DOSSIER DE PRESSELe manège de fatigue des structures routières :

35 ans d'innovations !

Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux

Vendredi 18 octobre 2013

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• Tournez manège ! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

• La genèse du manège . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

• Première étape : l'installation . . . . . . . . . . . .3

• Les évolutions majeures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

• Quelques perspectives d’avenir... . . . . . .6

Sommaire

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1,6 million de kilomètres simulés sur les chaussées du manègeL'équipement actuel comporte trois anneaux, chacun permettant plusieursessais simultanés. Un des anneaux est équipé d'une cuve en béton sous lachaussée pour reproduire les cycles hydriques saisonniers (en contrôlant leniveau d'eau de la nappe phréatique). Associées aux essais de laboratoire,parfois menées dans le cadre de recherches internationales, ces expéri-mentations alimentent les modèles, permettent de caler des méthodes dedimensionnement et de renforcement des chaussées, ou de mettre au pointles produits et les techniques de construction des industriels de la route. Ellessont toutes financées par des contrats industriels.

Outre la maintenance des chaussées et les mécanismes de dégradation, lesétudes portent désormais sur la durabilité des solutions à base de matériauxrecyclés, la réparation des nouvelles chaussées urbaines et tous les équi-pements qui seront testés dans le cadre du projet Route de 5e génération(pour la récupération d'énergie, l'alimentation de véhicules électriques…).Encore des tours et des tours de manège en perspective !

Tournez manège !

Après 35 ans d'utilisation, le simulateur de trafic de l'Ifsttar, sans cesse adaptéaux évolutions des techniques routières, reste un des plus grands équipe-ments de fatigue au monde : on y étudie en quelques mois l'effet sur la chaus-sée de plusieurs dizaines d'années de trafic de poids lourds.

Faire des kilomètres avec un manège ! C'est l'idée qu'ont eu les ingénieursdu LCPC en 1973 pour étudier de façon accélérée la dégradation des chaus-sées par le trafic. L'installation prend forme en 1978 sur le site de Nantes pourêtre finalement inaugurée en 1984 : deux anneaux de 40 mètres de diamè-tre, une chaussée de six mètres de large sur laquelle des charges de plus de13 tonnes peuvent rouler à 100 km/h. " En deux mois, on peut simuler lepassage d'un million de poids lourds, soit 20 ans de durée de vie d'une chaus-sée à trafic moyen ", résume Pierre Hornych, directeur du LAMES (Laboratoireauscultation, modélisation, expérimentation des infrastructures de transport).

Le manège a permis de tester près de 130 structures de chaussées, essen-tiellement neuves, mais aussi des techniques de maintenance (entretien etrenforcement), des couches de roulement (pour éviter la création d'orniè-res), des pièces de voiries (canalisations, dispositifs de tranchées) ou encoredes systèmes d'instrumentation ou d'auscultation des chaussées.

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Les bras sont des poutres en acier mécano-soudé prenant appui sur l'en-semble tournant de la tourelle centrale et sur la piste d'essai, par l'intermé-diaire des trains de roulement, fixés à l'extrémité de chaque bras. Chaque trainde roulement peut recevoir des roues jumelées ou des tandems à rouesjumelées.

Cette version du manège a dû être profondément modifiée, faute de pouvoirsatisfaire les exigences du cahier des charges qui demandait à ce que lemanège puisse circuler à vitesse élevée sur des renforcements de chausséesou autres dénivellations et défauts d'uni.

En effet, les premiers essais du manège, à 100 km/h, sur une dénivellationde 20 cm présente sur un quart d'anneau de la première piste d'essai, avecune rampe de 5 %, ont engendré des ruptures au niveau des trains de rou-lement ainsi que dans les bras du manège. Des modifications conséquentesont donc été apportées à la machine afin de pallier ces dysfonctionnements.Les bras ont été renforcés par des raidisseurs internes et un appui roulantintermédiaire a été ajouté au milieu de chaque bras afin de stabiliser l'équi-pement au passage des dénivellations de la piste d'essais (photo 2).

La genèse du manège…

Photo 1 - Première version du manège, sans les appuis intermédiaires

Photo 2 - Vue du manège dans sa version finale.

