE SELON .................................................... 13

TABLEAU 3 : RÉCAPITULATIF DES CHARGES LIMITES ACCESSIBLES PAR ESSIEU ................................................... 18

TABLEAU 4 : TABLEAU RÉCAPITULATIF DES OBSERVATIONS FAITES LORS DU PASSAGE DU CAMION SUR UN

PROFIL SINUSOÏDAL À L’AIDE DE=U LOGICIEL D’ANIMATION DE TRUCKSIM POUR LES DIFFÉRENTES

VALEURS DE LONGUEUR D’ONDE, AMPLITUDE ET VITESSE .......................................................................... 33

8

PARTIE 1 : PRÉSENTATION

1. PRÉSENTATION DU QUÉBEC

1.1. GÉO GRAPHI E

Le Québec est une province du Canada soit un État fédéré du Canada. Elle est d’ailleurs la plus vaste province

du Canada avec 1 667 441 km² soit 2,5 fois la France environ, étalée des Grands Lacs jusqu’au Cap

Wolstenholme. Cependant elle ne compte que 8,01 millions d’habitants ! La province du Québec se démarque

des autres provinces du Canada par sa culture, sa langue officielle (le français) ainsi que par ses institutions

donnant un sentiment de nation à part.

La ville de Québec en est la capitale avec 511 789 habitants, elle est située sur le Saint Laurent. Son nom est

donné par les Algonquins (peuple autochtone d’Amérique du Nord) et signifie « là où le fleuve se rétrécit ».

1.2. H ISTOIR E

On estime que les premiers habitants sont arrivés il y a environ 30 000 ans et les premiers Inuits il y a mille

ans. L’histoire du Québec en tant que Nouvelle-France commence en 1534 lorsque Jacques Cartier, navigateur

et explorateur français, toucha les terres québécoises. Mais ne trouvant pas de richesses, de terres

hospitalières et sans cesse attaqué par les Amérindiens la France ne s’intéressera plus à Canada. Cependant

certains pêcheurs et marchants continuent de traverser l’Atlantique pour profiter des richesses fauniques du

Québec et peu à peu s’installent.

C’est en 1608 après avoir exploré le Saint Laurent et l’Acadie que Samuel de Champlain, navigateur

français fonde la ville de Québec qui devient le véritable premier établissement français permanent aux

Amériques. Seulement la colonisation sera très lente car la France n’investit pas suffisamment. En 1663 le roi

Soleil cherche à développer la Nouvelle-France et donc met en place de véritables institutions administratives

et on voit apparaître un réel gouvernement royal.

Durant toutes ces années la France essuie de nombreux affrontements avec les colonies britanniques qui

finiront en 1759 par la perte de Québec et en 1760 la perte de Montréal. Le régime britannique est officialisé

en 1763 par le traité de Paris dans lequel l’Empire britannique demande à la France de choisir entre sa colonie

de Nouvelle-France ou celles des Antilles. Le choix sera vite fait les Antilles offrant des ressources faciles à

exploitées et étant plus faciles à protéger.

Le nombre majoritaire de francophones au Québec par rapport aux anglophones oblige l’Empire

britannique de d’accepter en 1774 l’Acte de Québec, acte qui redonne aux canadiens-français certaines règles

françaises telles que le code civil. Suite à sa défaite lors de la guerre d’Indépendance des États-Unis, l’Empire

britannique scinde le Canada en deux régions : le Bas-Canada où sont installés les francophones, et le Haut-

Canada où s’installent les colons britanniques anglophones fidèles à la couronne. Il y cependant des

mésententes dans les deux régions, c’est en 1867 que l’Acte de l’Amérique du Nord britannique est proclamé

dans lequel l’État québécois est investi de la souveraineté politique dans le domaine limité à ses compétences

législatives.

9

1.3. CLI MAT

Une des caractéristiques remarquables du Québec est son climat. En effet le Québec possède quatre saisons

qui peuvent différer selon les régions. L’écart de température tout au long de l’année est très important, en été

les températures relevées peuvent atteindre jusqu’à 35°C dans le sud de la région et jusqu’à – 40°C en hiver.

Ces variations de température ont des conséquences sur les constructions québécoises et en particulier les

infrastructures routières

2. PRÉSENTATION DE L ’UNIVERSITÉ LAVAL

2.1. H ISTOIR E ET LO CALI SAT ION

L’Université Laval voit ses origines remonter au XVIIIème

siècle lorsque Monseigneur Laval fonde à Québec le

Séminaire, premier établissement d’enseignement de la Nouvelle-France qui dans un premier temps vise à

former les prêtes de la colonie puis s’étendra par la suite aux professions libérales. En 1852 il existe plusieurs

établissements universitaires anglophones mais aucun francophone c’est pourquoi le Séminaire crée

l’Université Laval. C’est en 1950 que le campus situé dans l’arrondissement de Sainte-Foy est construit afin de

regrouper toutes les facultés.

2.2. LES FACULTÉS

L’université Laval compte 17 facultés regroupées sur son campus, exceptée l’école d’architecture qui se situe

dans le vieux Québec dans le Séminaire, elles sont les suivantes :

Aménagement, architecture et arts

visuels

Droit

Études supérieures

Foresterie, géographie et géomatique

Lettres

Médecine

Médecine dentaire

Musique

Pharmacie

Philosophie

Sciences de l'administration

10

Sciences de l'agriculture et de

l'alimentation

Sciences de l'éducation

Sciences et génie

Sciences infirmières

Sciences sociales

Théologie et sciences religieuses

Cela regroupe plus de 45 000 étudiants, dont 4 000 viennent de l’étranger et 2 500 professeurs et chargés de

cours. L’université Laval est classée dans les 10 plus grandes universités de recherche au Canada et possède un

fond de recherche avoisinant les 280 millions de dollars.

2.3. FACULT É DES SCI EN CES ET DES GÉNI ES : DÉP ART EMENT GÉNI E C I VIL

Le département Génie Civil fait parti de la faculté des Sciences et des Génies et propose deux enseignements :

génie civil et génie des eaux, en baccalauréat (équivalence licence en France), en maîtrise et en doctorat.

Pour s’intéresser plus au secteur de la recherche, actuellement il y a 6 chaires de recherche développées par

l’université avec ou sans partenariat. Il existe 5 centres ou instituts de recherche dirigés par des professeurs du

département ou auxquels ils contribuent. Les activités de recherche du département obtiennent environ

3 700 000 dollars annuellement (en subventions ou contrats de recherche).

L’université de part sa diversité d’enseignements proposés et de part la qualité de ses enseignements attire

bon nombre d’étudiants locaux et étrangers, ainsi que de nombreuses autres universités pour effectuer des

échanges (607 partenariats avec des universités en dehors du Québec). L’université Laval avec ses

investissements souhaite garder son orientation vers une communauté dynamique et porteuse d’avenir et de

réputation internationale.

PARTIE 2 : LA CHAIRE INDUSTRIELLE I3C

1. PRÉSENTATION DE LA CH AIRE

1.1. OBJECTI F GÉN ÉRAL

L’investissement pour le suivi, l’entretien et le développement du réseau routier québécois a été faible durant

les dernières années. Ce manque au fil du temps a été mis en évidence par le niveau avancé de dégradation de

l’ensemble du réseau routier. De plus les évolutions technologiques du trafic ainsi que les contraintes

climatiques importantes ont participé à l’accélération du phénomène.

