Routes et chaussées

2010/2011

<> 1-INTRODUCTION 2-DEFINITION 3-CLASSIFICATION DES ROUTES 4-LES COMPOSENTES DES ROUTES 5-LES DIFFERENTS TYPES DE ROUTES 6- DIMENSSIONNEMENT D’UNE STRUCTURE DE CHAUSSEE ROUTIERE 7-POURQUOI UNE STRUCTURE D’UNE CHAUSSEE ?! 8-CONSTITUTION ET ROLE D’UNE CHAUSSEE : 9-Les différentes structures de chaussées 10-FACTEURS A CONSIDERER DANS LE DIMENSIONNEMENT 11-Méthodes de dimensionnement 12-Modélisation usuelles des chaussées : 13 -METHODES DE CALCUL DES CHAUSSEES SOUPLES : 14-L’adéquation de l’infrastructure aux contraintes dynamique : 15-CONCLUSION

la route dont l’invention se perd dans l’histoire est évidemment l’instrument miracle du transport terrestre .Mais elle a ses inconvénients même équipée de pneumatique . On circule très bien sur des pistes argileuses bien niveleés ,mais qu’il pleuve, et l’argile mouillée devient vite une patinoire. Aussi , l’idée est-elle venue d’un matelas de pierres s’interposent entre la route et le sol.

Les premières véritables chaussées furent construites par les romains pour leurs voies imperiales,avec un objectif essentiellement militaire ,celui de permettre un déplacement rapide des légions en différents points de l’empire ,quelles que soient les conditions météorologiques. Les chaussées de cette époque étaient déjà constituées de plusieurs couches de matériaux ,parfaitement codifiées ,avec de grandes dalles en pierres posées sur un béton de chaux.

2_DEFINITION voie terrestre qui est destinée à la circulation hors agglomération (des véhicules)

3-CLASSIFICATION DES ROUTES MILIEU : -Urbain •Local •Collectrice •Artère •Autoroutes -Rural CLASSE • Locale •Collectrice •Artère •Autoroutes

4-LES COMPOSENTES DES ROUTES

Coupe d'une route: voie principale si situant hors des villes. Plate-forme: surface horizontale située plus haut que le terrain environnant. Accotement: espace entre la chaussée et le fossé. Terre-plein central: séparation de deux chaussées. Chaussée: partie médiane réservée à la circulation des véhicules. Fossé: canal servant à l'évacuation des eaux. Couche de surface: niveau supérieur d'une route. Couche de base: niveau médian d'une route. Couche de fondation: niveau inférieur d'une route.

5_LES DIFFERENTES TYPES DE ROUTES Ils sont définis dans le catalogue des types de routes 5.1.1 Le réseau structurant :

-autoroute de liaison de type L

-route express 5.1.2 Autres voies principales : -artère interurbaine : autre route principale 5.1.3 Routes secondaires -ce sont des routes de type S possédant les mêmes caractéristiques que les autres routes principales, mais a faible trafic

5.1.4 Voies urbaines : Elles se décomposent en : -voies principales urbaines, qui peuvent être à une ou deux chaussés. -voies de desserte d’activités locales à une chaussée.

6-Dimensionnement d'une structure de chaussée routière Le dimensionnement d’une structure de chaussée routière consiste à déterminer la nature et l’épaisseur des couches qui la constituent afin qu’elle puisse résister aux diverses agressions auxquelles elle sera soumise tout au long de sa vie. La structure d’une chaussée routière 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. Il existe différentes méthodes pour bien appréhender cette déformation. Elles donnent lieu ensuite à différents modèles de dimensionnement.

•Schéma de fonctionnement d’une structure de chaussée sous l'application d'une charge roulante

7-Pourquoi une structure de chaussée ?!! Il est vrais qu’on circulait aisément sur des pistes bien nivelées quand les conditions climatiques étaient favorables, mais en période de pluie, les sols mouillés devenaient glissants ou se transformaient en bourbiers. On entreprit alors d’étaler, aux endroits les plus mauvais, des lits de pierres dont le mérite était d’être moins sensible à l’eau

Que se passepasse-t-il lorsqu’ lorsqu’un vé véhicule se dé déplace sur un sol ? Le poids du véhicule est transmis au sol, sous forme de pressions, par l’intermédiaire des pneumatiques. D’une manière générale, les sols ne peuvent supporter sans dommage de telles pressions. Si le sol n’est pas assez porteur, le pneu comprime le sol et il se forme une ornière (Fig. 1).

