Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
11 mars 2009Les Présentations du Laboratoire de Strasbourg
Conception structurelle des chaussées
Principe de dimensionnement
Vincent RouchLRPC de StrasbourgLes 1, 2, 3 Avril 2009
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
• L’objectif de cet item
• Principe de la méthode française de
dimensionnement sur des voies
routières,
• Le cas particulier des giratoires…
• Synthèse des retours d’expériences…
• La bibliographie
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Principes dela méthode française de dimensionnement sur des voies routières
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
S’il était nécessaire de le rappeler…
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Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la ruptureDétermination des hypothèses de calculs
pour dimensionner la structure recherchée
Modèle
Sol
MatériauxClimatθ
t
θéq
Trafic
x NE
log ε t,adm
log N
La politique d’entretien et d’exploitation
Contraintes et enjeux du site
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Principe Général (suite)
Dimensionnement mécanique :La structure choisie convient si :
|σ t calculée| < σ t admissible et/ou |ε t calculée| < ε t admissible
Vérification au gel/dégel :La structure obtenue convient si :I admissible de la chaussée > I hiver de référence
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Dimensionnement mécanique
La structure choisie a priori (épaisseur des couches, nature des matériaux) convient si :
|σ t calculée| < σ t admissible et/ou
|ε t calculée| < ε t admissible
et/ou ε z calculée < ε z admissible
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Calcul élastiqueModèle de Burmister (1943)
Structure:multi-couche élastique linéaireinterfaces collées ou glissantescouches infinies en plan
(pas de bord, de coin)
Charges : disques (pression uniforme)
Résultats : champs σ et ε
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Valeurs types de modules etcaractéristiques en fatigue
Matériau Module ε6 σ6 -1/b
(MPa) (MPa)GNT 1 600 - - -GB 3 9 300 90 - 5EME 2 14 000 130 - 5GC 23 000 - 0,75 15GLg 15 000 - 0,50 12,5BC5 35 000 - 2,15 16
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
PCG 3(presse à cisaillement giratoire)
V rotation = 30 tr/minσ axiale = 6,6 105 Pa
éprouvette :φ = 100 mm ou 150 mmélancement = 1,2
NF P 98-252Photo LRPC Strasbourg
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Orniéreur
Température : 60°C ;Fréquence : 1 Hz
Eprouvette :L = 50 cml = 18 cme = 10 ou 5 cm
effort = 500 daN
NF P 98-253-1
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
MAER(Machine asservie pour essais rhéologiques)
Température : -20 à +40°C ;Capacité : + 100 kN
éprouvette :φ = 80 mmh = 200 mm
NF P 98-260-1
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Banc de fatigue
Déformation imposée
Température : 10°C ;Fréquence : 25 Hz
Eprouvette :h = 25 cme = 2,5 cmbase = 5,6 cmhaut : 2,5 cm
NF P 98-261-1
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Valeur admissible et fatigue
Essai de fatigue
log ε
log N ε = ε6 x (N/106)b
Valeur admissible εt,adm fonction du:comportement à la fatigue ;calage du modèle (kc) ;risque de rupture du M.O. (kr)portance du sol (ks);
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Valeurs admissibles (suite)
Matériau bitumineux
Matériau traité aux liants hydrauliques
Sols et grave non traitée
ε εt adm
bNE E CE C
kc kr ks,( )( )
= ×
× °°
× × ×6 6101015
σ σt adm
bNE kc kd kr ks, = ×
× × × ×6 610
( )ε z adm NE,,= × −12000 0 222
On prendra 16000 pour les faibles trafics
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Trafic : essieu de référence et coef. d’agressivité
x NCAM
Empreintes réelles :
Empreintes pour la modélisation :r = 0,125 m
q = 0,662 MPa
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Trafic : essieu de référence et coef. d’agressivité
Valeur de CAM indicative pour un réseau non structurant :
Catalogue des structures 1998
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Dimensionnement mécanique : résumé
Modèle
Sol
MatériauxClimatθ
t
θéq
Trafic
x NE
ε t,cal
h
log ε t,adm
log Nh solution
Rappel vous aurez fixé :- Le trafic- La durée de vie- Le risque- Les contraintes et enjeux- La politique d’entretien et d’exploitation envisagé
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tr 19
Chaussée soupleChaussées comportant une
couverture bitumineuse mince (< 15 cm), parfois réduite à un enduit sur chaussées à très faible trafic,
reposant sur une ou plusieurs couches de matériaux granulaires non traités (20 à 50 cm).