C’est dans ce contexte que la chaire de recherche industrielle

CRSNG1 ayant pour thème l’Interaction Charges lourdes-

Climat-Chaussées (i3C), a été mise en place à l’été 2008. Elle

a pour objectifs de développer les connaissances ainsi que

des outils nécessaires à la mise en place de chaussées

performantes face à des sollicitations dues à des véhicules

lourds, le tout en prenant compte du climat canadien. Pour

ainsi trouver des solutions aux dégradations actuelles et

futures. L’axe de recherche est découpé en deux objectifs principaux :

- le développement des connaissances sur l'interaction entre les charges lourdes, le climat et les

chaussées,

- le développement de solutions aux problèmes de l'industrie du transport et des infrastructures qui s'y

rattachent dans le contexte climatique canadien.

1 Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du Canada

11

1.2. TH È MES DE R ECHER CHE

La chaire est articulée en trois thèmes de recherche eux même contenant plusieurs projets permettant de

cibler des objectifs plus précis. Les trois thèmes sont les suivants :

- Comportement des matériaux et des structures des chaussées :

La problématique de la chaire i3C prend tout son sens au Canada à cause des conditions

climatiques. En effet les variations de température, le gel/dégel et la présence d’eau au

niveau des chaussées augmentent considérablement les effets néfastes du trafic sur les

matériaux de la chaussée. C’est pourquoi il est important de connaître les réactions des

matériaux face à ces phénomènes, pour se faire il y a deux sous-thèmes dans cette partie, un

premier concernant les matériaux de chaussées : observer, analyser leurs comportements

mécaniques lors de sollicitations mécaniques et selon des climats différents, ainsi que l’étude

de développement de matériaux recyclés. Un second plus axé sur les effets du climat qui vise

à étudier le bénéfice d’ajout de couche spéciale dans la constitution de la chaussée telle que

des systèmes de drainage.

- Maîtrise de la performance des chaussées :

Pour ne plus revenir à des endommagements du réseau routier tels que le Québec en a

connus dans le passé, tous les acteurs du réseau se doivent de collaborer et d’investir dans le

but d’améliorer les techniques de conception, les connaissances et notamment la gestion du

réseau. Dans cette partie est intégrée les études liées au trafic (impact des charges lourdes,

étude du point de contact entre chaussée et véhicule) toujours en faisant intervenir le climat.

Nous détaillerons cette partie ultérieurement (2.). Il y a également les études liées aux outils

de conception et de réhabilitation (appareil de mesure, technique d’auscultation, adaptation

des méthodes connues).

- Comportement et performance des véhicules sur les chaussées :

La dernière partie se consacre au phénomène inverse soit l’impact des déformations de

chaussées sur les véhicules. En effet les déformations peuvent endommager mécaniquement

les véhicules mais elles altèrent surtout leurs comportements sur la chaussée et donc nuit à la

sécurité et au confort des usagers.

1.3. L’ÉQ UIP E

L’équipe de la chaire est composée des trois groupes suivants ainsi que de nombreux partenaires, entreprises,

associations, laboratoires, le ministère des Transports du Québec ainsi que les villes de Montréal et Québec.

• Guy DORÉ, professeur-chercheur Titulaire de la

chaire

• Pierre PERRON, ingénieur coordonnateur de la chaire

• Jérome FACHON, ingénieur chercheur

• Jean-Pascal BILODEAU, professeur attaché de recherche

Membres de l'équipe

• De nombreux étudiants québécois et étrangers de niveaux différents : étudiants à la maîtrise et au doctorat, et stagiaires. Etudiants

12

2. PRÉSENTATION DU THÈME : ÉTUDE DE L ’EFFETS DES CHARGES

DYNAMIQUES

2.1. OBJECTI FS

Mon travail consistera à étudier cette partie de la chaire, elle a pour objectif d’identifier les facteurs relatifs à

l’état du revêtement de la chaussée et les relier à ceux de la mécanique des véhicules lourds.

L’étude de l’effet des charges dynamiques est importante car jusqu’à présent la conception des chaussées est

fondée sur l’hypothèse que les véhicules circulant dessus sont des charges statiques dans le plan vertical. Or

grâce aux systèmes d’amortissement des véhicules ces derniers oscillent verticalement en fonction du relief et

donc transmettent en plus d’une charge statique une charge dynamique ponctuelle. De plus il a été montré

que cette force dynamique peut atteindre 150% de la charge statique pour un trajet sur une route dégradée.

2.2. TR AV AIL À EFFECT UER

Pour commencer l’étude sera consacrée à la recherche de documentations sur le sujet et l’établissement d’une

revue bibliographique résumant ces recherches.

Puis nous utiliserons le logiciel TruckSim, outil de simulation mécanique qui permet de faire des analyses de

nombreux paramètres liés au véhicule que l’on fait progresser sur une chaussée préalablement créée. Le

logiciel nous permet de réaliser un nombre d’essais virtuels important dans un intervalle de temps donné ce

qui est plus abordable techniquement que des essais in-situ.

PARTIE 3 : RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE ET TRUCKSIM

1. RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE Ma recherche bibliographique s’est étendue assez largement sur le thème du génie routier afin d’améliorer

mes connaissances dans ce domaine. J’ai alors ciblé les passages importants qui contribueront à la bonne

compréhension des expérimentations.

1.1. INT RO DUCTIO N

LE RÉSEAU ROUTIER

Le réseau routier supérieur québécois (réseau à la charge du ministère des Transports du Québec) est composé

de 30 372 km d’autoroutes, de routes nationales, de routes collectrices et chemins d’accès aux ressources. Les

autoroutes et routes nationales représentent un peu moins de 30% du réseau supérieur mais desservent plus

de 87% de la population.

ÉTAT DU RÉSEAU SUPÉRIEUR QUÉBÉCOIS

Pour juger de l’état du réseau routier le ministère des Transports du Québec utilise les indicateurs d’état

suivants :

IRI : Indice de Rugosité International, il permet d’évaluer la qualité de la chaussée perçue par les

usagers de la route. Unité : m/km.

Il prend la valeur de 0 pour une route parfaitement lisse (irréalisable) et ne possède pas de valeur

limite maximale. À titre d’exemple la valeur 10 correspond à une route impraticable.

Profondeur des ornières.

Présence de fissurations.

En 2010 le ministère des Transports du Québec estime que 72% des routes du réseau supérieur sont en bon

état selon l’IRI pour une dépense annuelle de 773 millions de dollars.

13

TABLEAU 1 : SEUIL UTILISÉS POUR DÉFINIR L’ÉTAT D’UNE CHAUSSÉE SELON L’IRI

PAR LE MINISTÈRE DES TRANSPORTS DU QUÉBEC

IRI

Classe fonctionnelle Bon état Déficience mineure

Déficience majeure

Autoroute ≤ 2,2 > 2,2 > 3,5 Nationale ≤ 2,5 > 2,5 > 4,0 Régionale ≤ 3,0 > 3,0 > 4,5 Collectrice ≤ 3,5 > 3,5 > 5,0 Autres ≤ 4,5 > 4,5 > 5,5

TABLEAU 2 : SEUILS UTILISÉS POUR DÉFINIR L ’ÉTAT D’UNE CHAUSSÉE SELON

L’ORNIÉRAGE PAR LE MINISTÈRE DES TRANSPORTS DU QUÉBEC

Ornières – Valeurs au 100m

Classe fonctionnelle Bon état Déficience mineure

Déficience majeure

Ensemble des routes

≤ 15 mm > 15 mm > 20 mm

1.2. LES CHAUSS ÉES

LES DIFFÉRENTS TYPES DE CHAUSSÉES

Dans l’ensemble du réseau nous pouvons trouver plusieurs types de chaussées qui répondent à des attentes

différentes. On différencie généralement trois types majeurs :

Les chaussées souples : elles sont composées d’une couche bitumineuse fine, pouvant être réduite à

un simple enduit superficiel, qui repose sur la couche de base et/ou de fondation en matériaux

granulaires non traités.