Si le sol est porteur, il se passe deux choses imperceptibles mais qu’il faut bien comprendre. • Le sol s’affaisse sous le pneu. C’est la déformation totale : Wt. • Lorsque la roue s’éloigne, le sol remonte mais pas totalement : il reste une déformation résiduelle : Wr. La différence d = Wt - Wr s’appelle la « déflexion ».

• La

déflexion « d » est proportionnelle à la charge appliquée. Elle est pratiquement constante si l’on répète l’application de cette charge des milliers de fois. • L’orniérage est la déformation résiduelle « Wr » qui s’accroît au fur et à mesure des passages des véhicules et proportionnellement à leur charges.

8-CONSTITUTION ET ROLE D’UNE CHAUSSEE : 8-1Rôles des différentes couches de chaussées La couche de forme :Cette couche.qui ne fait pas partie intégrante de la chaussée, à plusieurs fonctions : Pendant les travaux, elle protège le support, contribue au nivellement et permet la circulation des engins de chantier ; Elle permet de rendre plus homogènes les caractéristiques du sol terrassé et de protéger ce dernier du gel. •La couche d’assise L’assise de chaussée est généralement constituée de deux couches. La couche de fondation surmontée de la couche de base. Ces couches en matériaux élaborés. Le plus souvent liés (bitume. Liants hydrauliques). •La couche de surface La couche de surface est constituée : De la couche de roulement, qui est la couche supérieure de la chaussées sur laquelle s’exercent directement les agressions conjuguées du trafic et du climat, Et le cas échéant d’une couche de liaison, entre les couches d’assise et la couche de roulement.

8 .2 Pourquoi la couche de surface La couche de base est recouverte par une couche de surface pour : •Résister aux efforts horizontaux des pneumatiques En effet, les pneumatiques exercent sur la chaussée des efforts horizontaux résultant de : La transmission de l’effort moteur (accélération). La mise en rotation des roues non motrices. La transmission de l’effort de freinage. •s’opposes à la pénétration de l’eau Il est important d’empêcher l’eau de pénétrer dans les couches de la chaussée. Les conséquences sont connues : Elle délite les granulats, Elle ramollit les sols fins

COUPE TYPE D’UNE CHAUSSEE

9-Les différentes structures de chaussées Selon le fonctionnement mécanique de la chaussée. On distingue généralement les trois différents types de structures suivant •Chaussée souples, •Chaussée semi-rigides, •Chaussées rigides •Les chaussées souples : Elles sont constituées par un empilage de matériaux granulaires recouverts de revêtements plus ou moins épais à base de bitume, leurs caractéristiques sont ; une grande flexibilité, une diffusion localisée des charges

•Les chaussées semi rigides : Elles sont constituées par des dalles en béton refusant généralement sur des couches de base traitées aux liants hydrauliques. Leur principale caractéristique est la bonne réparation des charges au niveau su sol support. Chaussée en béton.

•Les chaussées rigides : Une chaussée rigide est constituée d’un revêtement en béton de ciment pervibré ou fluide. En règle générale, une chaussée en béton comporte, à partir du sol, les couches suivantes : •Une couche de forme. •Une couche de fondation. •Une couche de roulement en béton de ciment. Ces chaussées dites « mixtes » constituent une classe intermédiaire. Elles sont plus flexible et aussi moins résistantes que les chaussées rigides leur comportement est difficile à maitriser.

10-FACTEURS A CONSIDERER DANS LE DIMENSIONNEMENT : Les principaux facteurs à prendre en considération sont les suivantes : •Portance du sol support (naturel ou plate forme) •Trafic : son influence se traduit par : l’usure, le fluage, rupture par fatigue. •Climat et environnement : influence de la température, de l’eau et vieillissement du bitume. •Qualité des matériaux. 11-Méthodes de dimensionnement : 11-1Méthode 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.

11-2Méthode mécanique empirique: Schéma de fonctionnement d’une méthode mécanique empirique de dimensionnement [] 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.