À l'origine du projet : une piste d'essai de 3,25 km de long pour tester simul-tanément un grand nombre de sections routières. Pour des raisons notam-ment financières, ce projet initial n'aboutit pas et c'est vers la construction d'unéquipement de taille plus modeste (40 mètres de diamètre) mais avec unecapacité de chargement élevée que celui-ci évolue. C'est en 1973, que le pro-jet est lancé mais celui-ci, même si de premiers essais auront lieu à partir de1978, verra sa construction achevée définitivement qu'en 1982.

Première étape : l'installation

Une première version du manège voit le jour en 1978. Construite par lasociété Creusot-Loire, l'équipement peut atteindre la vitesse prévue de 100km/h. Cette première version de la machine est constituée d'une tourellecentrale, de 4 bras et d'une motorisation électro-hydraulique de 1000 CV(photo 1).

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Les trains de roulement d'origine appliquant l'effort sur la piste d'essai ont aussiété profondément modifiés. Les nouveaux modules de roulement ont étééquipés d'une suspension pneumatique, à grand débattement et à faible rai-deur, permettant de maintenir la charge la plus stable possible en cas dedénivellation de la chaussée (figure 3).

Suite à ces différentes mises au point, le manège trouve son achèvement en1982 et les études sur chaussées débutent.

Lors de sa mise en service, le manège avec une vitesse maximum de 100km/h et une capacité de chargement de l'ordre de 500 000 à 1 million de char-gements par mois, est alors l'installation la plus performante de ce type aumonde.

Les premières années de fonctionnement mettent également en lumière lesqualités de la machine : • Fiabilité de fonctionnement• Dimensions bien adaptées, avec des pistes de 120 m de long, permettantde tester plusieurs structures en même temps (souvent 4 structures d'une lon-gueur de 30 m), et de réaliser la construction avec des vrais matériels de chan-tier.• Capacité de chargement élevée, permettant d'obtenir des résultats rapide-ment (une expérience dure généralement de l'ordre de 3 à 6 mois).• Possibilité, grâce aux 4 bras, de tester simultanément l'effet de charges dif-férentes, ou de configurations d'essieux différentes.

La proximité du manège avec la profession routière et les autres activités derecherche sur les chaussées (auscultation, dimensionnement et modélisation,laboratoires matériaux) sur le centre de Nantes ont également été un atoutimportant pour son développement.

Figure 3Principe de fonctionnement des bras du manège et des trains de roulement.

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Les évolutions majeures

En 1990, un anneau d'essai supplémentaire est construit (photo 4). Désormaisau nombre de 3, l'installation permet la construction de structures de chaus-sées différentes tout en testant simultanément la résistance d'une chausséesur un autre anneau. La même année, les capteurs utilisés pour la transla-tion des trains de roulement, actionnés jusque là par des contacts, sont rem-placés par des capteurs sans contact.

Photo 4 - Vue du site du manège, après réalisation du troisième anneau.

Au début des années 1990, les configurations des poids-lourds ont majori-tairement évolué vers des véhicules avec des remorques de type tridem ettandem. Ces évolutions ont naturellement conduit entre 1992 et 1998 à adap-ter sur les bras du manège des trains de roulements avec tridem et tandemà roues simples (photo 5).

Ces types d'essieux multiples ont principalement servi à réaliser des essais derésistance à l'orniérage des couches de roulement. Des matériaux plus résis-tants à l'orniérage, avec des bitumes à faible susceptibilité thermique, ont ainsipu être mis au point. Plus récemment, en 2008, une expérience a égalementété réalisée pour étudier l'effet de différents types de charges (roue simple,jumelage, tandem, tridem) sur le comportement viscoélastique des chausséesbitumineuses.

Photo 5 - Différentes configurations d'essieux multiples utilisées sur le manège.

En 1993, un système de chauffage de la piste du manège est réalisé afin depermettre une élévation des températures des couches de surface bitumi-neuses jusqu'à 65 °C. Sans chauffage, la température naturelle en été sur lespistes nantaises atteint 50 à 55 °C. Ce système de chauffage a été utilisé pourles études sur la résistance à l'orniérage des couches de roulement.

En 2002, le dernier anneau du manège est équipé d'un cuvelage en béton.Cet ouvrage circulaire, de 10,40 m de large, 110 m de long et 3 m de pro-fondeur est équipé de puits et de systèmes de pompage permettant de contrô-ler le niveau de la nappe phréatique dans le sol support, et de faire ainsivarier sa portance (photo 6). Le sol support qui a été mis en place dans lecuvelage est un sable argileux, homogène et sensible à l'eau.