Les chaussées semi-rigides : elles sont composées de la même manière que les chaussées souples

cependant les couches d’assises sont traitées aux liants hydrauliques.

Les chaussées rigides : elles sont composées d’une fondation en grave de ciment pour la couche de

fondation et de dalle de béton de grande épaisseur pour la couche de surface. Elles nécessitent des

joints transversaux tous les 4 ou 5 m et longitudinaux pour éviter les fissurations.

Au Québec 90% du réseau routier est réalisé en chaussée à revêtement souple en béton bitumineux et

seulement 4% est constitué de chaussée à revêtement rigide en béton ciment(1). C’est pourquoi nous nous

intéresserons plus particulièrement aux chaussées flexibles (souple et semi-rigide)

CHAUSSÉE FLEXIBLE

Les chaussées flexibles ont la caractéristique de fléchir sous un chargement et de reprendre leur forme initiale

après son passage. Comme dit précédemment elles sont composées de plusieurs couches (de roulement, de

fondation…).

La couche de revêtement est là pour réduire l’impact des charges dues au trafic transmises aux couches sous-

jacentes. Elle est la première à subir le chargement, elle va transférer cette charge à la couche inférieure de

même pour cette nouvelle couche et ainsi de suite. Cet enchaînement permet de réduire la sollicitation en haut

de la couche de fondation. Afin de diminuer au mieux la sollicitation dans la chaussée les matériaux en haut de

la couche d’assise (les enrobés) sont choisis pour leur importante capacité à supporter la sollicitation.

14

1.3. LES CHAR GES D ’UN V ÉHICULE

PRESSION VERTICALE

Pour déterminer la pression verticale il existe plusieurs méthodes. On peut prendre l’hypothèse que la pression

verticale de contact est égale à la pression de gonflage des pneus avec une surface de contact circulaire, ou

bien lorsqu’on dispose des empreintes on divise la charge totale par la surface réelle de contact pour obtenir la

pression moyenne. Cependant Blab s’est aperçu que la pression moyenne réelle de contact dépend

essentiellement de trois paramètres : le type de pneu, la charge appliquée et la pression de gonflage. Il a

ensuite déterminé des formules prenant en compte ces trois paramètres pour déterminer la valeur de la

pression moyenne.

FIGURE 1 : MESURES DE LA RÉPARTITION DES PRESSIONS D E CONTACT D’UN PNEU POUR DIFFÉRENTES CONDITIONS DE CHARGE (DE

BEER, FISHER ET AL. 1997)

EFFORTS HORIZONTAUX

La nature du caoutchouc des pneumatiques subit une importante compression verticale le pneumatique tend

donc à vouloir s'étendre dans le sens de la largeur en raison de la valeur élevée de son coefficient de Poisson,

ce phénomène crée ainsi des forces de friction à l'interface entre le pneumatique et le revêtement.

Mais ce sont surtout les efforts tangentiels qui ont le plus de conséquence sur le revêtement. Smaïl Hamat met

en évidence dans sa thèse la perte de masse importante au niveau des aires sollicitées entrainant une

déformation permanente de la chaussée. Cette perte peu variée selon la granulométrie du revêtement,

finalement Hamat a pu établir une formule permettant de prédire cette perte de masse (9).

1.4. INT ERACTIO N VÉHI CULE – CHAUS S ÉE

L’œuvre de David Cebon, Handbook of Vehicle-Road Interaction (10) est l’une des études sur le sujet la plus

importante

15

COEFFICIENTS D’ÉQUIVALENCE

A partir du XVIIIème siècle on commence à prendre conscience que les véhicules lourds entrainent des

dommages sur la chaussée et que les remises en état coûtent cher. Dans un premier temps McAdam2 propose

de taxer les véhicules pour compenser les dommages, mais pour ça il convient d’établir un classement des

véhicules car ils n’ont pas le même impact sur la chaussée. On définit des équivalences entre les différents

types de véhicules pour prendre en compte cette différence d’impact.

LOI DE PUISSANCE POUR LE TRAFIC ÉQUIVALENT

C’est en 1960 que l’AASHO après une série de tests comparant 200 véhicules a établi la loi « de la puissance 4 »

qui permet de déterminer le nombre équivalent de charge axial simple pour différents véhicules :

Facteur d’équivalent de charge :

Avec : FEC, nombre d'essieux standards équivalents pour une charge W ;

W, charge de l’essieu

Wr, charge de l'essieu standard de référence

n, coefficient de charge ou « puissance »

Bien que la formule soit largement utilisée la charge de référence varie selon

les pays : l’essai de l’AASHO utilise une valeur de 81,6 kN alors que la France

par exemple a choisie 130kN correspondant à la charge limite autorisée.

L’AASHO road test a établi que le coefficient de charge n prend la valeur 4,

cependant des études plus récentes montre que n peut prendre plusieurs

valeurs, 2 à 5 pour les chaussées flexibles par exemples selon la pression des

pneus, de la configuration des essieux, etc. (d’après les études de Addis et

Whitmarsh). Le tableau ci-contre nous montre les variations du FEC en fonction de la valeur de n avec W = 100

kN et Wr = 80 kN. Finalement il y a des écarts de l’ordre de 1,25 selon la valeur de n.

Cette recherche bibliographique ma permis de réaliser l’enjeu qu’est le développement des connaissances et

de nouvelles techniques dans le génie routier et également d’acquérir des connaissances pour mener à bien

mes expérimentations. Mais avant de les réaliser j’ai dû découvrir le logiciel qui me servira pour tous mes

essais : TruckSim.

2. LOGICIEL TRUCKSIM

2.1. ORI GIN E DU LOGI CI EL

TruckSim est un logiciel permettant de simuler et d’analyser le comportement dynamique de différents types

de poids lourds sur des chaussées. Ce logiciel a été développé par l’Institut de recherche sur le transport de

l’Université du Michigan depuis une vingtaine d’années.

2.2. FONCTIO NN EMENT

Le logiciel TruckSim nous permet de configurer un véhicule selon nos données qu’elles soient géométriques ou

mécaniques, de très nombreux paramètres sont modifiables. Et de l’autre côté nous pouvons créer tout type

de profil de route sur lequel nous ferrons rouler notre véhicule. En voici quelques images d’interface :

2 Ingénieur écossais, curateur des routes.

16

FIGURE 2 : INTERFACE DU LOGICIEL TRUCKSIM

FIGURE 3 : PAGE DE RÉGLAGE DES DONNÉES DU TRACTEUR

17

FIGURE 4 : PAGE DE RÉGLAGE DES DONNÉES DE LA REMORQUE

2.3. DONN ÉES DE SO RTI E

TruckSim nous permet d’analyser de deux manières : observer le comportement de notre camion évoluant sur

un profil à l’aide d’une simulation vidéo ou d’obtenir de nombreuses courbes sur le logiciel WinEp. Des

données du véhicule en fonction de nombreuse aux variables. Il y a plus de 500 variables au total. On ne se

servira finalement que de la force verticale des roues et de la vitesse en fonction du temps ou de la distance

parcourue par le camion (« Station » dans les courbes).