12-Modélisation usuelles des chaussées : 12-1 modèle de boussinesq (1885). Historiquement, il constitue le premier modèle adopté. La charge appliquée à la chaussée est schématisée par une pression q sur un cercle de rayon a. le sol support est supposé élastique (module d’Young E2, coefficient de poisson ʋ2). L’idée principale est la recherche de la profondeur H du sol où la pression verticale est suffisamment diffusée pour ne pas dépasser (αz) admissible.

Ce modèle présente l’inconvénient de ne pas tenir compte de la structure stratifiée de la chaussée. 2a q

Massif E2 , ʋ2 z

12-2 modèle de Westergaard (1926). Le modèle de Westerwald comporte la schématisation du sol support comme étant un assemblage de ressorts .Cette modélisation, bien qu’utilisée pour des chaussées en béton, ne convient pas pour des chaussées stratifiées. 2a q dalle

12-3Modèle de Hogg (1938). La chaussée représentée par une plaque (fig.35), est posée sur un massif du type Boussinesq . (E2, ʋ2). Le modèle de hogg se situe en effet comme suite logique du modèle de Boussinesq alors que Westergaard conduit une approche tout à fait différente. 2a

Plaque. E2, v2. Modèle de hogg 12-4Modèle de Burmister (1943). Burmister a traité le problème général à n couches schématisées sur la figure 36. Toutes les couches sont considérées élastiques linéaires (E, ʋ) et peuvent être collées ou glissantes. Le cas de charge multiple (roue simple ou jumelées, essieux tandem, tridem,…) peut être traité en additionnant les effets de charges élémentaires. 12-5Modèle retenu pour les chaussées en tuf. la structure est composée d’une couche de roulement en enduit superficiel, d’une couche de base et fondation confondues en tuf, reposant sur un sol semi-infini de module constant E et de coefficient de poisson ʋ (fig 37) .

13- METHODES DE CALCUL DES CHAUSSEES SOUPLES : 13-1 Méthode analytique : programme Alize. Le programme mis en point au laboratoire central des ponts et chaussées- Paris (1975) et utilisé couramment pour les calculs de chaussées, est basé sur la résolution analytique du problème multicouche élastique linéaire par la méthode de Burmister. Ce programme étudie des structures ayant jusqu’à six couches supposées de rayon r, avec une pression q ; le problème possède une symétrie de révolution et est traité en coordonnées cylindriques.

Modélisation de la structure Le choix des paramètres (E, ʋ) et de l’épaisseur h, nécessite une bonne connaissance pratique et expérimentale des chaussées et des matériaux pour aboutir à la définition d’un modèle plausible. E, ʋ h1 h2 h3

E, ʋ E, ʋ

Calcul de α et ε La connaissance de la charge type engendrant α ou ε est nécessaire pour le calcul théorique de ces paramètres.

Comparaison α et αadm ou ε et εadm La détermination de αadm exige : •Une connaissance expérimentale des matériaux en laboratoire ou loi de comportement in-situ, •Et celle du trafic nécessaire pour la conversion en N équivalent d’application de la charge unitaire.

Loi de la figure

αadm

N

Fig 39 : schéma d’utilisation du programme ALIZE. Cette démarche permet donc de savoir si un modèle de chaussée peut, compte tenu de ses constituants, supporter le nombre d’application de charge (passage d’essieux) correspondant par exemple à la durée de vie projetée.

Les paramètres d’entrée : •Caractéristiques géométriques et mécanique des différentes couches composant la structure. •Conditions d’interface à chaque interface ; une même structure peut comporter des couches collées ou non collées. •La charge caractérisée par son rayon d’application, son intensité : Type1 : pression normale uniforme q sur un cercle de rayon r. Type2 : charge normale uniforme q sur le pourtour d’un cercle de rayon r. - Les paramètres de sortie : déterminent pour chaque point : •Les deux déplacements suivant le rayon r et la profondeur Z : (u, w). •Les quatre contraintes de l’axisymétrie : αr , αϴ , αz , τrz. •Les quatre déformations correspondantes : εr , εϴ , εz , εrz. •Le rayon de courbure de la déformée dans le plan (r,z).

