Essais en vraie grandeur

2.5.2.1 Essais sous simulateurs routiers

Les simulateurs routiers et les simulateurs de chargement accéléré sont de deux types : les simulateurs linéaires et les simulateurs circulaires. Concernant les simulateurs « linéaires », l’appareillage est placé sur un système de glissières ou de rails, permettant à la charge d’accélérer, de maintenir sa vitesse et finalement de freiner sur une courte distance. En fonction de la taille des simulateurs, ces derniers peuvent être équipés de plusieurs types de charges et de plusieurs types d’essieux. Les chargements appliqués ainsi que les vitesses et les caractéristiques de charge sont parfaitement maitrisés et la répétabilité de la machine est très bonne. Plusieurs simulateurs linéaires sont mobiles et peuvent solliciter une structure de chaussée du réseau routier ou bien une zone d’essai sur un site expérimental. En fonction de la taille de l’infrastructure, les simulateurs peuvent reproduire des charges variant d’un essieu simple jusqu’au train d’atterrissage d’un avion (cas du NAPTF-National Airport Pavement Test Facility- opéré par le FAA-Federal Aviation Administration- proche d’Atlantic City aux États-Unis). Hugo et Epps-Martin (2004) détaillent une liste des simulateurs routiers actuellement en service. À cette liste s’ajoute le simulateur routier de l’Université Laval ainsi que la fosse de laboratoire (Chaire i3C, 2015) tel que présenté à la figure 2.12. Un système de contrôle de la température peut s’ajouter au simulateur afin de contrôler la température ambiante et celle de la chaussée. Il est possible de geler et de dégeler la structure pour étudier l’influence du gel sur la réponse mécanique de la structure. À l’image du simulateur routier de l’université Laval, plusieurs simulateurs peuvent aussi être placés dans une enceinte fermée où les conditions climatiques sont contrôlées. Les simulateurs routiers permettent de tester à la fois l’effet du climat, de la charge, et des paramètres de la structure. Les chaussées testées sont construites dans une fosse de laboratoire afin de s’assurer de maitriser les paramètres de chaque couche de la structure (figure 2.12). Ces fosses offrent une installation facile de

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l’instrumentation à la construction, et la possibilité de contrôler le niveau de la nappe phréatique au cours d’un essai.

Les simulateurs linéaires ont pour avantages de reproduire exactement les sollicitations engendrées par le passage d’une charge. La vitesse de la charge et sa fréquence de passage sont les principaux inconvénients de ces outils. Les simulateurs linéaires sont souvent limités par leur dimension, à des vitesses de charge inférieure à 50 km/h. Ils fonctionnent en mode unidirectionnel ou bidirectionnel. Dans le mode bidirectionnel, la charge sollicite la chaussée à la fois lors de son déplacement aller et son déplacement retour. Pour le mode unidirectionnel, le simulateur doit soulever la charge pour éviter d’appliquer des contraintes à la chaussée au cours du déplacement retour. Le simulateur routier de l’Université permet d’effectuer 20 000 chargements par jour en mode bidirectionnel et moitié moins en mode unidirectionnel. Dans le cas d’essais en vraie grandeur nécessitant des vitesses de chargement plus rapides ainsi qu’un plus grand nombre de sollicitations journalières, les simulateurs de type circulaire sont préconisés. L’envergure de ces simulateurs peut varier de 10 m à 50 m.

Figure 2.12 : Équipement de l’Université Laval : (a) simulateur de véhicules lourds, (b) fosse de laboratoire

Une vue d’ensemble d’un simulateur circulaire et de ces modules est présentée à la figure 2.13 (Kerzreho, 2013). Cette figure présente une vue du simulateur routier de chargement accéléré de l’IFSTTAR (Nantes, France) ainsi que des équipements pouvant être installés sur ces bras.

Les simulateurs circulaires ont pour avantage d’avoir une plus grande plage de vitesses de chargement et donc un plus grand nombre de répétitions journalières. Les principaux

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inconvénients sont les coûts d’exploitation ainsi que les efforts de surface tangentiels pouvant être engendrés par le mouvement circulaire de la charge.

