Mécanique Avancée des Chaussées : Application à la Dégradation et à l'Amélioration de la Maintenance – MACADAM
Deux laboratoires, le LaMCOS a développé son logiciel SAM Semi Analytical Model et GC2D a réalisé et analysé plusieurs essais en vrai grandeur avec un simulateur de trafic MLS10. Cette double compétence scientifique : contact pneu-chaussées et matériaux de chaussées associée à l’usage d’outils numériques et expérimentaux uniques ont permis de lever des verrous. Le LaMCOS a pu adapter ses outils au contact pneu chaussée avec géométries et matériaux spécifiques comme les propriétés viscoélastiques des matériaux et la géométrie des structures de pneus comme les stries des pneumatiques. Les laboratoires grâce à ces compétences et outils ont pu accéder aux cas les plus agressifs des couches de surface à savoir les zones de freinage, d’accélération et de virage. Le prototype simulateur MACADAM a été conçu et fabriqué durant ce projet et demeure à ce jour le seul capable de reproduire les agressions sur les giratoires par exemple. Il est le premier à permettre des essais en vrai grandeur considérant ces agressions singulières que les entreprises tentent aujourd’hui de résoudre avec expérience et empirisme.
Les avancées scientifiques du projet peuvent être résumées par les résultats d’une thèse numérique au LaMCOS et une thèse expérimentale au laboratoire GC2D.
1. La thèse de Efoé Wallace Rodrigue soutenue le 4 mars 2022 sur le thème : Sur le contact roulant entre corps multi-couches, application au contact pneu-chaussée. theses.fr/2022LYSEI014
Cette thèse a été consacrée au développement d’un outil numérique de dimensionnement des chaussées. En effet, la récurrence des dégradations observées à la surface des chaussées, pousse la recherche scientifique à s’intéresser à leur compréhension. Le but est donc de mieux cerner l’origine de ces dégradations, mieux les prédire afin de mieux les maîtriser dans le processus de dimensionnement des chaussées. C’est dans cette optique que s’inscrit la présente étude. Pour ce faire, une étude numérique est réalisée. Elle est basée sur une modélisation semi-analytique du contact.
2. La thèse de Yamina Oubahdou soutenue le 19 mai 2022 sur le thème : Etude expérimentale et rationnelle de la dégradation des couches de surfaces de chaussées. theses.fr/2022LIMO0054
L'action du trafic, combinée aux conditions climatiques et chimiques, participe à l’endommagement progressif des routes et principalement de la couche de roulement. L’endommagement de la couche de roulement se manifeste généralement par l’apparition de fissurations descendantes et de l’orniérage. L’apparition de ces pathologies a fortement augmenté avec l’émergence de nouveau matériaux, la diminution de l’épaisseur de la couche de roulement et l’augmentation importante de la charge à l’essieu des poids lourds. Cette problématique conduit à s’interroger sur le comportement à long terme de la couche de surface face à l’augmentation du trafic et au changement climatique. Ce travail s’intéresse à l’étude expérimentale et rationnelle du comportement des couches de surface.
3. Conception et construction du simulateur MACADAM
En parallèle des des deux thèses et dès le début du projet, une réflexion sur le cahier des charges d’un nouveau simulateur de trafic capable d’exercer de solliciter à l’échelle réelle les surface de chaussées avec des sollicitations de cisaillement (freinage, accélération, virage) et a conduit à la réalisation de plans du nouveau prototype en impliquant les ingénieurs de recherche Jerome DOPEUX (GC2D) et Lionel LAFARGE (LaMCOS). La conception se termine en 2019 et un dossier de consultation est rédigé afin de permettre la fourniture et construction du système hydraulique et électrique. La construction commence en 2020 puis est retardé par le COVID et l’après COVID avec la longue absence de certain matériaux et matériels. Par la suite plusieurs restructurations internes, ne permettent plus aux équipes techniques de fabriquer le bâti. Il a fallu donc trouver d’autres financements pour faire fabriquer le prototype par une entreprise extérieure CHATTE CONCEPT.
Ce projet a permis de développer un outil de calcul puissant, rapide du contact pneumatique chaussée. Deux simulateurs de trafic ont fait l’objet de ce contrat, le premier reçu en 2019 a permis de matérialiser et modéliser la réalité des dégradations de surface. Le prototype MACADAM est opérationnel et va permettre de faire des essais spécifiques d’agression par cisaillement en surface. Il intéresse les entreprises notamment pour tester les nouveaux produits à froid et recyclés.
