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Perraton, Baaj
Comment se répercutent les résultats des essais de laboratoire liés à la
performance en fatigue de l’enrobé et àson module complexe au terme de la
structure de la chaussée souple
Daniel Perraton & Hassan Baaj
Perraton, Baaj
Plan de la Présentation
Introduction
Plan de la Recherche
Résultats et Discussion
Conclusion
Perraton, Baaj
Les sollicitations dans la chaussée
Variationstempérature
VariationsD’humidité
TraficPoids lourds
La chaussée est soumise àde multiples Sollicitations
Fissures thermiques
Gel - DégelOrniérage FatigueDéformations
différentielles
Rupture
Perraton, Baaj
Le design des chaussées souples
Le phénomène de fatigue :C’ est le phénomène prépondérant à température
«moyenne» dans les structures de chaussées souples
Suivant une approche analytique de conception,On fixe hcouche pour gérer l’évolution de la fatigue
Perraton, Baaj
Le design des chaussées souples
L’effet de la charge d’un essieu se traduitpar une déformation en bas de couche
Perraton, Baaj
Le design des chaussées souples
L’effet de la charge d’un essieu se traduitpar une déformation en bas de couche
εh
Perraton, Baaj
Le design des chaussées souples
L’effet de la charge d’un essieu se traduitpar une déformation en bas de couche
εh
L’amplitude de εhest directement
tributairede la RIGIDITÉ des
matériaux de la chaussée
… incluant celle des matériaux bitumineux!
la déflexion estRÉDUITE
pour des matériaux PLUS RIGIDES
…réduisant ainsi
εh
Perraton, Baaj
• LL’’amplitude de amplitude de εεhh ddééfinie la DURfinie la DURÉÉE DE VIE des E DE VIE des matmatéériaux traitriaux traitééeses
•• DD’’un point de vue un point de vue ««MATMATÉÉRIAURIAU»», , ll’’effeteffet du passage ddu passage d’’un un vvééhiculehicule se se traduittraduit par:par:
La fatigue des matériaux traités
Notion de DOMMAGES
•• Le design, vise Le design, vise àà contrôler le processus de Fatiguecontrôler le processus de Fatigue……contrôler le contrôler le ““cumulcumul““ des des dommagesdommages
de de manimanièèrere àà atteindreatteindre la vie la vie escomptescomptééee
Microfissurations qui s’amplifientà chaque passage d’un poids lourd
Le design des chaussées souplesQue représente la déformation εh ?
Perraton, Baaj
Δ de Performance en Fatigue entre 2 matériaux bitumineux
1. Le MatMatéériauriau 2. Vérifier comment çase passe dans la structurestructure
Le design des chaussées souplesComment différencier la «fatigue » entre 2 matériaux?
LABORATOIRELABORATOIRE1. Mesure des
Caractéristiques intrinsèques1. E*2. Fatigue
STRUCTURESTRUCTURE1. Approche analytique
(mécanistique)1. E* εh…Δ vitesse auto!2. Intègre Fatigue
Perraton, Baaj
• Largement Répandu en Amérique du Nord
• Méthode Empirique: AASHTO Road Test (fin 50s, IL, USA)
• Premier Guide 1961
• Modifications limitées: 1972, 1981, 1986, 1993
• Nouvelle méthode en développement 200X (20YX??)
• Ne considère aucun essai de performance des EB
• Dimensionnement : Mr à 20 C!! Seulement
• Calibrée sur des matériaux des années 50 et dans les conditions climatiques de l’ILLINOIS, USA
Le design des chaussées souplesEn Amérique du Nord AASHTO 1993
Perraton, Baaj
• Sélectionner deux enrobés bitumineux:Enrobé A: Enrobé ConventionnelEnrobé B: Enrobé Spécial
• Effectuer une caractérisation rhéologique (Mesures de Module Complexe) et évaluation de la résistance à la fatigue des deux enrobés.• Utiliser les deux matériaux comme enrobé de couche de base dans deux sections identiques pour les autres couches• Calculer les épaisseurs des couches avec AASTO 1993• Estimer la durée de vie en fatigue des deux sections (EnrobéA et Enrobé B)• Comparer, discuter et conclure…..