18

PARTIE 4 : EXPÉRIMENTATION

1. DIMENSIONNEMENT

1.1. CO MPO SITION DU V ÉHI CU LE

Le ministère des Transport du Québec est contraint de fixer des limites de charges acceptables pour les différents véhicules et cela dans le but d’assurer la sécurité routière des usagers ainsi que de protéger les infrastructures routières. Il est donc répertorié dans la norme de Charges et dimensions des véhicules

3, les

charges admissibles par essieux. Dans notre cas nous nous intéressons à un véhicule composé d’un tracteur et d’un semi-remorque répandu en Amérique du Nord, en voici la description :

Un essieu simple à l’avant du tracteur :

- Un essieu qui réparti une masse pouvant être mesurée sous ses roues.

Un essieu tandem à l’arrière du tracteur:

- Un ensemble de deux essieux reliés au véhicule par un système de

suspension conçu pour égaliser, à 1000 kg près, en tout temps, la masse

(Elle peut être mesurée sous les roues de chacun des essieux) et composé

d’une suspension commune ou de deux suspensions identiques reliées entre elles.

Et un essieu tridem à l’arrière de la remorque :

- Un ensemble de trois essieux également espacés entre eux,

reliés au véhicule par un système de suspension conçu pour

égaliser, à 1000 kg près, la masse (pouvant être mesurée sous

les roues de chacun des essieux) et composé de trois suspensions identiques reliées entre elles.

TABLEAU 3 : RÉCAPITULATIF DES CHARGES LIMITES ACCESSIBLES PAR ESSIEU

Lors des simulations nous allons chercher à dimensionner le poids lourd de telle sorte que la charge par essieu

soit juste en dessous de la charge maximale admise.

Une fois le tracteur dimensionné selon les données fournies par Freightliner, la charge constante par pneu est

d’environ 23 000N, or nous ne pouvons « jouer » que sur le chargement de la remorque donc nous ne pourrons

se rapprocher de la valeur limite par pneu à l’essieu avant qui est de 44 000N. L’augmentation de la charge

3 Guide 2005 des normes de charges et dimensions des véhicules

19

totale de la remorque ainsi que la position du centre de masse de cette dernière permet de faire varier la

charge constante sur le tandem et sur le tridem.

- Nous arrivons donc à une masse de totale de la remorque de 26 850kg. Avec cette valeur nous

obtenons bien la valeur de la force verticale de chaque roue inférieure à sa charge limite, ce lorsque

notre camion roule sur un route plate sans déformation et cela pour toutes les vitesses comprises

entre 30 et 110km/h.

1.2. VÉRI FI CATION DES HYP O THÈS ES

Afin de ne pas surcharger en données et de ne pas multiplier les courbes nous allons garder comme données

de sortie la force verticale des roues intérieures gauches. Pour cela il nous faut vérifier qu’il n’y pas de

différences de comportement entre la gauche et la droite ainsi qu’entre les roues intérieures et extérieures (en

ce qui concerne l’essieu tandem et le tridem).

ROUES INTÉRIEURES/EXTÉRIEURES

FIGURE 5 : COMPARAISON INTÉRIEUR/EXTÉRIEUR : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCT ION DE LA DISTANCE PARCOURUE

PAR NOTRE CAMION SUR UN PROFIL AVEC UNE B OSSE DE 3CM DE HAUTEUR POUR LES PNEUS GAUCHES INTÉRIEURS ET EXTÉRIEURS.

EN HAUT VITESSE DE 50KM/H, EN BAS VITESSE DE 110KM/H.

20

ROUES GAUCHES/DROITES

FIGURE 6 : COMPARAISON GAUCHE/DROITE : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCT ION DE LA DISTANCE PARCOURUE PAR

NOTRE CAMION SUR UN PROFIL AVEC UNE BOSSE DE 3CM DE HAUTEUR POUR L ES ROUES GAUCHES ET DROITE. EN HAUT VITESSE DE

50KM/H, EN BAS VITESSE DE 110KM/H.

On peut voir que quelles que soit les roues gauches, droites, intérieures ou extérieures les courbes de la force

verticale pour chaque roue se superposent, on peut donc se concentrer sur une rangée de roue et ne pas

multiplier les données identiques. Ce qui facilitera notre travail.

2. RÉSULTATS :

2.1. PRO FIL DE RO UT E : BO SS E T RIANGULAI R E

Dans un premier temps nous allons faire rouler notre camion sur une route plate comportant une bosse de 2m

de « longueur d’onde » (nous appellerons longueur d’onde de la déformation la longueur de la déformation

dans le sens longitudinal de la route soit l’axe x). Nous observerons les évolutions de la force dynamique au

21

niveau des différents pneus pour des valeurs de hauteurs différentes : 1cm, 3cm et 5cm ainsi que pour des

vitesses du camion différentes.

Bosse de 2m de long et 1cm de hauteur :

Nous obtenons avec TruckSim la courbe des forces au niveau des pneus en fonction de la distance parcourue

par l’avant du camion par rapport à l’origine de la route. Nous observons également la courbe de vitesse

longitudinale du camion afin de vérifier que le camion suit toujours la vitesse demandée.

Voici l’allure générale des courbes obtenues :

FIGURE 7: LES COURBES D 'ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE PAR LE CAMION POUR

CHAQUE ROUE GAUCHE DES ESSIEUX (EN HAUT); COURBE DE LA VITESSE DU CAMION ET CELLE DE LA CONSIGNE 30KM/H (EN BAS)

-4

-5,55E-17 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

0 500

1000 1001 1002 1040

22

FIGURE 8 : LES COURBES D 'ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE PAR LE CAMION POUR

CHAQUE ROUE GAUCHE DES ESSIEUX (EN HAUT); COURBE DE LA VITESSE DU CAMION ET CELLE DE LA CONSIGNE 50KM/H (EN BAS)

Aux premières observations des courbes pour différentes valeurs de vitesse on remarque des attitudes

différentes pour la vitesse :

- Entre 45 et 70 km/h l’allure de la vitesse change et oscille autour de la valeur imposée. Bienque

toujours comprise entre un écart de 0,5 km/h, cette oscillation en engendre une autre au niveau des

pneus du véhicule plus importante que pour d’autre valeur de vitesse.

Cette allure ne semble pas être une erreur, en effet un camion ne peut être toujours précisément à

vitesse constante, le système mécanique cherche en tout temps à se positionner à la valeur

commandée. Finalement cette allure de vitesse pourrait être plus proche de la réalité.

- On remarque toutefois que ces oscillations nous empêcheront pas d’observer l’évolution de la force

au niveau de la bosse.

EXPLOITATION DES COURBES

La courbe obtenue nous permet de relever les forces maximale, minimale et « constante » (soit la force relevée

loin du passage de la bosse et donc ayant une évolution quasi constante. Nous choisissons de faire une

moyenne des 500 valeurs de force situées avant le 1000ième

mètre).

Comme nous l’avons expliqué précédemment la force constante pour la majorité des pneus se situe aux

environs de la force limite acceptable, ce qui nous intéresse donc c’est de connaître l’écart entre la valeur de la

force maximale ou minimale par rapport à la force constante.

Ce rapport nous permet ensuite d’évaluer la variation de la force dynamique ainsi que de comparer selon les

différents critères topographiques.