L ’épaisseur globale de la chaussée est généralement comprise entre 30 et 60 cm.
Matériau d’assise :tout venant,hérisson, macadam à l’eau,GNT
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
H. Odéon - LRPC de Strasbourg
tr 20
Chaussée souple : endommagement
• Sollicitations dues au traficfaible rigidité des matx granulaires et des couches bitum.=> efforts verticaux transmis au sol support= > risque de déformation permanente
• Influence des conditions d ’environnementforte sensibilité aux variations hydriques du support=> chute de portance en période humide /dessication en période sèche
• Mode d ’endommagementdévelopt d’ornière à grand rayon, flaches et affaisementscouches bitum : fissuration par fatigue => faïençagel ’eau s ’infiltre : épaufrure des fissures, nids de poule
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 21
Démarche de calcul• Vérifier :
Calculée au passaged ’un essieu de référence
Déterminée à partir de :- support
– PF support de chausséeε z < ε z,adm
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 22
Calcul des sollicitations au sein de la structure• Exemple : BB/GNT
Mat h(m) E(MPa) Nu Inter
BBSG 0,08 5400 0,35 Collée
GNT(1) 0,15 600 0,35 Collée
GNT 0,25 150 0,35 Collée
PF2 infini 50 0,35
Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute
• Hcdbase = 0,15m si NE < 100000 essieux de référence ; = 0,20m si NE < 100000 essieux de référence.
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tr 23
Valeurs admissibles (1/1)
Plate-forme (sol seul)
Avec A = 12 000 si trafic cumulé > 250 000A = 16 000 si trafic cumulé < 250 000
( ) 222,0adm,z NEA −×=ε
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 24
Matériau d’assise :Grave bitume (GB),Enrobé à module
élevé (EME2)
Chaussée bitumineuse épaisseStructure comportant une
couche de roulement bitumineuse (4 à 8 cm)
sur un corps de chaussée en matériaux traité aux liants hydrocarbonés (15 à 40 cm), fait d ’une ou de deux couches (base et fondation), voire trois.
L ’épaisseur globale de la chaussée est généralement comprise entre 20 et 50 cm.
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 25
Chaussée bitumineuse épaisse : endommagement
• Sollicitations dues au traficrigidité des matx bitumineux :=> efforts verticaux transmis au sol support fortement diminué=> reprise des efforts en traction / flexion par couches rigides
• Influence des conditions d ’environnementforte sensibilité aux variations hydriques du support+ orniérage (à petit rayon) des couches de surface
• Mode d ’endommagementdégradations de surfacedévelopt de fissures longitudinales dans les bandes de roult
=> faïençage (chaussée # pavage)l ’eau s ’infiltre : épaufrure des fissures, nids de poule
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 26
Démarche de calcul• Vérifier :
– CdBase Non
Calculée au passaged ’un essieu de référence
Déterminée à partir de :- loi de fatigue- trafic NE- risque-support
– CdFondation ε t < ε t,adm
– PF support de chausséeε z < ε z,adm
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 27
Calcul des sollicitations au sein de la structure
• Exemple : GB3/GB3 Mat h(m) E(MPa) Nu Inter
BBSG 0,08 5400 0,35 Collée
GB3 h1 9300 0,35 Collée
PF2 infini 50 0,35
Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 28
kc : coefficient de calage attaché au matériau
Valeurs admissibles (1/5)Couche de fondation
b
66adm,t 10NE
×ε=ε kc×
avec: loi de fatigue du matériau
b
66t10N
×ε=ε
)C(E)C(E
°°×
1510
)C(E)C(E
°°
1510
: correction de la loi de fatigue en température ;
NE : nombre d’essieux équivalents ;
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tr 29
