Dimensionnement des structures de
chaussées-Approche rationnelle
1.Approches de calcul pour les chaussées
•Le corps de chaussée a pour but essentiel de protéger le sol support et doit assurer une bonne répartition des contraintes afin d'éviter le poinçonnement de la plate-forme
•Les matériaux constitutifs de la chaussée doivent présenter des épaisseurs et des propriétés de résistance suffisantes afin de supporter les contraintes répétées de cisaillement, de compression et de traction, ainsi que les déformations conséquentes engendrées par le trafic.
Les méthodes empiriques sont des approches qui privilégient l'expérience acquise suivant le comportement de planches d'essais ou de structures de
chaussées existantes
•Les méthodes rationnelles sont des méthodes se basant sur les caractéristiques mécaniques des matériaux et sur des modèles mathématiques pour calcul des contraintes générées et comparées à des valeurs limites calées en fonction des observations réelles
•La méthode empirique couramment utilisée est la méthode AASHTO des États-Unis.
Cette méthode expérimentale fut développée entre les années 1957 et 1961 et son établissement a pris comme sujets d'études 561 sections routières : -240 sections souples -50 sections souples avec couche de base stabilisée -271 sections rigides
•Mais attention : Méthode empirique = basée sur des expériences, donc le contexte de chargement, de climat, de matériau et de sol support est particulier !!
2.Approche rationnelle
•La démarche française est fondée sur le calcul élastique et l'analyse des déformations et des contraintes dans des massifs multicouches engendrées par le passage d'une charge de référence
•Elle consiste à déterminer de manière théorique les contraintes et les déformations et de les comparer à des valeurs limites admissibles déterminées par des essais en laboratoire sur les matériaux et ajustées et
validées (calage des modèles) par des chantiers expérimentaux et des observations du comportement réel à long terme des chaussées sous trafic (mesure in situ des déformations, observations de la durée de vie des structures).
L’objectif de cette méthode étant toujours :
-La contrainte verticale sur le sol support doit être inférieure à une valeur limite fonction de la nature du sol support et du nombre de chargements
-La contrainte de traction par flexion à la base d'une couche de chaussée doit également être inférieure à une valeur limite fonction de la nature du matériau de chaussée et du nombre de cycles de chargement
Modes de dégradation
-Fatigue des enrobés ( 𝜺𝒕)
-Déformations permanentes des matériaux granulaire (𝜺𝒛)
Les modèles théoriques représentatifs du fonctionnement des chaussées ont été mis au point depuis les premiers chantiers routiers jusqu'à nos jours :
-Modèle monocouche : BOUSSINESQ (1885)
-Modèlesbi-couches : WESTERGAARD (1926), HOGG (1938)
-Modèle multi-couche: BURMISTER (1943)
•Ils étaient exploités sous forme d'abaques. Les outils de calcul numérique actuels permettent de résoudre rapidement ces différents modèles
3.Approche rationnelle en pratique: Alizé
•Des logiciels de calculs sont disponibles tels que le programme ALIZE développé par le LCPC, reposant sur le modèle théorique de BURMISTER
•Ils permettent de prendre en compte la complexité du dimensionnement en simulant comportement des structures, propriétés de chaque matériau et liaisons aux interfaces
•Les logiciels permettent de calculer les contraintes et les déformations sous l'effet du trafic que subissent les matériaux des diverses couches de chaussées et le sol support
Ces sollicitations effectives sont ensuite comparées aux contraintes et déformations admissibles des divers matériaux.
•Il existe d’autres programmes de calcul aux éléments finis permettent désormais d'optimiser le dimensionnement en utilisant des modèles plus réalistes et en prenant en compte des comportements plus précis des divers matériaux de chaussées (César LCPC, ComsolMultiphysics..).
4. Etapes de de dimensionnement par ALIZE
Hypothèses admises
-Matériaux élastiques et linéaires
-Chaussée = plaque infinie (Boussinesq)
-Comportement à la fatigue des matériaux
-Approche probabiliste
Théorie de la plaque de Boussinesq : développée en 1885 sous forme d’équations qui permettent de déterminer l'état des contraintes imposées par une charge ponctuelle à l'intérieur d'un demi-espace homogène, isotrope et présentant un comportement élastique linéaire.
Le dimensionnement des corps de chaussées selon les méthodes rationnelles
suit les étapes nécessaires suivantes :
Étape 1 :
-Détermination de la durée de vie de la structure
Étape 2 :
-Estimation du trafic cumulé en PLpendant la durée de service
Étape 3 :
-Estimation du trafic en essieux équivalents de 13t (NE)
Étape 4 :
-Détermination de la classe de la plateforme support de la structure
Étape 5 :
-Détermination du coefficient de risque de calcul.