23

INFLUENCE MODÉRÉE DE LA VITESSE :

On pourrait penser intuitivement que la vitesse du véhicule influe sur la valeur de la force dynamique. En effet

on pourrait s’attendre à ce que la force de la roue sur la chaussée augmente avec la vitesse. Nous avons

regroupé les rapports de forces (Fmax/Fcst) pour les trois hauteurs de bosses (1, 3 et 5 cm) et le tableau

suivant regroupant les courbes du rapport de force en fonction de la vitesse nous montre que la vitesse a une

influence modérée selon les essieux.

FIGURE 9 : COURBES D'ÉVOLUTION DU RAPPORT DE FORCES FMAX/FCST EN FONCTION DE L A VITESSE V DU CAMION POUR LES PNEUS

GAUCHES DE CHAQUE ESSIEU

Légende :

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)

L1

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)

L2

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)

L3

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)

L4

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)

L5

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)

L6

24

- On peut tout fois estimer que pour les roues de l’essieu avant (L1) la vitesse joue un rôle, le rapport

Fmax/Fcst augmente régulièrement quelle que soit la hauteur de bosse. Cela est plus visible pour les

passages de bosses de 3 et 5 cm.

Pour la bosse de 5cm le rapport augmente de d’environ 70% entre 30 et 110 km/h et de 46% pour la

bosse de 3cm.

- Pour les autres essieux l’augmentation n’est pas régulière, on a même parfois une diminution du

rapport (L3 et L6). On peut cependant noter une augmentation du rapport Fmax/Fcst pour tous les

essieux entre 90 et 110 km/h.

Finalement la vitesse n’est pas une variable majeure dans l’étude de l’impact de force dynamique d’un poids

lourd. Elle semble faire augmenter la force dynamique du camion pour des valeurs de vitesse importante et

donc il ne faut pas la négliger pour les études du réseau d’autoroutes et de routes nationales.

INFLUENCE DE LA HAUTEUR DE LA BOSSE :

Comme on a déjà pu le voir avec les courbes du tableau précédent la hauteur de la bosse influence nettement

la valeur de la force dynamique. Cette fois-ci nous observons l’évolution du rapport Fmax/Fcst en fonction de la

hauteur de la bosse pour deux valeurs de vitesse du poids lourd : 50 et 90 km/h. Nous choisissons celles-ci car

elles sont deux valeurs limites fréquentes sur le réseau routier, une plus concernée par le réseau municipal et

l’autre pour les routes nationales et autoroutes.

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

2,200

2,400

2,600

2,800

3,000

1 3 5

Fmax/Fcst

Hauteur de la bosse (cm)

Evolution du rapport Fmax/Fcst selon la hauteur de la bosse à 50 km/h

L1

L2

L3

L4

L5

L6

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

2,200

2,400

2,600

2,800

3,000

1 3 5

Fmax/Fcst



L1

L2

L3

L4

L5

L6

25

On remarque :

- L’augmentation beaucoup plus importante du rapport des forces Fmax/Fcst au niveau de L2 (roue

avant de l’essieu tandem). Le rapport augmente de 124% entre une bosse de 1cm à 5cm à 90km/h. Il

est vrai que la force constante de L2 est aux alentours de 12 700 N alors que pour L3 elle est d’environ

22 000 N.

FIGURE 10 : FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA POSITION DE L’AVANT DU CAMION

Pour diminuer cet écart nous avons cherché à déplacer la position de l’attelage (situé initialement

entre les deux rangées de pneus du tandem) seulement que l’on recule ou qu’on avance sa position, la

force constante de au niveau de L2 ne varie quasiment pas. Seules les forces de L1 et L3 varient.

La force dynamique appliquée au passage de la bosse est importante pour L3. On peut donc supposer

qu’elle influence aussi la force au niveau de L2, d’où l’importance de la force dynamique à son niveau.

- Mis à part le cas de L2, le rapport Fmax/Fcst augmente pour chaque essieu. Pour une vitesse de

50km/h il augmente de 40% en moyenne et de 58% pour une vitesse de 90km/h.

Il est clair que plus la déformation de la route est importante plus la force en retour est importante ce qui nous

informe que plus on attend pour réparer une chaussée avec une bosse déjà de hauteur importante plus la

dégradation par le passage d’un véhicule est dommageable.

A priori tous les essieux suivent la même évolution, il reste cependant une interrogation pour notre second

essieu. Avec le logiciel TruckSim nous n’avons pas réussi pour l’instant à modifier les paramètres nécessaires

pour positionner la force constant de L2 au alentour de celle de L3, ce qui est le cas dans la réalité.

2.2. PRO FIL DE RO UT E : D I FFÉR EN CE DE NI VEAU (« MAR CHE D ’ES CALI ER »)

Cette fois ci nous faisons passer notre camion sur une « marche d’escalier » soit un changement de niveau de

la route avec une pente linéaire. Nous pouvons observer ce type de déformation suite à un tassement

différentiel des sols sous la chaussée ou lors d’un soulèvement de la chaussée dû au gel par exemple.

Nous ferrons varier la longueur d’onde entre 1 et 3 mètres et la hauteur de la pente entre 1 et 12 cm.

-4

0 0,05 0,1

0 500

1000 1002 1040 1090

26

Nous observons le même type d’allure avec WinEp au passage de la déformation :

FIGURE 11 : LES COURBES D’ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE PAR LE CAMION POUR

CHAQUE ROUE GAUCHE DES ESSIEUX POUR UNE VITESSE DE 50KM/H.

De même que pour le passage d’une bosse par notre camion, au passage de la déformation la force verticale

oscille fortement. De plus nous retrouvons le même phénomène de petites oscillations pour l’intervalle de

vitesse 45-70km/h.

ÉXPLOITATION DES COURBES

Comme précédemment nous allons nous intéresser au rapport de la force verticale maximale sur la force

« constante » au niveau du pneu intérieur gauche de chaque essieu.

INFLUENCE DE LA VITESSE :

Lorsqu’un véhicule passe sur ce type de déformation de la chaussée on a tendance à réellement sentir la

« marche d’escalier » à petite vitesse mais qu’en est-il pour la valeur de la force dynamique induite ?

Pour analyser ce type de relief nous allons choisir seulement trois roues de chaque essieu pour ne pas

surcharger en courbes, soit L1 (roue de l’essieu avant), L2 (roue de l’essieu avant du tandem) et L5 (roue de

l’essieu du milieu du tridem). Les restantes seront mises en annexe.

Les trois graphiques regroupant les valeurs de L1 (voir Figure 6) nous montrent l’évolution du rapport de la

force verticale maximale sur celle de la force dite constante pour les 3 longueurs d’ondes retenues et les 5

hauteurs de « marches » différentes.

- Dans un premier temps on remarque que selon la longueur d’onde la courbe d’évolution de Fmax/Fcst

a une allure qui tend à se courber. Pour 1m de longueur d’onde on a une allure proche d’une droite

constante alors que pour 2m de longueur d’onde à faible vitesse le rapport Fmax/Fcst est plus faible.

Cela est encore plus marqué avec la longueur d’onde de 3m.

- Pour la longueur d’onde de 3m on obtient une augmentation de l’ordre de 35% entre 30 et 70 km/h et

une hauteur de 12cm.

- On peut voir également qu’à partir de 90km/h voir 70km/h quelle que soit la longueur d’onde on tend

vers la même valeur. Les coefficients de variation pour les valeurs à même vitesse et même hauteur

de marche sont tous inférieurs à 2%.