Le design des chaussées souplesBilan Fatigue : Matériau et Structure
Perraton, Baaj
Mesures de Modules Complexes E*
Essai NonEssai Non--destructif destructif
Température (°C): -35°C à +40°C
Fréquence (Hz) : 20Hz à 0,01Hz
Résistance à la FatigueEssai DestructifEssai Destructif
Température : 10 °C Fréquence : 10 Hz
Rhéologie en petites déformationsModule complexe et Fatigue
Perraton, Baaj
Flexion Trois-Points
Flexion Quatre-PointsEssai de Fatigue Diamétral
Fixed base
Sinusoidal cyclic loading (force or displacement)
Failure section
Asphalt concrete specimen
Flexion Deux-Points
Flexion
Rhéologie en petites déformationsLes différents essais de Fatigue
Perraton, Baaj
Rhéologie en petites déformationsProblématique inhérente aux essais de Fatigue en Flexion
Perraton, Baaj
Base fixée
Éprouvette d’enrobé
Sollicitation sinusoïdale
Plan de rupture
Flexion Deux-Points
Rhéologie en petites déformationsProblématique inhérente aux essais de Fatigue en Flexion
Perraton, Baaj
- Non-Homogène: Contraintes et Déformations varient d’un point à l’autre dans l’éprouvette
- Nécessité d’assumer une loi de comportement(pas évident)
- Contraintes et Déformations ne sont pas mesurables
- Phase non-linéaire est rapidement entamée
importante dispersion
pas de corrélation entre les essais effectués en mode de force ou de
déplacement imposé
importante dispersion
pas de corrélation entre les essais effectués en mode de force ou de
déplacement imposé
Rhéologie en petites déformationsProblématique inhérente aux essais de Fatigue en Flexion
Perraton, Baaj
Rhéologie en petites déformationsProblématique inhérente à l’essai de Fatigue diamétral
Perraton, Baaj
H1H2
ΔH
DH
H1
× 100% = εp
Rhéologie en petites déformationsProblématique inhérente à l’essai de Fatigue diamétral
Perraton, Baaj
Chargement cyclique en compressionChargement cyclique en compression
Accumulation des déformationsAccumulation des déformations
Rupture précaireRupture précaire
Durée de vie très courte par rapport aux autres essais
Durée de vie très courte par rapport aux autres essais
+ESSAI NON-HOMOGÈNE
+ESSAI NON-HOMOGÈNE
Rhéologie en petites déformationsProblématique inhérente à l’essai de Fatigue diamétral
Perraton, Baaj
E
N
E0
E0/2
Nf
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Interprétation : Critère classique (50% perte de E*)
Perraton, Baaj
Pour chaque éprouvette testée, on détermine le nombre de cycles Nfcorrespondant à la rupture.
Log Nf
Log ε
or σ Droite de Fatigue
(Wöhler)
Module
N
E*0
Nf
E0
2
ε6
10+6
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Interprétation : Droite de Wöhler
Perraton, Baaj
Log (NLog (Nff))
140100 120 160 180801×104
60
1×107
1×106
1×105
EnrobEnrobéé AA
εε66 =111.10=111.10--66 m/mm/m
EnrobEnrobéé BB
εεLog (Log ( ××1010--66 m/m)m/m)
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Interprétation : DURÉE DE VIE!
εε66 =160.10=160.10--66 m/mm/m
Perraton, Baaj
Log (NLog (Nff))
140100 120 160 180801×104
60
1×107
1×106
1×105
EnrobEnrobéé AA EnrobEnrobéé BB
εεLog (Log ( ××1010--66 m/m)m/m)
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Interprétation : DURÉE DE VIE!..RELATIVE
Comment les comparer?
Durée de vie : 800 000
Durée de vie : 12 000 000!
Perraton, Baaj0.0E+00
2.0E+06
1.2E+07
Enrobé A
Enrobé B
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Matériau : Durée de vie à 160 μDef
Durée de Vie du B est 15X
Durée de Vie du A
Bilan Matériau!4.0E+06
6.0E+06
8.0E+06
1.0E+07
Durée de vie
Perraton, Baaj
50 mm EB10S
300 mm MG20
400 mm sable3.8 % au 80μm
Infra.
490 MPa
1750 MPa
190 MPa
50 MPa
490 MPa
1750 MPa
Enrobé B3380 MPa
190 MPa
50 MPa
Enrobé A5380 MPa
Épaisseur ??
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Configuration retenue
Perraton, Baaj
1- Le trafic: ECAS 115 000 000
2- Sol d’infrastructure : Mr = 40 MPa (5 800 psi).