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En 2003, vingt ans après sa mise en service, le manège subit une moderni-sation importante, avec le remplacement du pupitre de commande par un nou-veau système de pilotage entièrement informatisé. Depuis 2011, l'installationpeut être commandée à distance au moyen d'un ordinateur via le réseauinternet.

De 1981 à 2013, le manège a effectué 14 millions de rotations. Le kilométrageparcouru par chaque train de roulement en extrémité de bras représenteenviron 1,6 millions de kilomètres, soit 40 fois le tour de la terre ! Ce nombreimportant de rotations a nécessité, bien entendu, un entretien soutenu de la

machine avec le rebobinage des moteurs électriques, le remplacement de plu-sieurs pompes hydrauliques, la révision des moteurs hydrauliques principaux(2 pompes HydroTitan et 4 moteurs Hägglunds), le remplacement des câblesd'arrivée haute tension, le renforcement des fusées, la réfection de la peinture.Une maintenance préventive est également réalisée régulièrement par l'é-quipe du manège (remplacement de pièces d'usure, de capteurs, de systèmesde filtration d'huile, de composants électriques…). Les principaux consom-mables nécessaires au déroulement d'une expérience sont l'électricité, lespneumatiques, l'huile, les roulements et la construction des structures.

La conception du manège s'est révélée très robuste, et celui-ci a connu peud'arrêts depuis sa mise en service. Cette fiabilité est due, en particulier, au faitque la rotation du manège est assurée par deux lignes de motorisation sem-blables. Lorsqu'un élément (moteur électrique ou hydraulique) ne fonctionneplus sur une ligne de puissance, il est possible de faire fonctionner l'installa-tion avec l'autre ligne, avec une puissance réduite, mais qui permet tout demême d'atteindre 50 km/h en configuration jumelage standard. De plus, lesmoteurs hydrauliques d'entrainement du manège sont très largement dimen-sionnés, et fonctionnent à des vitesses de rotation très lentes (quelques tourspar minute), ce qui réduit les problèmes d'usure.

Quelques perspectives d’avenir...

Aujourd'hui, trente cinq ans après sa création, le manège de fatigue reste unedes plus importantes installations d'essais sur chaussées en vraie grandeur.La demande d'expérimentations en grandeur réelle reste importante mais sediversifie, en relation avec les innovations technologiques, l'évolution desmodes de transport et les préoccupations liées au développement durable,aux économies d'énergie ainsi qu'à l'aménagement urbain. Dans ce contextequelques perspectives d'utilisation du manège de fatigue, en liaison avec les

Photo 6Vue du cuvelage de l'anneau C,

permettant le contrôle du niveau de nappe dans le sol support.

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orientations de recherche de l'Ifsttar sont évoquées ci-dessous. Elles s'ins-crivent, en particulier, dans le projet Route de cinquième génération (R5G) quivise à réaliser des démonstrateurs pour évaluer les technologies des routesde demain.

Durée de vie des chaussées, prise en compte des mécanismes dedégradation autres que la fatigueOn construit peu de routes neuves aujourd'hui et la préoccupation majeuredes maîtres d'ouvrage est l'entretien et la préservation du patrimoine. Dansce domaine, pour les chaussées à fort trafic, l'expérience montre que l'en-dommagement par fatigue des couches d'assise n'est pas le mode de dégra-dation le plus fréquent. Les dégradations concernent, le plus souvent, lescouches supérieures des chaussées et leurs causes peuvent être multiples :vieillissement des matériaux, effet du climat, fissuration par le haut due auxsollicitations du trafic, dégradation des interfaces entre couches, manqued'entretien. Le manège peut contribuer à mieux comprendre ces mécanismeset mettre au point des matériaux plus durables.

Comme expérimenté récemment, l'utilisation de nouvelles techniques d'ins-trumentation (capteurs miniaturisés, fibres optiques) permettra de mieuxmesurer les sollicitations complexes produites dans les couches supérieuresdes chaussées par les charges roulantes et d'aider à l'identification des diversmécanismes à l'œuvre.

Évaluation de solutions d'entretien et de renforcementLes besoins croissants de maintenance des réseaux routiers conduisent àrechercher de nouvelles solutions innovantes d'entretien et de renforcement,plus durables et plus économiques (matériaux à hautes performances, amé-liorés par des fibres ou des grilles, retraitement en place...). Les expérimen-tations en vraie grandeur sur manège peuvent être un moyen efficace pourcomparer différentes solutions d'entretien ou de renforcement, et valider leurdimensionnement.