27

FIGURE 12 : COURBES D ’ÉVOLUTION DU RAPPORT FMAX/FCST POUR L1 EN FONCTION DE LA VITESSE DU CAMION POUR LES TROIS

VALEURS DE « LONGUEUR D ’ONDE »

FIGURE 13: COURBES D’ÉVOLUTION DU RAPPORT FMAX/FCST POUR L2 EN FONCTION DE LA VITESSE DU CAMION POUR LES TROIS


1,000

1,100

1,200

1,300

1,400

1,500

1,600

1,700

20 40 60 80 100 120 v (km/h)

"Longueur d'onde" de 1m

1,000

1,100

1,200

1,300

1,400

1,500

1,600

1,700

20 40 60 80 100 120 v (km/h)


1,000

1,100

1,200

1,300

1,400

1,500

1,600

1,700

20 40 60 80 100 120 v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)

Longueur d'onde de 1m

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)


Légende :

Hauteur de la « marche d’escalier »

Légende :


28

FIGURE 14: COURBES D’ÉVOLUTION DU RAPPORT FMAX/FCST POUR L5 EN FONCTION DE LA VITESSE DU CAMION POUR LES TROIS


Pour les allures des courbes de L2 et L5 on s’aperçoit qu’elles varient légèrement :

- Pour L2 (voir Figure 7) on observe a priori les mêmes allures que pour L1 mais toutefois en notant

l’apparition d’un léger palier pour l’intervalle de vitesse 30-50 km/h excepté pour la longueur d’onde

de 2m.

- Pour L5 on remarque que la vitesse influence plus régulièrement la valeur de la force dynamique, en

effet on voit plus apparaître des courbes linéaires croissantes.

- Pour ces deux essieux on voit également que l’augmentation du rapport est beaucoup plus importante

que pour L1.

Lorsqu’on regarde les trois essieux différents on se rend compte que la vitesse n’influence pas de la même

façon chacun d’entre eux. Bienque l’on voit apparaître des similitudes, pour le premier essieu on conclurait que

la vitesse influence lorsqu’elle est faible or pour le tridem elle influencerait pour toute les valeurs.

INFLUENCE DE LA HAUTEUR DE LA MARCHE ET DE LA LONGUEUR D’ONDE

Pour les mêmes raisons que dans la partie antérieure nous garderons les graphiques des roues L1, L2 et L5 avec

les vitesses de 50 et 90 km/h. Cette fois on s’intéresse à l’influence de la hauteur de la « marche » et la

longueur longitudinale de la déformation sur le rapport de la force maximale de chaque roue sur la route par la

force « constante ».

Après avoir analysé le profil comportant une bosse triangulaire on s’attend à ce que la hauteur de la

déformation implique de la même manière une augmentation de la force dynamique, mais qu’en est-il de la

variation de la longueur longitudinale de la déformation ?

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120

v (km/h)

Longueur d'onde de 3m Légende :


29

ÉV O L U T I O N D U R A P P O R T D E F O R C E S U R L E S P N E U S D E L ’E S S I E U A V A N T (L1) :

ÉV O L U T I O N D U R A P P O R T D E F O R C E S U R L E S P N E U S D E L ’E S S I E U T A N D E M (L2) :

ÉV O L U T I O N D U R A P P O R T D E F O R C E S U R L E S P N E U S D E L ’E S S I E U T R I D E M (L5) :

Légende :

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

0 2 4 6 8 10 12 14

Fmax/Fcst

Différence de niveau (cm)

50 km/h

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

0 2 4 6 8 10 12 14

Fmax/Fcst

Différence de niveau (cm)

90 km/h

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

0 2 4 6 8 10 12 14

Fmax/Fcst

Différence de niveau

50 km/h

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

0 2 4 6 8 10 12 14

Fmax/Fcst


90 km/h

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

0 2 4 6 8 10 12 14

Fmax/Fcst


50 km/h

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

0 2 4 6 8 10 12 14

Fmax/Facst


90 km/h

Différentes longueurs longitudinales

de la déformation

FIGURE 15: COURBES D’EVOLUTION DU RAPPORT FMAX/FCST DE L1, L2 ET L5 EN FONCTION DE LA HAUTEUR DE LA DEFORMATION

POUR LES TROIS VALEURS DE LONGUEUR D ’ONDE POUR LES VITESSES DE 50 ET 90KM/H

30

En ce qui concerne la variation de la longueur longitudinale de la déformation (la « longueur d’onde ») nous

pouvons remarquer :

- Pour l’essieu avant le changement de longueur d’onde n’implique pas d’augmentation ou diminution

nette de la valeur du rapport Fmax /Fcst. Comme nous l’avons remarqué dans la partie de l’influence

de la vitesse les coefficients de variation sont en moyenne de 1,90 et 1,12 pour 50km/h et

respectivement 90km/h.

On peut aussi observer ce phénomène pour le tandem et le tridem bienque le coefficient de variation

aille en moyenne jusqu’à 9,90 pour le tridem à 90km/h.

- Pour le tridem on peut remarquer que la longueur d’onde de 1m donne toujours le rapport de force le

plus important comparé aux deux autres valeurs, or pour l’essieu avant et le tandem on n’a jamais une

courbe qui soit toujours au-dessus de deux autres.

Puis pour la variation de la hauteur de la déformation on remarque clairement une augmentation quasi linéaire

pour les trois essieux. Toutefois on peut nuancer :

- En effet au niveau de l’essieu avant l’augmentation est beaucoup plus faible que pour le tandem et le

tridem, de l’ordre de 40% tout de même. Alors qu’elle est de 120% pour le tandem et de 170% pour le

tridem (à 90km/h).

Il est évident que l’augmentation de la hauteur de la déformation implique une augmentation de l’impact du

véhicule sur la chaussée. Le rapport Fmax/Fcst augmente fortement sur le tandem et le tridem, la force

maximale correspond au triple de la force constante par instant. La longueur longitudinale de la déformation

affecte plus en particulier le tridem, on peut penser que cela est dû au système d’essieu composé de trois axes

de roues. En effet les axes sont séparés d’environ 1m les uns des autres. Il serait intéressant de voir si le

passage d’une roue du tridem (ou du tandem) sur une déformation impacte fortement la valeur de la force

verticale au niveau des autres roues du tridem (ou tandem).

2.3. PRO FIL DE RO UT E : S IN USOÏ DALE

Dans cette partie nous choisissons un profil de route encore une fois totalement artificiel : une route avec un

relief sinusoïdal. Comme pour l’étude du profil de la « marche d’escalier » nous regarderons plusieurs profils

aux dimensions différentes : des longueurs d’onde de 2, 5 et 10m et des amplitudes de 1, 5, 10 et 15cm.

Nous faisons avancer notre camion sur notre profil à différentes vitesses, seulement dans ce cas là nous

n’avons pas comme précédemment une oscillation localisée où l’on peut relever la force verticale maximale, il

n’y a aussi plus de « force constante ». Nous allons relever ici une force maximale moyenne ainsi que la force

minimale moyenne.

31

Les premières courbes données par WinEp (Figure 10) nous montrent l’évolution de la force verticale des roues

de chaque essieu. Pour une longueur d’onde de 2m on s’aperçoit que dès une amplitude de 5cm de la

déformation la force verticale minimale atteint 0. Donc dès que l’amplitude augmente légèrement notre

camion se retrouve régulièrement sur des intervalles de temps (de l’ordre de 0,28s pour 5cm d’amplitude) avec

des roues qui ne touchent pas le revêtement de la chaussée.