Remarque : •Les allongements et les contraintes de traction (εt , αt ) à la base de première couche sont calculés dans les directions r et ϴ. •Les valeurs des paramètres contraintes-déformations sont calculées sur l’axe Z. L’expression de tous ces paramètres est donnée en annexe 4. - Résolution du problème de Burmister : La résolution du problème d’élasticité en coordonnées cylindriques se réduit à la recherche de fonction de tension (ou de Love) Ф(r,z) à double Laplacien nul : Δ2 Ф(r,z)=0. Dans le cas de structure composées de n couches de caractéristiques élastiques differentes on recherche n fonction définies dans chacune des couches (par Δ2t Ф(r, z)=0. u w r z orientation et signe des paramètres de sortie

13-2 Méthode numérique : programme NOEL. - Hypothèses de calcul. Les structures sont constituées comme des massifs multicouches ayant une symétrie axiale d’axe oz ; le chargement est constitué par une charge statique uniforme de 65KN, répartie sur un disque de rayon r=17,5 cm. Les couches de matériau sont supposées homogènes, isotropes et adhérent parfaitement les unes sur les autres .

- Maillage et conditions aux limites. Pour la résolution du problème axisymétrique de la figure 42, le programme utilise un maillage orthogonal, et les éléments sont des rectangles à 8 nœuds. Une schématisation de ce maillage est donnée en figure 43 pour une structure multicouche (dans NOEL 8, le nombre de couches de matériaux différents est limité a 10). Chaque couche de matériau est divisée en plusieurs couches d’éléments ayant des hauteurs identiques, ou en progression géométrique.

Les trois zones ou bandes verticales sont définies de la manière suivante : •Zone 1 étant directement chargé, le maillage est plus ou moins serré ; les nœuds sont répartis régulièrement ou en progression géométrique. •Zone 2 considérée comme zone de transmission entre les éléments directement chargés et ceux au-delà du disque de charge. Cette disposition est prise pour palier au problème des gradients de contraintes importantes dans cette zone. Les nœuds sont générés

systématiquement par rapport à l’axe passant par le bord de la charge. • La zone 3 étant relativement loin de la charge, l’effet s’attenue au-delà d’une certaine distance (0,5 m de l’axe) ; l’espacement des éléments est en progression géométrique.

Axe de la charge

r

q zone 1

zone 2 R

zone 3

r : rayon de la charge= 0.175m

R : rayon ou largeur de la zone= 3,0m q : charge du semi-essieu standard de 13 tonnes = 65 kN.

Schématisation des 3 zones.

- les

paramètres d’entrée : •Caractéristiques géométriques : -les épaisseurs des différents couches (h1 , h2,…….). -dimensions du massif : rayon R= 3m et hauteur H= 4,47 m). •Caractéristiques mécaniques : -Couche 1 : loi élastique linéaire : E1, ν1. -Couche 2 : loi élastique nom linéaire(BOYCE) : Ķ1, G1, n. -Couche 3 : identique à la précédente. -Couche 4 Etc. -Sol support : loi élastique linéaire : E2, ν2.

Paramètres de sortie : Les coordonnées(R, Z) et les déplacements (u.v.) des nœuds du maillage suivant le rayon R et les profondeurs Z. Les coordonnées (Rg, Zg), la contrainte sphérique p (moyenne) et le rapport contrainte sphérique/déviateur des contraintes (q /p), au centre de gravité de chaque élément. •Commentaires a)Comportement de la couche de roulement. Les couches de vie obtenues sont très dispersées, en particulier les écarts de Nt et Nz entre les modèles ALIZE et NOEL sont très important. Cependant, la modélisation de l’enduit superficiel par assimilation à un en enrobé de 2cm d’épaisseur n’est pas très satisfaisante et peut conduire à des anomalies