où u : valeur de la variable aléatoire associéeau risque R choisi par le M Ouvrage
b : valeur de la pente de la droite de fatigueδ : écart type épaisseur/fatigue
kr : coefficient de risque kr = 10-ubδ
Valeurs admissibles (2/5)Couche de fondation
b
66adm,t 10NE
×ε=ε kc× kr×
avec
)C(E)C(E
°°×
1510
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tr 30
δ : écart type épaisseur/fatigue
Sn : écart type sur la loi de fatigue ;
Sh : écart-type sur l’épaisseur des assises ;Sh = 0,01 m si hassise < 0,10 m
0,01+0,3x(hassise-0,10) si 0,10< <0,15m0,025 m si hassise > 0,15 m
Valeurs admissibles (3/5)Couche de fondation
b
66adm,t 10NE
×ε=ε kc× kr×
et
)C(E)C(E
°°×
1510
22
×+=δ
bShcSN
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tr 31
ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase)
PF1 PF2 PF31/1,2 1/1,1 1
kc : coefficient de calage attaché au matériaukr : coefficient de risque kr = 10-ubδ
Valeurs admissibles (4/5)Couche de fondation
b
66adm,t 10NE
×ε=ε kc× kr× ks×
avec: loi de fatigue du matériau
b
tNE
×ε=ε 66 10
)C(E)C(E
°°×
1510
)C(E)C(E
°°
1510
: correction de la loi de fatigue en température ;
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 32
Matériau d’assise :Grave ciment (GC),Grave laitier (GL),Cendres volantes (GCV),Grave pouzzolane (GPz),Grave liant routier (GLR).
Chaussée semi-rigideStructure comportant une
couche de roulement bitumineuse (6 à 12 cm)
sur une assise en matériaux traités aux liants hydrauliques disposée en une ou deux couches (15 à 50 cm)
dont l ’épaisseur totale est de l ’ordre de 20 à 60 cm.
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tr 33
Chaussée semi-rigide : endommagement (1/2)
• Sollicitations dues au traficforte rigidité des matx traités aux liants hydrauliques :=> efforts verticaux transmis au sol support très faibles=> reprise des efforts en traction / flexion par couches rigides
• Influence des conditions d ’environnement– au jeune âge : retrait de prise => fissuration transversale
=> remontée à travers la CdSurf (pontage au bitume)=> fissures franches qui se dégradent (ramification,
dédoublt)– pénétration de l ’eau aux fissures :
=> dégradation des interfaces, attrition des bords defissures
+ orniérage (à petit rayon) des couches de surface
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tr 34
Chaussée semi-rigide : endommagement (2/2)
• Mode d ’endommagement– dégradations de surface– ramification des fissures transversales– dévelopt de fissures longitudinales (par fatigue) dans les
bandes de roult => faïençage (chaussée # pavage)– l ’eau s ’infiltre : épaufrure des fissures, nids de poule
• Dispositions constructives particulières :– complexes anti-fissures pour ralentir la remontée des
fissures à travers la CdRoulement :couches de sable bitume, membranes épaisses, grilles
– préfissuration des couches d ’assises (CdBase) pour contrôler la fissuration de retrait
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H. Odéon - LRPC de Strasbourg
tr 35
Préfissuration
Joints actifs Procédé CraftProcédé Olivia
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H. Odéon - LRPC de Strasbourg
tr 36
Démarche de calcul• Vérifier :
– CdBase σ t < σ t,adm
Calculée au passaged ’un essieu de référence
Déterminée à partir de :- loi de fatigue- trafic NE- risque-support
– CdFondation σ t < σ t,adm
– PF support de chausséeε z < ε z,adm
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 37
Calcul des sollicitations au sein de la structure
• Exemple : GC/GC Mat h(m) E(MPa) Nu Inter
BBSG 0,08 5400 0,35 Collée
GC3 h1 23000 0,25 Glis.