FIGURE 16 : COURBES W INEP REPRÉSENTANT L’ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE DE CHAQUE ROUE INTÉRIEURE GAUCHE EN

FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE POUR L E PASSAGE DU CAMION À UNE VITESSE DE 50KM/H SUR UN PROFIL SINUSOÏDAL AVEC

UNE LONGUEUR D’ONDE DE 2M ET PAR ORDRE DESCENDANT D’AMPLITUDE DE 1CM, 5CM ET 10CM.

On semble arriver à des résultats où la sécurité et même l’avancement normal du véhicule, c'est-à-dire rouler

sur toutes ses roues sur une trajectoire rectiligne, n’est pas conservé. On peut tout de même observer

l’influence de quelques paramètres mais on finira par répertorier les cas où notre camion a pu réaliser son

parcours sans problèmes perceptibles à l’animation (sortie de route, perte de vitesse, bond…).

INFLUENCE DE LA VITESSE

La vitesse implique une augmentation de la force verticale (Figure 11) :

- Pour les deux premiers graphiques (longueur d’onde de 5m) les forces verticales au niveau de chaque

essieu augmentent de 20kN en moyenne entre les passages à 50km/h et 90 km/h. Pour les deux

derniers (longueur d’onde de 10m) l’amplitude de la force verticale de L1 (en bleu) et L6 (en noir)

augmente de 10kN en moyenne alors que les autres n’augmentent que très légèrement.

- On remarque qu’à 90km/h la force verticale minimale de chaque essieu diminue fortement et qu’elle

tend à atteindre le 0kN.

32

LO N G U E U R D ’O N D E D E 5M E T V I T E S S E D E 5 0K M/ H

LO N G U E U R D ’O N D E D E 5M E T V I T E S S E D E 9 0 K M/ H

LO N G U E U R D ’O N D E D E 10 M E T V I T E S S E D E 5 0 K M / H

LO N G U E U R D ’O N D E D E 1 0 M E T V I T E S S E D E 9 0 K M / H

FIGURE 17 : INFLUENCE DE LA VITESSE : ÉVOLUTION DE LA FORC E VERTICALE DES ROUES DE CHAQUE ESSIEU EN FONCTION DE LA

DISTANCE PARCOURUE PAR LE CAMION SUR UN PROFIL SINUSOÏDAL D’AMPLITUDE 5CM.

Certes la vitesse influence mais on voit surtout notre camion réaliser son parcours avec un comportement non

sécuritaire. Pour mieux visualiser le comportement d’un camion ayant une force verticale à 0kN par moment

nous allons utiliser l’animation de TruckSim. La vidéo nous permet de voir notre camion réaliser son parcours et

de mieux analyser certaines des courbes (Figure 12).

33

TABLEAU 4 : TABLEAU RÉCAPITULATIF DES OBSERVATIONS FAITES LORS DU PASSAGE DU CAMION SUR UN PROFIL SINUSOÏDAL À

L’AIDE DE=U LOGICIEL D ’ANIMATION DE TRUCKSIM POUR LES DIFFÉRENTES VALEURS DE LONGU EUR D’ONDE, AMPLITUDE ET VITESSE

Longueur d'onde (m)

Amplitude (cm)

Vitesse (km/h)

Observations

2 1 50 Le camion évolue normalement




2 10 50 Le camion décolle du sol par moment et perd de la vitesse

2 10 90 Le camion décolle du sol par moment, perd de la vitesse (arrive à 16km/h) et au kilomètre 300 dévie sa trajectoire rectiligne à cause des rebonds





5 10 50 Le camion fait des bonds très importants, aucune roue au sol par moment et perte de vitesse

5 10 90 Le camion fait des bonds très importants et finit sa course en se retournant






10 10 90 Le camion évolue normalement mais perd de la vitesse

10 15 50 Le camion évolue normalement mais perd de la vitesse


FIGURE 18 : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE DE CHAQUE ESSIEU EN FONCTION D E LA DISTANCE PARCOURUE PAR LE CAMION À

UNE VITESSE DE 90KM/H POUR UN PROFIL SINUSOÏDAL DE LONGUEUR D’ONDE 2M ET DE HAUTEUR 10CM.

Avec le cas d’un profil de route sinusoïdal on se trouve face à des profils néfastes pour la sécurité et tout

simplement pour la bonne circulation des véhicules. On peut ajouter cependant que pour des longueurs d’onde

faibles (2 et 5m) la force verticale maximale peut être très importante, de l’ordre de 60-70kN mais cela est dû

aux impacts plus violents suivant les rebonds du véhicule. Lorsqu’il n’y a pas de rebonds les valeurs de la force

maximale est du même ordre de grandeur que pour le passage de deux déformations étudiées précédemment.

34

2.4. PRO FIL DE RO UT E R ÉEL : IRI DE 6,64

Pour terminer notre étude à l’aide de TruckSim nous avons cette fois rentré un profil réel de route dont l’IRI est

de 6,64, cela correspond à une route avec état de dégradation important (IRI>4 en moyenne correspond à une

route avec des déficiences majeures). Nous avons les valeurs de l’élévation du relief pour les deux rangées de

roues (droite et gauche), donc nous avons construit un profil avec deux côtés distincts sur une longueur de

400m.

FIGURE 19 : COURBE DU RELIEF DE LA CHAUSSÉE EN FONCTION DE LA DISTANCE PARCOURUE PAR LE CAMION. EN HAUT POUR LA

ROUE DE L’ESSIEU AVANT GAUCHE (L1), EN BAS POUR CELLE DE L’ESSIEU AVANT DROIT (R1)

FIGURE 20 : ÉVOLUTION DE LA FORCE VERTICALE AU NIVEAU DE CHAQUE ESSIEU POUR UN PASSAGE D’UN CAMION SUR UN PROFIL DE

ROUTE RÉEL AVEC UN IRI DE 6,64. EN HAUT LES FORCES AU NIVEAU DES PNEUS GAUCHES, EN BAS CELLES AU NIVEAU DES PNEUS

DROITS

35

Avec notre profil réel est difficile de reconnaître les lieux de déformation où il y aurait un type bosse ou

« marche d’escalier » à reconnaître cependant il est vrai qu’on pourrait se rapprocher d’une superposition de

signaux sinusoïdales.

Avec notre profil d’IRI 6,64 nous observons :

- Que la force maximale verticale relevée est de l’ordre de 34 000kN ce qui correspond aux valeurs pour

une déformation avec une hauteur d’environ 5cm.

- Que la force verticale minimale ne s’annule jamais, notre camion tient donc la route mais elle atteint

parfois des valeurs très faible (<5 000kN) ce qui représente que 25% de la valeur de la force statique

moyenne. Ce qui pose des problèmes de sécurité.

Lors de tous nos essais nous avons tenté de faire varier les profils de chaussée pour essayer de faire ressortir

les zones pouvant être plus dommageable pour le matériau chaussée. On a pu constater bien évidemment que

plus la hauteur de la déformation est importante plus la force dynamique est grande et par cela plus la route

est abimée plus le trafic l’endommage. De plus la vitesse joue un rôle dans l’augmentation de la force

dynamique mais n’est pas une variable pertinente dans tous les cas. Encore une fois tous les essieux ne

donnent pas la même force dynamique au passage de la même bosse, chaque roue en affecte une autre. Il

nous faudrait faire varier les dimensionnements du camion notamment la position des essieux pour chercher

une dimension qui donnerait la force dynamique la moins importante. En outre les systèmes de suspension

jouent un rôle important dans l’étude de la force dynamique, il a déjà été montré que certains systèmes sont

moins nocifs en termes d’impact mais ils doivent conserver leur objectif d’assurer le confort aux utilisateurs.