Comportement de la couche de base en tuf : -Dans l’ensemble, les routes en tuf se situent dans des régions arides ou semi – arides, ou les portances des plateformes sont élevées ; il est donc raisonnable de prendre surtout en considération les résultats obtenus pour le sol support de qualité rigide (E=500MPa). -En outre le programme NOEL, par sa conception , est mieux adapté au calcul des structures souples constituées de matériaux en assises de chaussées ayant un comportement élastique non linéaire que celui ALIZE ; ce qui a conduit à : 2,1.107
14-L’adéquation de l’infrastructure aux contraintes dynamique : •14-1Les forces naturelles : P=mg attraction terrestre qui accorde au contact sol-pneumatique, sa capacité de guidage et d’adhérence. F=mv² /R la force centrifuge qui tend à faire sortir le véhicule de la bande de roulement dans les trajectoires. 14-1-1 Les forces internes au véhicule : I=MG l’effort de traction ou de freinage pour susciter le mouvement ou l’arrêt du véhicule. Ainsi à l’instant « t », le véhicule est caractérisé par sa force d’inertie MG. 14-1-2-les forces de réaction à l’interface sol-pneumatique : Les composantes tangentielles de ces forces assurent et contrôlent le déplacement du véhicule.

14-2_ Elasticité, déformation et dérive du pneumatique : Lorsqu’il est sollicité par un effort tangentiel à son plan de rotation, le pneumatique dérive : •pendant le mouvement de rotation, sou l’action de la force transversale F, la génératrice médiane du tore qui forme l’enveloppe, se déforme au passage dans l’aire de contact, cette déformation, faible à l’entrée dans l’air de contact, s’ amplifie vers l’arrière car le matériau élastique cédé progressivement sous la poussé qu’il reçoit. Les déformations étant plus grandes à l’arrière de l’aire de contact, les réaction totale ne passe plus sous le centre de la roue, mais en arrière.

•Le pneu, en dérive, est soumis, en plus de la résultante des forces « statiques », à une torsion qui modifie l’oblicité de la surface de contacte. Le pneumatique réagit à cette torsion, le couple (F,T), appelé coupe d’auto-alignement, tend à faire tuner le plan équatorial du tore dans le plan vertical de F. •Si on veut maintenir la trajectoire du centre de l’aire de contact telle qu’elle existe en l’absence de force transversale, il faut exercer un couple d’auto-alignement et incliner le plan équatorial de la roue d’un angle α par rapport au plan vertical qui passe par la trajectoire fixée : tout comme un plote met son avion en dérive pour maintenir son cap. On peut écrire : T=KαN α est l’angle de dérive du pneu, K le coefficient d’enviragé, N est la charge instantanée de la roue, et T la sollicitation transversale.

peut alors écrire cinq équation d’équilibre d’un essieu

•Equilibre vertical N1+N2 = P+δF •Equilibre transversal T1+T2 = F-δP •Non glissement de la roue de gauche T1 = KαN1 •Non glissement de la roue de droite T2 = KαN2 •Equation de rotation de l’essieu (N2-N1) Lde= (F-δP) h Avec Lde= longueur du demi essieu et h hauteur du centre de gravité. A partir de ces équations nous pouvons établir la relation liant les caractéristiques de l’infrastructure : T1/N1=T2/N2= (T1+T2)/ (N1+N2)= (F-δP)/ (p+δP)=Kα En remplaçant P par Mg et F par MV≤/R on obtient (V/R-gδ)/ (g+δV/R)=Kα Soit (V/gR-δ)/ (1+δV/gR)=Kα On peut négliger δV/gR par rapport à1 On obtient donc V/gR-δ=Kα Pour obtenir la valeur du rayon de courbure. R=V/g (δ+Kα)

14-3 La visibilité à l’intérieur d’un virage :

Dégagement de la visibilité : Avec : da = distance d’arrêt e = distance du talus à l’axe de la chaussée (flèche).

15-conclusion : Ce que nous avons analysé dans les paragraphes précédents, a permis de souligner La nécessité d’interposer, entre le véhicule et le sol, un écran qui aura pour but de Répartir les charges sur une plus grande surface et de réduire ainsi les pressions transmises au sol jusqu’à une valeur admissible. La chaussée constitue cet écran. La diffusion des pressions diffère par sa nature et son intensité selon que l’on ait Affaire à une couche granulaire non traitée, à une couche granulaire traitée (au ciment ou au bitume) ou à une dalle en béton de ciment. Toutefois, cette diffusion n’est obtenue qu’avec une épaisseur convenable de matériaux adéquats. ces matériaux constituent la structure de la chaussée.

Routes et chaussées

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