GC3 h2 23000 0,25 Collée
PF1 infini 20 0,35
Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 38
Valeurs admissibles (1/4)
Plate-forme (sol et/ou GNT)
( ) 222,0adm,z NE12000 −×=ε
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Valeurs admissibles (2/4)Couche de base
b
66adm,t 10NE
×σ=σ kc× kr×
avec b
66t10N
×σ=σ : loi de fatigue du matériau
kc : coefficient de calage attaché au matériaukr : coefficient de risque kr = 10-ubδ
où u : valeur de la variable aléatoire associéeau risque R choisi par le M Ouvrage
b : valeur de la pente de la droite de fatigueδ : écart type épaisseur/fatigue
NE : nb de passages de l ’essieu de référence (=NPLxCAM)
22
×+=δ
bShcSN
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Valeurs admissibles (3/4)Couche de base (suite)
b
66adm,t 10NE
×σ=σ kc× kd×kr× ks×
avecks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de
portance du support (ks = 1 pour la CdBase)
kd : coefficient de discontinuité, intégrant les phénomènesd ’augmentation de contraintes près des bords
GCV0,80
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tr 41
Valeurs admissibles (4/4)Couche de fondation
b
66adm,t 10NE
×σ=σ kc× kd×kr× ks×
avec
ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase)
PF1 PF2 PF31/1,2 1/1,1 1
kd : coefficient de discontinuité (kd = 1 pour CdFondation)
b
66t10N
×σ=σ : loi de fatigue du matériau
kc : coefficient de calage attaché au matériaukr : coefficient de risque kr = 10-ubδ
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 42
Chaussée rigideStructure comportant une
couche de béton de ciment de 15 à 40 cm (DE), éventuellement recouverte par un BBTM,
reposant :soit sur une fondation en béton maigre ou en grave ciment,soit sur une couche de réglage fin en BB ou en GB, soit sur une couche drainante (dalle épaisse).
Dalles discontinues : BCDalles goujonnées : BCgDalles épaisses : DEBéton armé continu : BACsur GB3 ou GC3 ou Bm
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tr 43
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 44
Chaussée rigide : endommagement (1/2)
• Sollicitations dues au traficforte rigidité des bétons :=> efforts verticaux transmis au sol support très faibles=> reprise des efforts en traction / flexion par couches rigidesretrait de prise : joints transversaux ou armatures (BAC)=> augmentation des contraintes en bord de dalles
• Influence des conditions d ’environnement– au jeune âge : retrait de prise => fissuration transversale
=> sciage de joints transversaux + garnissage– variations saisonnières de température : ∆L dalles– variations journalières : gradient de température => cambrure– infiltration d ’eau : attrition des bords de fissures, pompage
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 45
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Chaussée rigide : endommagement (2/2)
• Mode d ’endommagement– dalles discontinues :
• fissuration par fatigue près des bords (sur-largeurs)• pompage près des joints : mise en escalier
– BAC : processus encore mal connu (décollement du BAC de son support après quelques années de fonctt)
• Dispositions constructives particulières :– matériaux peu érodables en fondation (BC3)– drainage aux interfaces– surlargeurs
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Etat neuf
Etat dégradé
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tr 48
Démarche de calcul• Vérifier :
– CdBase σ t < σ t,adm
Calculée au passaged ’un essieu de référence
Déterminée à partir de :- loi de fatigue- trafic NE- risque-support
– CdFondation σ t < σ t,adm
– PF support de chausséeε z < ε z,adm
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 49
Calcul des sollicitations au sein de la structure
• Exemple : BC5/BC3 Mat h(m) E(MPa) Nu Inter
BC5 h1 35000 0,25 Glis.
