Jérôme Fachon Damien Grellet - Guy Doré 46 e congrès de l’AQTR Évaluation de l’impact de la pression et des types de pneus sur la résistance en fatigue des chaussées souples Jérôme Fachon Damien Grellet - Guy Doré 12 Avril 2011

Mise en contexte: Avantages économiques engendrés par l’utilisation des pneus larges Diminution de la consommation d’essence (3 à 12%) et de l’émission des gaz polluants Baisse de la résistance au roulement (supérieure à 10%) Meilleur contrôle de la pression de gonflage par rapport à des pneus jumelés Réduction des coûts d’entretien des véhicules En contre partie: Augmentation de la fissuration de fatigue et des ornières par l’utilisation des premières générations de pneus à bande large. Modification significative des propriétés au contact pneu-chaussée (aire de contact, pression et effort en surface, empreinte au sol) D’où: Nouvelle conception et nouveau matériau de confection des pneus à bande large qui permettent une augmentation significative de la largeur du pneu. Première génération: 385/65R22.5 et 425/65R22.5 Nouvelle génération: 445/50R22.5 et 455/55R22.5

Contrainte verticale statique Mise en contexte: Étude des pneus larges 455/55R22.5 versus jumelés 11R22.5: Les paramètres de charge: Type de pneu, pression de gonflage, chargement du camion, sculpture du pneu (rainure, largeur, hauteur) >= 1 MPa 0.5 MPa 0.0 MPa Contrainte verticale statique Distribution inégale des contraintes verticales, transversales et longitudinales sur l’ensemble de la surface de contact. Présence d’un espacement inter-pneu et 4 arêtes extérieures pour les pneus jumelés traditionnels => Comment se distribuent ces charges dans la structure et quel est l’impact sur la durée de vie ?

État des connaissances Déformation proche de la surface =>Ornière par fluage/fissuration par le haut (Données théoriques) Déformation à la base du revêtement =>Fissuration de fatigue (Données théoriques et expérimentales) Déformation et contrainte verticale => Ornière structurale - Données expérimentales au bas de la couche: déformation longitudinale (sens de roulement) et transversale En moyenne, augmentation des déformations longitudinales à la base du revêtement de 15% par l’utilisation des pneus à bande large. Plus l’épaisseur du revêtement augmente et plus l’écart absolu entre les types de pneus est réduit (Al-Qadi, 2009). - Données théoriques au bas de la couche: déformation longitudinale et transversale Ces données confirment les résultats expérimentaux

Déformation proche de la surface => Ornière par fluage/fissuration par le haut (Données théoriques) Calcul analytique: Types de réponses obtenues: Obtention des déformations et des contraintes sur l’ensemble de la structure (profil spatial) Possibilité d’obtenir l’évolution du signal en fonction du temps - Données théoriques proche de la surface (modélisation par éléments finis - logiciel de calcul) Fissuration de surface et descendante (Top-down cracking): Baisse de 10 % à 15 % du cisaillement dans les premiers centimètres du revêtement bitumineux. Ornière par fluage de l’enrobé bitumineux: Baisse de 10 % à 20 % de la compression maximale calculée proche de la surface. Données qui sont fonction de la charge, de la pression de gonflage et de la structure de chaussée. => Solution technologique pour déterminer expérimentalement les déformations aux différents niveaux de la chaussée sous l’ensemble du pneu pour des conditions routières nordiques.

Les jauges à fibre optique: Les jauges à fibre optique sont très fines (diamètre:230 m) Deux types de capteurs développés au cours du projet: La carotte instrumentée: Les jauges sont placées en croisillon dans un corps polymère. La carotte est prélevée sur place et taillée pour permettre l’installation du corps polymère au bas de la carotte et proche de la surface. Après calibration cette carotte est scellée sur le site par de la colle époxy. La plaque de déformation: La plaque de déformation est composée de 24 jauges à fibre optique. Longue de 500 mm, épaisse de 5 mm et d’une hauteur équivalente à l’épaisseur du revêtement, elle est mise en place par un trait de scie et scellée par de la colle époxy

Les déformations dans le revêtement: L’association de ces deux techniques permet d’obtenir une déformation suivant les trois axes (x, y et z) et cela à deux niveaux de la structure (bas de la couche et proche de la surface). Déformation longitudinale (suivant Y) Déformation transversale (suivant X) Déformation verticale (suivant Z) Extérieur des pneus Directement sous le centre des pneus d’un tridem