Effet de l'évolution des charges des poids lourdsLes contraintes économiques et environnementales conduisent aussi à uneévolution des configurations et des charges des poids lourds. Aujourd'hui, lespoids lourds sont équipés majoritairement d'essieux multiples (en particuliertridem) et leurs poids total en charge (PTC) augmentent régulièrement. Lesvaleurs maximales autorisées sont passées de 38 tonnes à 40 tonnes en1986, puis à 44 tonnes en 2012 et des charges encore plus lourdes sont

envisagées. L'agressivité de ces essieux multiples et de ces charges crois-santes, notamment vis-à-vis des couches de roulement, est aujourd'hui malconnue. Des essais de fatigue sur le manège sont envisagés pour l'étudier,en comparaison avec l'essieu à roues jumelées de 13 tonnes, qui reste lacharge de référence du dimensionnement.

De façon plus générale, il serait sans doute plus pertinent de réaliser aujour-d'hui les essais de fatigue sur le manège avec des essieux tridem, plutôtqu'avec les essieux classiques à roues jumelées.

Matériaux recyclés et à faible impact environnementalLe recyclage et l'utilisation de matériaux alternatifs ou plus économes enénergie et en ressources, se généralisent dans les infrastructures routières.De nombreux travaux sont menés pour évaluer l'impact environnemental deces différentes solutions, mais on s'intéresse moins à leur durabilité. Desessais manège permettraient aisément d'évaluer et de comparer la résis-tance sous trafic de ces différentes solutions.

Chaussées urbainesEn milieu urbain, on voit apparaître de plus en plus de solutions de chausséesinnovantes : revêtements spécifiques, chaussées modulaires, permettant derecevoir différents réseaux, voiries partagées, supportant le trafic des véhi-cules légers, des bus, des tramways sur rails ou sur pneus. Ces nouvellesstructures, souvent en béton, présentent des pathologies spécifiques quipourraient être évitées par des essais préalables sous trafic accéléré. Laréparation de ces nouvelles structures nécessite également des solutionsparticulières, rapides à mettre en œuvre pour ne pas gêner la circulation etqui demandent bien souvent à être testées préalablement.

Méthodes innovantes d'instrumentation et d'auscultationLes évolutions récentes dans les domaines des capteurs, de l'acquisition etdu traitement des données permettent aujourd'hui, de concevoir des systè-mes performants d'instrumentation des structures des chaussées, capablesde suivre en temps réel leur état, de prévoir leurs dégradations, et ainsi d'op-timiser leur maintenance. Les maîtres d'ouvrage s'intéressent de plus en plusà de tels systèmes de surveillance et les demandes d'évaluation de systèmesd'instrumentation, ou d'auscultation sur le manège sont en constante aug-mentation.

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Routes du futurDes recherches sont engagées à l'Ifsttar, en liaison avec le projet R5G, pourconcevoir de nouveaux types d'infrastructures, intégrant des dispositifs derécupération d'énergie (thermique ou photovoltaïque), de dégivrage, d'ali-mentation des véhicules électriques par induction ou de guidage des véhi-cules. Ces projets conduisent à des structures souvent complexes, intégrantdifférentes inclusions (câbles, capteurs, couches drainantes...) dont il estnécessaire d'évaluer la tenue mécanique. Le manège de fatigue constitue unexcellent démonstrateur pour évaluer et optimiser ces structures, avant le pas-sage sur chantier.

Après des années d'exploitation, le manège promet bien d’autres possibilitésd’exploitation dans le futur grâce à ses atouts indéniables : une capacité dechargement très élevée, des caractéristiques uniques ainsi qu'un environne-ment favorable rassemblant les compétences du centre de l'Ifsttar à Nantes.Ainsi le manège est déjà impliqué dans bon nombre de projets d'avenir telsque des essais sur matériaux recyclés à faible impact environnemental et àlongue durée ou encore le projet « Route de 5e génération », un des projetsphares de l'Ifsttar qui permet de répondre aux enjeux sociétaux en matière dedéveloppement durable et de participer au défi de la transition énergétique enmatière de mobilité. Nul doute donc que dans un contexte en perpétuelleévolution, le manège de fatigue des structures routières saura répondre et s'a-dapter aux exigences du domaine routier. L’heure de la relève n'a pas encoresonné !

L'histoire continue…

Contact presse : Émilie VIDAL - 01 81 66 82 15 - emilie.vidal @ifsttar.fr

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