Dimensionnement théorique des structures de chaussées

La structure d’une chaussée doit résister à diverses sollicitations, notamment celles dues au trafic et elle doit assurer la diffusion des efforts induits par ce même trafic dans le sol de fondation. L’application d’une charge roulante induit ainsi une déformation en flexion des couches de la structure. Cette flexion entraîne des sollicitations en compression au droit de la charge et des sollicitations en traction à la base des couches d’enrobés, comme le montre le schéma ci-contre dû à Di Benedetto.

Il existe différentes méthodes pour bien appréhender cette déformation. Elles donnent lieu ensuite à différents modèles de dimensionnement théorique des structures de chaussées.

Sommaire 1 Méthodes de dimensionnement 1.1 Méthode empirique 1.2 Méthode mécanique empirique 1.2.1 Le modèle de charge 1.2.2 Le modèle de calcul 1.2.3 Le modèle de performance 1.3 Méthode incrémentale 2 Modèle de charge 3 Comportement des enrobés bitumineux sous une charge 4 Modèle de calcul 5 Modèle de performance 6 Notes 7 Bibliographie

Méthodes de dimensionnement

Méthode empirique

Les méthodes empiriques de dimensionnement font appel exclusivement à des expériences comparant le comportement à long terme de diverses structures pour différentes conditions climatiques et de trafic. Des essais en vraie grandeur apportent également de nombreuses informations nécessaires pour la mise en place des règles empiriques de dimensionnement.

La méthode suisse de dimensionnement des structures de chaussées est une méthode empirique.

Méthode mécanique empirique

Ces méthodes font partiellement appel à une approche analytique qui est complétée par des données empiriques. Il y a en général deux étapes :

• Détermination des sollicitations dans une superstructure sous l’effet d’une charge définie de trafic,
• Mise en relation de ces sollicitations avec certaines dégradations des chaussées.

Le principe de fonctionnement des méthodes de dimensionnement mécaniques empiriques est défini dans le schéma ci-contre.

Le modèle de charge

Le modèle de charge est au centre du processus. Il consiste à donner une image aussi réaliste que possible de la charge induite par une roue dans une chaussée routière.

Le modèle de calcul

Les modèles de calcul permettent de définir les contraintes et déformations qui apparaissent au sein d'une chaussée, sous l'effet d'une charge et dans des conditions bien définies. Ils nécessitent la définition de paramètres pour décrire la structure (géométrie et lois de comportement) et les conditions de chargement(intensité de la charge, pression de contact, etc.). Ils fournissent des résultats théoriques correspondant aux hypothèses retenues pour la modélisation. Dans la plupart des cas, ces modèles se basent sur un comportement élastique des matériaux, mais rien ne s'oppose à l'utilisation d'autres types de comportement.

Le modèle de performance

Les modèles de performance relient les états de sollicitations issus des modèles de calcul avec les dégradations des chaussées. Ils sont généralement obtenus en combinant des résultats d'essais en laboratoire avec l'observation du comportement réel des chaussées. Ils permettent d'exprimer le nombre de cycles d'une sollicitation donnée qu'une chaussée est à même de supporter avant de présenter une dégradation jugée inadmissible.

Ces deux types de modèles dépendent d'un même et unique phénomène : le comportement des matériaux bitumineux et ne sont en principe pas indépendants. L'existence d'une séparation de ceux-ci dans les méthodes de dimensionnement provient généralement de la prise en compte de données empiriques dans les modèles de performance.

La méthode française de dimensionnement des structure de chaussées ( ref guide technique « Conception et dimensionnement des structures de chaussées » (SETRA – LCPC 1994) est une méthode mécanique empirique.

Méthode incrémentale

Au niveau européen, un projet de fonctionnement pour une méthode incrémentale a été proposé, défini dans le schéma ci-contre.

Cette méthode envisage d'étudier l'évolution d'une chaussée dans le temps (t) en cumulant l'effet, exprimé en termes de dommage (D), de chacune des sollicitations induites par les charges de trafic.

Une telle méthode doit permettre de limiter, voire de supprimer, l'importance des données empiriques dans le domaine du dimensionnement des chaussées routières. Cette démarche prévoit de tenir compte de l'effet d'une sollicitation non seulement sur l'état de la chaussée (géométrie), mais également sur l'évolution des propriétés des matériaux en fonction du dommage subi. Elle doit également intégrer l'effet des variations de température et les données réelles de trafic sans avoir recours à la notion de trafic équivalent.

La mise en place d'une telle méthode s'avère cependant très complexe à cause des nombreuses interactions entre les phénomènes pris en compte. Ainsi, pour chaque nouvelle charge de trafic agissant à l'instant i, il s'agit de déterminer un supplément de dommage en tenant compte non seulement de l’influence des conditions climatiques que les propriétés des matériaux à cet instant t, mais également des dommages déjà subis par la structure. Mais la difficulté réside également dans le très grand nombre de données (trafic, climat, lien entre les deux, etc) souvent difficilement disponibles.

Des études récentes (2003) ont montré qu’il était possible d’introduire dans les méthodes mécaniques empiriques des notions de variabilités des facteurs intervenant dans le dimensionnement des chaussées. Il s’agit d’un premier progrès.

Modèle de charge

Pour définir un modèle de calcul, il convient de bien appréhender deux données : La problématique des charges de trafic et le comportement des enrobés bitumineux sous application d’une charge.

On distingue deux types de trafics : le trafic léger et le trafic lourd. Seul le trafic lourd a un effet sur le comportement des structures de chaussées.

Pour aller plus loin :

Dimensionnement des chaussées : Problématique des charges de trafic
Trafic pour le dimensionnement empirique • Loi de puissance pour le trafic équivalent • Essieu de référence • Coefficient de charge • trafic dans les méthodes mécaniques empiriques • Forme des empreintes • Pression verticale de contact • Efforts horizontaux

Comportement des enrobés bitumineux sous une charge

Un enrobé est un mélange homogène constitué à chaud de granulats minéraux et de liant bitumineux. Le comportement d’enrobés bitumineux dépend de l’amplitude des déformations et du nombre de cycles de chargements, comme le montre la figure ci-dessous proposée par Di Benedetto (1990).

D’une manière générale les matériaux bitumineux sont considérés homogènes, isotropes, viscoélastiques et thermosusceptibles.

Pour aller plus loin :

Dimensionnement des chaussées : Comportement des enrobés bitumineux
Comportement élastique linéaire • Comportement viscoélastique linéaire • Modèle de Kelvin-Voigt • Modèle de Maxwell • Modèle d'Huet • Comportement en fatigue • Thermosusceptibilité

Modèle de calcul

Pour aller plus loin :

Dimensionnement des chaussées : Modèle de calcul
Le modèle multicouche de Burmister • Modélisation élastique par éléments finis • Modélisation viscoélastique linéaire

Modèle de performance

Pour aller plus loin :

Dimensionnement des chaussées : Modèle de performance
Critère de fatigue • Critère de déformation permanente du sol de fondation • Evaluation de l'orniérage

Notes

Bibliographie

• Conception et dimensionnement des structures de chaussées. Guide technique. Bagneux. SETRA - Paris - Décembre 1994
• Déformations des couches bitumineuses au passage d'une charge de trafic.Thèse EPFL (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne), no 2786 (2003). De Jacques Perret Dir.: André-Gilles Dumont.
• Endommagement en fatigue des enrobés bitumineux en conditions de "trafic simulé" et de température – Thèse de Vincent Domec – LCPC

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