Le projet MACADAM est un projet destiné à modéliser et maitriser la dégradation des couches de surface de chaussées en vue de l’optimisation de leur entretien. L’entretien des chaussées en France fait l’objet de budgets colossaux soit prêt de 10 milliards d'euros en zone urbaine. Pour cet enjeu sociétal important, il faut d’abord absolument progresser sur la modélisation du contact pneu-chaussée par une approche tribologique en vue de la description réaliste des dégradations occasionnées. Cet objectif peut être atteint rapidement en rapprochant deux laboratoires spécialisés : d’une part dans le domaine de la mécanique du contact (LaMCoS) et dans le domaine de la mécanique des chaussées (GEMH) d’autre part. Le projet de recherche comprend trois grandes parties à savoir une partie modélisation (tâche 1), une partie validation expérimentale (tâche 2) et une partie conception réalisation d’un simulateur de trafic (tâche 3).
La partie modélisation du contact pneu-chaussée associée à un comportement thermo-visco-elasto-plastique de l’enrobé correspondra au développement d’un logiciel « SAMRoute ». Ce logiciel permettra de simuler la réalité du contact pneu-chaussée en vue d’obtenir la réalité des champs mécaniques dans la couche de surface. Le comportement thermo-visco-élasto-plastique de la couche de surface permettra d’accéder à une simulation réaliste de l’orniérage, cette phase devra nécessairement conduire à quelques essais d’identification des paramètres du matériau utilisé. Un des gros intérêts de SAMRoute est la rapidité de calcul (en comparaison aux très lourds calculs par éléments finis), par ailleurs SAMRoutes sera capable de traiter les efforts tangentiels, l’effet d’un couple d’entrainement ou de freinage et permettra par sa conception de proposer une méthode rationnelle pour des simulations de trafic en point singulier (virage, pente, zone de freinage ou accélération,…)
La partie expérimentale viendra en validation sur une planche expérimentale en vrai grandeur. La planche expérimentale sera réalisée dans une fosse chaussée spécialement dédiée et construite récemment par le GEMH dans son nouveau hall de recherche. Une bande de chaussée de 1,90m de large par 8,0m de long sera construite et instrumentée avant de recevoir le simulateur de trafic FABAC d’IFSTTAR permettant de générer d’une part l’orniérage et d’autre part la fissuration (zone de trafic 2m). Cette partie permettra la validation des lois de comportement introduites dans SAMRoute dans le cas d’un trafic roulant sans effort sollicitant.
La partie traitement des points singuliers fera l’objet de la conception d’un prototype simulateur dès le début du projet. Ce prototype est conçu dans sa version zéro à budget le plus bas possible. Pour cette raison, l’avant projet sommaire présenté fait apparaitre la réutilisation d’un essieu de poids lourds pour éviter tous frais de conception et de réalisation de l’essieu proprement dit. La fosse est munie d’ancrages latéraux sur lesquels viendront se fixer les portiques rigides destinés à appliquer les efforts verticaux, longitudinaux et transversaux selon la nature de sollicitation souhaitée. L’essieu guidé par une poutre centrale fixée sur les portiques viendra par des allers-retours solliciter environ 4m de bande de chaussée.
Au terme du projet, le logiciel SAMRoute permettra de calculer la durée de vie d’un revêtement de surface vis à vie de l’orniérage, les validations standards viendront conforter les modélisations. Enfin le simulateur permettra de reproduire les dégradations en points singuliers. Le cas du virage sera celui recherché comme cas test car il permettra d’être un démonstrateur des dégradations des 30000 giratoires en France vis-à-vis des maitres d’ouvrage et des entreprises. Les partenaires de MACADAM ont prévu une solution de repli : il est possible de substituer le verrou des points singuliers (simulateur MACADAM) par une validation complète de l’orniérage standard avec plusieurs séries d’essais FABAC.
Coordination du projet
CHRISTOPHE PETIT (Groupe d'études des matériaux hétérogènes)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
GEMH ULIM Groupe d'études des matériaux hétérogènes
INSA LYON - LaMCoS Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures
Aide de l'ANR 510 975 euros
Début et durée du projet scientifique :
septembre 2017
- 48 Mois