Sites expérimentaux: Site expérimental routier de l’Université Laval Passage successif des charges 3 sections d’étude 50, 100 et 200 mm. SERUL (Forêt Montmorency) Section longue de 100 m Instrumentation pendant la construction ou utilisation de procédé rétrofit Simulateur routier (manège- Nantes) 4 bras en rotation (simple à tridem) Réglage de la vitesse et chargement Choix de la distance de passage Suivi de la construction à la rupture Sections de 80mm et 120mm

Application de la méthode classique: Détermination des bassins de déformation. Pneu jumelé traditionnel à 120 Psi, 100 Psi et 80 Psi Section de 100 mm => SERUL 2009 Pneu à bande large 455/55R22.4 à 120 Psi, 100 Psi et 80 Psi Chargement normalisé Pneu jumelé traditionnel à 100 Psi, 80 Psi et gonflage inégal (100Psi / 80Psi) Section de 200 mm => SERUL 2010 Pneu à bande large 455/55R22.4 à 100 Psi et 80 Psi Chargement normalisé

Modèle empirique de performance Exemple de bassin: Modèle empirique de performance Réponse des matériaux (, , d) Détermination des bassins de déformations par la méthode des maximums de déformation. Jauge transversale basse: Étape 1: Acquisition des données Étape 2: Détermination de la position des jauges sous le pneu (X=0 mm correspond au flanc extérieur du pneu) Étape 3: Sélection des extremums locaux

Modèle empirique de performance Bassins de déformation: Modèle empirique de performance Réponse des matériaux (, , d) Jauge transversale basse: Étape 4: Tracé du bassin de déformation. 1 passage => 8 Valeurs 26 passages=> 208 points Courbe d’interpolation Étape 5: Réaliser les bassins de déformations pour les deux types de pneus, les différentes pressions, pour les trois types de jauges (longitudinale, transversale et verticale) et les deux niveaux d’analyse (bas de couche et en surface) Pour un paramètre => 5 bassins de déformations ce qui représente plus de 1 000 analyses de courbe.

Analyse des résultats: Jauge transversale section de 100 mm Pneu jumelé Pneu large - Approche classique Transversale Haute - Non prise en compte de l’espacement inter pneu - Influence au niveau des arêtes du pneu- Pente des bassins de déformation - Prise en compte des déformations verticales sous le pneu Verticale Haute -0.34 me/mm 0.334 me/mm -0.242 me/mm 0.28 me/mm Transversale Basse 1.43 me/mm -1.2 me/mm 0.82 me/mm -0.87 me/mm

Analyse des résultats: Jauge transversale section de 200 mm Pneu jumelé Pneu large Transversale Haute Déformations maximales plus faibles pour le pneu à bande large en surface. Déformations plus importantes au bas de la couche. Effet réduit de l’influence des arêtes des pneus. Verticale Haute Transversale Basse

Analyse des résultats: Pression différentielle dans les pneus du jumelé Pneu jumelé à 100 /100 Psi Pneu jumelé à 100/80 Psi Transversale Haute Verticale Haute Transversale Basse

Analyse des résultats: Acquérir, traiter et analyser les signaux afin d’étudier la mécanique des matériaux et proposer des paramètres de fatigue spécifiques à chaque mode d’endommagement. Détermination des bassins de déformations par la méthode des maximums de déformation. Identifier les signaux caractéristiques à chaque zone (centre du pneu- arête) Analyse tridimensionnelle de la déformation. Déterminer l’impact du type de pneu et de la pression de gonflage sur le comportement mécanique de la chaussée. Approche d’un point de vue énergétique: vitesse de sollicitation, cheminement de contrainte. Identifier l’impact des conditions extérieures

Conclusion: L’étude avancée de l'effet du type et de la pression des pneus sur le comportement mécanique des chaussées repose sur la mise au point d’outils innovants (carotte et plaque de déformation). Outils qui, de par leur finesse et leur précision, permettent l’acquisition de données qui jusqu’à maintenant, n’avaient pu être déterminées que théoriquement. Les données recueillies mettent à jour des phénomènes jusqu’alors non pris en compte dans la compréhension de « ce qui se passe » dans les couches supérieures de la chaussée. Des nouvelles méthodes d’approche vont être à explorer et à considérer, en prenant en compte de nouveaux paramètres, tels que : Énergie de contrainte Vitesse de déformation Agressivité des contraintes de cisaillement reliée à la pente du bassin des déformations

Merci de votre attention