Étape 6 :
-Choix du type de la structure de chaussée
Étape 7 :
-Pré-dimensionnement de la structure
Étape 8 :
-Vérification de la structure et du support
Étape 9 :
-Ajustement des épaisseurs calculées
Etape 1: Détermination de la durée de vie de la structure
•Cette durée est fonction de la stratégie d'investissement, de la stratégie d'entretien et du type de la chaussée choisi (souple ou rigide).
•On peut considérer qu’au-delà de 20 ans de service, la chaussée a une longue durée de vie. Certaines chaussées souples peuvent être dimensionnées pour aller à 20 ans de service, ce qui n’en fait plus des chaussées à durée courte.
Etape 2: Estimation du trafic cumulé en poids lourds pendant la durée de service
•Le trafic constitue un paramètre essentiel du dimensionnement des structures de chaussées. Le poids des véhicules est transmis à la chaussée, sous forme de pressions, par l'intermédiaire des pneumatiques. Seuls les camions sont pris en compte pour le dimensionnement, compte tenu de leur plus grande
agressivité que les véhicules légers
•Ce trafic cumulé dépend :
-Du trafic existant ou prévu lors de la mise en service de la route
-De l'agressivité moyenne du trafic
-De la période de service souhaitée de la chaussée
-De taux moyen de croissance annuelle du trafic pendant cette période
L'estimation 𝑻𝒄 trafic cumulé en essieux de référence commence par l'évaluation d'un Trafic Moyen Journalier Annuel (TMJA) en véhicules/jour
𝑻𝒄= 365. TMJA. % PL.𝑭𝒔𝒄. 𝑭𝒗𝒄.𝑪𝒊
Où:
-𝑻𝒄: Trafic cumulé total sur les deux sens de circulation tous véhicules confondus
-TMJA :Trafic moyen journalier annuel estimé pour la chaussée
-% PL : Pourcentage des véhicules PL du trafic cumulé
-𝑭𝒔𝒄: Facteur de répartition selon le sens de la circulation
-𝑭𝒗𝒄: Facteur de répartition selon la voie la plus chargée
-𝑪𝒊: Coefficient de croissance du trafic tenant compte de la durée de service de i années de la structure et du taux de croissance annuel considéré
Etape 3: Estimation du trafic en essieux équivalents de 13t (NE)
•Le paramètre qui intervient dans le dimensionnement de la structure est le nombre d'essieux équivalent de 13t, noté NE, qui correspond au trafic cumulé poids lourds sur la durée de service retenue :
NE= 𝑻𝒄.CAM
-NE :Nombre d'essieux de référence représentant le trafic cumulé sur la période de service de la chaussée
-𝑻𝒄: Trafic cumulé total sur les deux sens de circulation tous véhicules confondus
-CAM : Coefficient d'agressivité moyen du trafic PL
Etape 4: Détermination de la classe de la plateforme support de la structure 𝑷𝑭𝒊
•La démarche de dimensionnement de la plateforme consiste à :
-Déterminer la classe de sol constituant la plate-forme (Classification GTR/GMTR)
-Définir le cas de PST (de 0 à 6)
-Déterminer la classe de la plate-forme 𝑷𝑭𝒊en prenant en compte les performances et l'épaisseur de la couche de forme (PF1 à PF4).
Etape 5 : Détermination du coefficient de risque de calcul
•Les catalogues de dimensionnement français et marocains prennent aussi en compte la notion de risque de calcul
•Ce risque est pris d'autant plus faible que le trafic est important, afin de garantir un service maximum de la chaussée et une gêne minimale pour les usagers
•Le risque traduit ainsi la probabilité de rupture en fonction du niveau de service souhaité par le maître d'ouvrage.
Etape 6 : Choix du type de la structure de chaussée
•Le choix d'une structure de chaussée dépend de plusieurs facteurs, dont le niveau de service (risques d'interruptions, bruits générés ...), la sécurité préconisée (drainage superficiel, adhérence ...), la stratégie entreprise dans l'investissement (pour durée courte ou longue, entretiens ...) ainsi que d'autres variables
•On peut choisir parmi les structures précédemment présentées : souple, semi- rigide, rigide …
Etape 7: Pré-dimensionnement de la structure
Etape 8: Vérification de la structure et du support
•Afin de calculer les sollicitations au sein de la structure, on doit procéder, par utilisation de logiciel (ALIZE du LCPC, généralement), à la détermination des contraintes et des déformations en base et en surface de couche , ainsi que les déformations verticales de la plate-forme support au passage des essieux de référence totalisés lors de l'étude du trafic
•Les valeurs obtenues seront ainsi comparées à des valeurs admissibles déterminables par calcul manuel en fonction de la loi de fatigue des matériaux, du nombre d'essieux cumulés, du pourcentage de risque, de laportance du sol-support ...
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