Figure 2.13 : Manège de fatigue de l’IFSTTAR : (a) vue d’ensemble, (b) module essieu simple, (c) module essieu tandem et (d) module essieu tridem

Plus spécifiquement, le manège de fatigue possède une motorisation centrale constituée d’une tourelle de 450 kN, boulonnée sur un socle en béton qui entraine en rotation quatre bras (Autret et coll., 1988). Au bout de ces quatre bras sont fixés des modules pouvant reproduire le demi-essieu d’un camion. Les modules peuvent être équipés d’un essieu simple, d’un essieu tandem ou d’un essieu tridem. Les bras, longs de 20 m, pèsent 140 kN chacun et sont capables d’imposer cette masse sur les roues des essieux. En son milieu, chaque bras est supporté par un second appui roulant, dont le rôle est d’assurer la stabilité dynamique du bras et d’imposer le réglage grossier de la charge à appliquer sur les roues. Les suspensions pneumatiques permettent de maintenir l’extrémité des bras dans un plan parallèle à la piste et les suspensions et les amortisseurs neutralisent les oscillations potentielles des roues. Le réglage fin de la

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charge est effectué au niveau des modules. Le système applique donc une charge constante indépendamment de la dégradation et du dénivelé de la chaussée. Le rayon de giration moyen des modules peut être réglé à l’arrêt entre 15,50 m et 19,50 m avec un pas de 0,5 m. Une fois en rotation, les modules oscillent autour de leur position centrale afin de recréer la distribution transversale du passage des charges sur les voies. Un bras possède au total 11 positions (cinq de part et d’autre de la position centrale) espacées de 10,5 cm. L’ensemble du manège est démontable et transportable et il peut être remonté sur une autre piste d’essai en moins d’une semaine. Cette méthode permet de construire une piste d’essais tout en maintenant les essais sur une seconde piste. De plus, la piste est libre de tout encombrement afin de faire circuler les engins de travaux lors de la construction. Les pistes d’essais sont des anneaux de 6 m de largeur et de 17,5 m de rayon moyen. La chaussée possède un dévers de 2 % incliné vers l’intérieur et sa longueur développée est de 110 m. Cette longueur permet, dans la majorité des essais, une division de la piste en quatre secteurs. Actuellement, le site du manège de fatigue possède trois anneaux dont l’un possède un cuvelage en béton permettant le contrôle du niveau de la nappe phréatique dans le sol d’infrastructure. Les bras peuvent circuler jusqu’à des vitesses de 100 km/h et sont surveillés automatiquement par plusieurs systèmes de sécurité. Cela permet un fonctionnement jour et nuit de la machine sans surveillance humaine.

Les indicateurs de la machine sont regroupés dans un centre de commande. Ce dispositif est capable d’appliquer 55 000 chargements par jour.

2.5.2.2 Essais sur sites expérimentaux

Les sites expérimentaux de type circuit ou de type route sont des routes laboratoires constituées de plusieurs sections consécutives sur lesquelles sont effectuées les essais routiers.

Les sites de type circuit, comme la piste d’essais du NCAT (National Center for Asphalt Technology, Alabama, United States), sont des structures exclusivement consacrées à la recherche. Les sites d’essais de type route, comme le site d’essais du SERUL (Site Expérimental Routier de l’Université Laval), sont des structures ouvertes à la circulation routière. Dans les deux cas, les paramètres mécaniques et les caractéristiques des structures de chaussées construites sur ces sites sont parfaitement connus. Les essais routiers sont basés sur la circulation répétée de charges lourdes telles que des camions ou des véhicules d’essais.

Contrairement à des simulateurs routiers, les charges sont plus représentatives des

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sollicitations réelles des véhicules (passage consécutif de l’ensemble des essieux des véhicules). En fonction des pistes d’essais, il est aussi possible de simuler les phases d’accélération, de freinage ou encore des zones de virages. Les sites expérimentaux permettent aussi d’évaluer l’effet du climat sur la durée de vie utile de la chaussée puisqu’ils sont soumis au cours de l’année aux différentes conditions de température, d’ensoleillement et d’humidité de leur lieu de construction.

2.5.3 Synthèse

Les essais de laboratoire et les essais en vraie grandeur sont complémentaires dans l’étude de la réponse mécanique et structurale de la chaussée. L’association de ces deux types d’essais permet de définir, de calibrer et de valider les modèles de comportement des différentes couches de la chaussée. Pour l’ensemble des mesures, il est important de s’assurer du contrôle ou de l’accessibilité aux paramètres régissant le comportement des matériaux. Les conditions climatiques, ainsi que les paramètres de charges et la caractérisation physique des matériaux sont nécessaires afin d’évaluer correctement l’impact de ces paramètres sur la réponse mécanique et la réponse à long terme de la chaussée.