BC3 h2 23000 0,25 Collée
PF3 infini 120 0,35
Calcul (modèle de Burmister) : Alizé ou Ecoroute
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 50
Valeurs admissibles (1/4)
Plate-forme (sol et/ou GNT)
( ) 222,0adm,z NE12000 −×=ε
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Valeurs admissibles (2/4)Couche de base
b
66adm,t 10NE
×σ=σ kc× kr×
avec b
66t10N
×σ=σ : loi de fatigue du matériau
kc : coefficient de calage attaché au matériaukr : coefficient de risque kr = 10-ubδ
où u : valeur de la variable aléatoire associéeau risque R choisi par le M Ouvrage
b : valeur de la pente de la droite de fatigueδ : écart type épaisseur/fatigue
NE : nb de passages de l ’essieu de référence (=NPLxCAM)
22
×+=δ
bShcSN
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 52
Valeurs admissibles (3/4)Couche de base (suite)
b
66adm,t 10NE
×σ=σ kc× kd×kr× ks×
avecks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de
portance du support (ks = 1 pour la CdBase)
kd : coefficient de discontinuité, intégrant les phénomènesd ’augmentation de contraintes près des bords
BC BCg/BAC1/1,70 1/1,47
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 53
Valeurs admissibles (4/4)Couche de fondation
b
66adm,t 10NE
×σ=σ kc× kd×kr× ks×
avec
ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase)
PF1 PF2 PF31/1,2 1/1,1 1
kd : coefficient de discontinuité (kd = 1 pour CdFondation)
b
66t10N
×σ=σ : loi de fatigue du matériau
kc : coefficient de calage attaché au matériaukr : coefficient de risque kr = 10-ubδ
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 54
Cas particulier du BAC/BBSG ou GB3
Calcul en deux phases
Collée Glissante
NE1 adm
NPL1
NE2 adm
NPL2+ < NPL total
phase 1 phase 2
σt1σt2
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 55
NE1NE2
d2=1/NE2
d1=1/NE1
Nb passages
Dommage
σ t,adm
NE
σt1
σt2
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tr 56
Chaussée mixteStructure comportant une
couche de roulement et de base en matériaux bitumineux d ’une vingtaine de cm,
sur une fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques (15 à 30cm).
Le rapport de l ’épaisseur de matériaux bitumineux à l ’épaisseur totale doit être de l ’ordre de 1/2.
Matériau d’assise :Grave bitume 3 (GB3)Grave ciment (GC) ouGrave laitier (GL) ouSable ciment (SC) ouSable laitier (SL)
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Calcul en deux étapes
Collée Glissante
La structure est saineSeule la couche de fondation
travaille en traction
étape 1 étape 2
σt1
εt2
La structure est dégradéeSeule la couche de base
travaille en extension
E/5
Cas de la structure mixte :démarche de calcul
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 58
Cas de la structure mixte :démarche de calcul
1ère étape :
– CdBase
Calculée au passaged ’un essieu de référence
Déterminée à partir de :- loi de fatigue, trafic NE, risque,
support
– CdFondation σ t < σ t,adm
– PF support de chausséeε z < ε z,adm
Collée
On détermine le nombre NE1 tel que : σt adm = σt
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
tr 59
2ème étape :
– CdBase ε t < ε t,adm
Calculée au passaged ’un essieu de référence
Déterminée à partir de :- loi de fatigue, trafic NE, risque,
support
– CdFondation– PF support de chaussée
ε z < ε z,adm
Glissante
On détermine le nombre NE2 tel que : εt adm = εt
E/5
Cas de la structure mixte :démarche de calcul
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Collée
étape 1
σt1
Glissante
étape 2
εt2
E/5
NE1 adm NE2 adm
+ > NPL total ?NPL1 NPL2
Cas de la structure mixte :démarche de calcul
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Matériau d’assise :Grave bitume 3 (GB3)Grave non traitée (GNT)Grave ciment (GC) ouGrave laitier (GL) ouSable ciment (SC) ouSable laitier (SL)
Chaussée inverseStructure associant une
structure bitumineuse et semi rigide
dont l ’interface est constituée de grave non traitée (12cm) destinée à empêcher la remontée des fissures transversales de retrait.
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Démarche de calcul• Vérifier :
– CdBase ε t < ε t,adm
Calculée au passaged ’un essieu de référence
Déterminée à partir de :- loi de fatigue- trafic NE- risque- support
– CdFondation σ t < σ t,adm– PF support de chaussée
ε z < ε z,adm
– Cd GNT ε z < ε z,adm
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Valeurs admissibles
Couche intercalaire de GNT
Plate-forme (sol et/ou GNT)
( ) 222014400 ,adm,z NE −×=ε
( ) 222012000 ,adm,z NE −×=ε