3- Sous-fondation : 400 mm de sable, Mr = 160 MPa (23 190 psi).
a4 = 0,227 Log(MrSB) – 0,839 = 0,152
4- Fondation : MG20, HB = 300 mm, Mr = 490 MPa (71 000 psi).
a3 = 0,249 Log(MrB) – 0,977 = 0,231
5- Couche de surface: 100 mm de EB10-S, E* = 1750 MPa (20°C – 3 Hz).
a1 = 0,414 Log(E) – 1,896 = 0,341
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Design avec ASSHTO
Perraton, Baaj
50 mm EB10S
300 mm MG20
400 mm sable3.8 % au 80μm
Infra.
490 MPa
1750 MPa
190 MPa
50 MPa
490 MPa
1750 MPa
Enrobé B3380 MPa
190 MPa
50 MPa
Enrobé A5380 MPa
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Configuration retenue
140 mm 165 mm 25 mm
Perraton, Baaj
1750 MPa 1750 MPa
Enrobé B165 mm
Enrobé A140 mmεεhAhA εεhBhB
Déformation calculées en bas de couches de base avec le logiciel KENPAVE (Y. H. Huang).
Cas 1 - Milieu Urbain (30 Km/hre & 20 °C)
Cas 2 - Autoroute (100 Km/hre & 20 °C)
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Déformation εh
Perraton, Baaj
83.380.6
72.069.5
60
65
70
75
80
85
Section2Enrobé B
Déf
orm
atio
n en
bas
de
couc
he
Urbain
Autoroute
Section1Enrobé A
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Déformation εh
Perraton, Baaj
Remarque
Les valeurs des durées de vie de la chaussée sont calculées àpartir de l’équation suivante:
Cette équation, proposée par Huang* a été développée àpartir des résultats des essais des fatigue de flexion quatre-points (essai non-homogène) et les paramètres permettant le passage des résultats de laboratoire à la structure sont des paramètres empiriques.* Huang, H. Yang, “Pavement Analysis and Design” Second edition, Prentice Hall, ISBN: 0136552757.
Perraton, Baaj
225 128 000
1 153 000
536 637 000
2 208 000
0.0E+00
1.0E+08
2.0E+08
3.0E+08
4.0E+08
5.0E+08
6.0E+08
Dur
ée d
e vi
e es
timée
Urbain
Autoroute
Section1Enrobé A
Section2 Enrobé B
Nf = c1 (εh )–f2 (Es)– f3
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Calcul Durées de Vie
Durée de Vie du B est 200 à 245 X
Durée de Vie du A
Bilan Structure!
Perraton, Baaj
1750 MPa 1750 MPa
Enrobé B165 mm
Enrobé A140 mmεεtAtA
140 mm
εεtBtB
La performance de la section 2 est nettement supérieure
Solution: Réduire l’épaisseur de la couche de base dans la section 2
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Épaisseurs égale
140 mm
Perraton, Baaj
83.390.0
72.078.3
10
30
50
70
90
110 Urbain
Autoroute
Section1Enrobé A
Section2 (Modifié)Enrobé B
Déf
orm
atio
n en
bas
de
couc
heRhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : εh…même H
Perraton, Baaj
1 153 000
67 816 000
2 208 000
156 053 000
0.0E+00
2.0E+07
4.0E+07
6.0E+07
8.0E+07
1.0E+08
1.2E+08
1.4E+08
1.6E+08
1.8E+08
Dur
ée d
e vi
e es
timée
Urbain
Autoroute
Section1Enrobé A
Section2 Enrobé B
Rhéologie en petites déformationsFatigue – Performance Structure : Épaisseurs égale
Nf = c1 (εh )–f2 (Es)– f3
Durée de Vie du B est 60 à 70X
Durée de Vie du A
Bilan Structure!
Perraton, Baaj
Conclusions
-On montre que l’appréciation de la performance en fatigue dépend du point de vue dans lequel on se place: Matériau versus Structure :
… Matériau ne montre pas toutes les facettes!
-Ceci reste vrai dans la mesure où l’on caractérise de façon intrinsèque la performance en fatigue
…c’est pas le cas avec les essais en flexion
- Pour une évaluation dans le contexte de la structure- E* et Fatigue
- La méthode AASHTO ne met pas en relief le gain attribuable à la performance en fatigue
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