Revue de littérature
2.1 Méthodes de conception
2.1.1 Méthodes mécanistes-empiriques de conception
La gestion du réseau routier requiert des outils de dimensionnement et d’analyse des structures faisant intervenir toutes les sollicitations responsables de la dégradation des ouvrages routiers (Doré, 2008). Ces outils sont basés sur des modèles empiriques ou mécanistes-empiriques. La figure 2.1 présente le principe de fonctionnement d’une approche mécaniste-empirique pour la conception et le dimensionnement d’une chaussée. La méthode de dimensionnement est basée sur les trois principales étapes suivantes :
L’étape 1 consiste à déterminer la réponse des matériaux de chaussée sous une charge modélisée. Ce calcul est possible par la mise en place de modèles et d’outils de calcul analytiques. Les conditions de charge, de terrain ainsi que les caractéristiques de l’ouvrage sont les intrants du calcul.
L’étape 2 consiste à déterminer la durée de vie de la chaussée en associant la réponse des matériaux à des modèles de performance. Les conditions de terrain et les propriétés physiques des matériaux sont utilisées pour sélectionner et calibrer ces modèles de performance.
L’étape 3 consiste à s’assurer que la durée de vie obtenue vérifie les critères de performance imposés. À cette étape, le concepteur à la possibilité d’optimiser le dimensionnement par itération, voire à modifier ces choix de conception, afin de vérifier l’ensemble des conditions imposées par le projet.
Dans cette étude, les travaux s’orientent principalement vers la détermination de la réponse des matériaux et en particulier des déformations dans le revêtement. L’ensemble des modèles et des outils de calcul, ainsi que leurs intrants, sont donc détaillés au cours des prochaines
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sections de ce chapitre. Pour chacun, l’impact sur la réponse des matériaux et la durée de vie de la structure y sont détaillés.
Figure 2.1 : Principe de fonctionnement des méthodes mécanistes-empiriques
2.1.2 Méthode française de dimensionnement
La méthode française de dimensionnement relève d’une démarche combinant les apports de la mécanique rationnelle et des éléments expérimentaux (SETRA-LCPC, 1994). Dans un premier temps, un modèle de la structure de chaussée est défini afin de calculer les sollicitations engendrées par la charge standard correspondant à l’essieu légal. L’essieu de référence est un essieu simple à roues jumelées chargé à 130 kN, soit 65 kN par demi-essieu.
Les résultats d’essais de laboratoire sur l’endommagement en fatigue des matériaux de chaussée sont exploités pour évaluer la résistance en fatigue de la structure en considérant l’hypothèse de l’additivité des dommages de Miner (Miner, 1945). Des coefficients de calage sont par la suite ajoutés aux lois d’endommagement pour tenir compte des observations du comportement réel des chaussées. Ces observations permettent également de valider l’endommagement par déformations permanentes au niveau du sol support et au niveau des
Caractéristique de l'ouvrage
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couches granulaires. À partir de l’ensemble de ces données, une démarche de calcul probabiliste est adoptée. Les structures de chaussées ne sont pas dimensionnées pour répondre à une durée de vie imposée, mais elles sont évaluées sur leur évolution, dans le temps, de la probabilité cumulée de rupture. Cette démarche permet de tenir compte de la dispersion et du caractère aléatoire de plusieurs facteurs intervenant dans l’endommagement à long terme de la chaussée. La variabilité des matériaux ainsi que des conditions de mise en œuvre de la structure font partie de ces facteurs. Outre ces paramètres intrinsèques à la construction et à la réhabilitation des chaussées, l’analyse probabiliste tient compte de la variabilité des conditions environnementales et des évolutions du trafic au cours de la durée de vie de la chaussée.
2.1.3 Méthode de dimensionnement nord-américaine
Trois méthodes de dimensionnements de chaussées sont couramment utilisées en Amérique du Nord : la méthode AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), la méthode AI (Asphalt Institute) et la méthode MEPDG (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide). Plusieurs administrations routières ont développé leurs propres méthodes de conception ou adapté les méthodes existantes. Dans le cadre du programme canadien SHRP (C-SHRP, 2002), un recensement des différentes méthodes de conception canadiennes montre une utilisation préférentielle de la méthode AASHTO. Cette méthode empirique est fondée sur l’essai routier de l’AASHO effectué entre 1956 et 1960. La méthode initiale a connu de nombreuses révisions pour aboutir à la version actuellement utilisée qui a été publiée en 1993 (AASHTO, 1993). Les multiples révisions apportées à la méthode ont été effectuées afin de généraliser la procédure de conception pour différents climats, matériaux et sols existants. Le dimensionnement de la chaussée se fait à l’aide d’une équation de régression qui relie les caractéristiques structurales de la chaussée, l’évolution dans le temps du niveau de qualité des chaussées (ou indice de viabilité de la chaussée) et le nombre total admissible de passages d’ÉCAS (Équivalent de la Charge Axiale Simple). Cette méthode de conception intègre une approche probabiliste où le concepteur définit un facteur de fiabilité afin de tenir compte de l’incertitude sur la prédiction du trafic et la dispersion sur la performance des matériaux. L’ÉCAS se définit comme étant le dommage unitaire causé à la chaussée par un essieu simple, muni de pneus jumelés, chargé à 80 kN. L’agressivité de chaque véhicule, caractérisant le trafic, est alors calculée par rapport à cette charge de référence. Le ministère
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des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des transports (MTMDET) du Québec a mis au point un logiciel de dimensionnement des chaussées souples appelé
« Chaussée © » qui intègre cette méthode de dimensionnement. Les modèles et les paramètres de calculs ont été adaptés et étalonnés pour tenir compte des conditions propres au Québec.
Cette méthode présente plusieurs avantages. Les principaux avantages sont sa simplicité d’utilisation et son adaptabilité pour plusieurs conditions climatiques et pour différents types de matériaux et de trafics. Les limitations de cette méthode sont les conséquences de sa conception qui a été développée dans un milieu spécifique et sur une période de temps limité.
Les relations empiriques mises au point doivent donc être utilisées avec précaution et peuvent amener à choisir des fiabilités plus grandes que nécessaire afin de s’assurer de la viabilité de la chaussée.
La méthode de conception MEPDG permet de palier aux inconvénients de la méthode AASHTO en intégrant des niveaux hiérarchiques de précision pour chaque intrant du modèle.
Elle permet de prédire distinctement chaque phénomène d’endommagement de la chaussée.
Cette méthode est très complète, mais elle est aussi complexe et nécessite une importante quantité de données parfois non disponibles. La méthode ne propose pas un calcul d’ÉCAS puisqu’elle utilise les données précises de trafic sous forme de nombre d’essieux par type et par classe de charge pour le calcul. Les paramètres de charge peuvent être modifiés pour sélectionner des types de pneus ainsi que leurs caractéristiques physiques (pression de gonflage, dimension, écartement entre les pneus). La méthode MEPDG est actuellement exploitable. Cependant, elle est en constant développement afin d’y intégrer de nouveaux résultats de recherche et de s’assurer du calage et de la validité des relations utilisées.
2.1.4 Synthèse
Initialement, la prise en compte du trafic dans les méthodes de conception se faisait en déterminant l’agressivité d’un véhicule comparativement à celui d’une charge de référence.
L’évolution des outils de calcul et des modèles mathématiques d’analyse offre la possibilité d’intégrer dans les paramètres de conception des niveaux de précision plus élevés en ce qui concerne l’influence du trafic et des charges.
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