Les variables sont nombreuses dans cette étude, alignement, espacement de roues ou bien d’essieux, systèmes

d’amortisseur, pneumatique, vitesse et chargement ; et ce n’est que la première partie ensuite il faut convertir

les données trouvées en informations de déformée de chaussées. Le va et viens entre comportement du trafic

et comportement du matériau de chaussée est constant.

36

CONCLUSION

Comme souhaité j’ai pu lors de ces trois mois parfaire mes connaissances dans le domaine du Génie

routier et prendre conscience dans l’enjeu de l’investissement technique et de la recherche pour le réseau

routier en général et plus particulièrement dans la région du Québec

L’expérience dans le domaine de recherche universitaire m’a permis de comprendre ce qu’on attend

d’un chercheur. Lorsqu’on doit étudier un sujet qui est déjà un sous-sous-thème d’un projet de recherche le

temps nécessaire à la réalisation des études peut vite doubler par rapport aux estimations initiales. Et il ne faut

pas se laisser dépasser par tous les imprévus. De plus c’est un travail qui demande beaucoup d’autonomie et

on en oublie parfois de partager avec le reste de l’équipe, ce qui pourrait permettre de progresser plus vite ou

de re-cibler l’étude toujours dans un objectif d’efficacité. Malgré tout il est enrichissant de contribuer au

développement de techniques dont les professionnels et municipalités ont besoins.

Le plus de ces trois mois a été de pouvoir réaliser ce stage dans la région du Québec, il n’y a pas de

doute les québécois sont accueillants même si à mon arrivée il n’a pas toujours été si facile de les comprendre !

Ensuite leurs paysages sont impressionnants par leur étendue et leur beauté, j’ai eu la chance de parcourir

certains de leurs nombreux parcs nationaux et ainsi découvrir la faune locale.

37

SUMMARY

During these three months I can discover the field of highway engineering at the university Laval of

Quebec. I realized an internship in research laboratory, more precisely within the research chair i3C. This chair

studies the interactions between three elements: heavy loads, climate and pavement.

I worked on the theme more specific of the impact of heavy vehicle (like truck) on the pavement with

software called TruckSim. This is software which enables to realize simulation of a truck driving on a road. I was

interesting in collecting the graphics of the maximal vertical force in the order to estimate the value of the

dynamic force. The ending objective is to measure the damages of the road which is induced by a certain

dynamic force.

Before realizing test I made a research of documentations in the topic to involve my knowledge in this

field. And then I realize my test. I made my truck rolled on different landscapes: a road with a bump, one with a

deformation like a step, another one with sinusoidal profile and then with a reel profile. In each case I changed

the parameters like the deformation high, the speed or the longer of the deformation in longitudinal.

I wished to visit the Quebec because of the beauty of the landscapes and to discover a different

population which is maybe French speaker, Quebecer have a different culture of France. I could make walk in

mountains and a cruise on the Saint-Laurent to see whales.

38

ANNEXES

A N N E X E 1 : P R O F I L B O S S E T R I A N G U L A I R E : ....................................................................................... 39

Courbes d’évolution du rapport de la force verticale maximale sur la force constante en fonction de la hauteur

de la bosse et pour les différentes vitesses

A N N E X E 2 : P R O F I L « M A R C H E D ’ E S C A L I E R » :................................................................................. 40

Courbes d’évolution du rapport Fmax/Fcst en fonction de la vitesse du camion pour les trois valeurs de

« longueur d’onde »

A N N E X E 3 : R É F É R E N C E B I B L I O G R A P H I E .............................................................................................. 41

39

ANNEXE 1 : PROFIL BOSSE TRIANGULAIRE : COUR BES D ’ÉVO LUTION DU R APPO RT DE LA FO RCE V ERTI CAL E MAXI MALE S UR LA

FOR CE CON ST ANT E EN F ON CTION DE LA HAUTEU R DE LA BO SS E ET PO U R LES

DI FFÉR ENT ES VI T ES S ES

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

1 3 5

Fmax/Fcst



L1 L2 L3 L4 L5 L6

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

1 3 5

Fmax/Fcst



L1 L2 L3 L4 L5 L6

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

1 3 5

Fmax/Fcst


Evolution du rapport Fmax/Fcst selon le hauteur de la bosse à 70 km/h

L1 L2 L3 L4 L5 L6

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

1 3 5

Fmax/Fcst



L1

L2

L3

L4

L5

L6

40

ANNEXE 2 : PROFIL « MARCHE D ’ESCALIER » : COU R BES D ’ÉV OLU T ION DU R AP P OR T FMAX/FC S T EN FO NC T ION DE L A VI T ES SE DU

CAM ION P OU R LE S TR OI S VAL EU R S DE « L ONGU EU R D ’OND E »

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)

Longueur d'onde de 1m / L3

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)

Longueur d'onde 2m / L3

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)


1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

20 40 60 80 100 120 v (km/h)


Légende :


41

ANNEXE 3 : RÉFÉRENCE BIBLIOGRAPHIE

1. Ministère des Tranports du Québec. Les Chaussées et le climat québécois. [Online] 2007.

http://www.mtq.gouv.qc.ca/portal/page/portal/entreprises/zone_fournisseurs/reseau_routier/chaussee/chau

ssees_climat_quebecois.

2. Michel Vaillancourt, ing, Ph.D. Dimensionnement des chaussées au Québec, l'avenir est dans l'exploitations

des méthodes disponibles. 2003.

3. Dr J. Perret, ing. dipl. EPF. Unterhalt 2000. Modélisation des charges d'essieu. s.l. : Ecole Polytechnique de

Lausanne, Septembre 2004.

4. PEREZ, Sergio. Thèse. Approche expérimentale et numérique de la fissuration réflective des chaussées. 2008.

5. Ministère des Transports du Québec. Nouvelle définition de véhicule lourd. [Online] 2011.

6. Sétra. Impact des systèmes de suspensions des poids lourds sur la préservation des infrastructures. 2010.

7. Introducing Improved Loading Assumptions into Analytical Pavement Models Based on Measured Contact

Stresses of Tires. Blab, Ronald. 1999.

8. De Beer, Fisher et Joost. DETERMINATION OF PNEUMATIC TYRE/PAVEMENT INTERFACE CONTACT STRESSES

UNDER MOVING LOADS AND SOME EFFECTS ON PAVEMENTS WITH THIN ASPHALT SURFACING LAYERS. 2004.

9. Hamat, Smaïl. Thèse LCPC. Etude de la résistance des revêtements routiers aux sollicitations tangentielles.

2007.

10. Cebon, David. Handbook of Vehicle-Road Interaction. s.l. : Sweet & Zeitlinger, 1999.

11. Kogevnikov, Ivan. Thèse. Modélisation des systèmes de dimension infinie : Application à la dynamique des

pneumatiques. 2006.

Documents

Rapport de Stage - i3c.gci.ulaval.cai3c.gci.ulaval.ca/.../Rapport_de_Stage______quebecois.pdf · Rapport de Stage L. 2 REMERCIEMENTS Je tiens à emecie l’ensemble de la chaie de