Rapport de Stage

Rapport de Stage
Analyse de données au Heavy Weight Deflectometer (HWD), appareil de
mesure de la portance de chaussées aéroportuaires, et calage des lois de
correction en température des matériaux bitumineux.
Alexandre DUPREY
Enseignant référent : Nabil ZEMITI
Tuteur de stage : Hai PHAM DOAN
DUT Mesures Physiques
IUT de Montpellier-Sète
Année 2015 / 2016
Du 04/04/2016 au 01/07/2016
Service Technique de l’Aviation Civile
Bonneuil-sur-Marne (94)
Remerciements
Je souhaite tout d’abord remercier l’ensemble du personnel du STAC que j’ai eu la chance de
côtoyer lors de ce stage. Que ce soit les membres du service administratif ou mes collègues du
département IA / SA, tout le monde s’est rendu disponible et m’a apporté son aide avec beaucoup
d’enthousiasme au cours de mon stage.
Je souhaite également remercier l’ensemble de l’équipe enseignante de l’IUT de Montpellier, qui a su
m’apporter au cours de ces deux années de DUT de nombreuses connaissances techniques qui m’ont
été très utile dans les diverses missions que j’ai réalisées.
Je remercie ensuite tout particulièrement les personnes suivantes pour le soutien qu’ils ont pu
m’apporter :
Hai PHAM DOAN, mon tuteur de stage, qui m’a consacré de son temps, qui m’a épaulé et a
su m’aiguiller au cours de mes expérimentations pour que ce stage se déroule de la meilleure façon
possible.
Michaël BROUTIN, chef du groupe Sécurité, Structures et Eco-conception, qui m’as
également beaucoup suivi et s’est intéressé de très près à mon travail. Il a su m’apporter de
nombreuses connaissances techniques et se rendre disponible pour répondre à mes diverses
questions. De plus c’est lui qui m’a proposé ce sujet de stage, sans quoi je n’aurais sans doute pas pu
effectuer mon stage dans le domaine de l’aéronautique.
Richard METZGER, pour les plusieurs photographies partagées avec moi pour illustrer mon
rapport de stage.
Les différents membres du département Structures et Adhérences, pour m’avoir accueilli
chaleureusement au sein de l’équipe et pour leur bonne humeur tout au long de ces 13 semaines de
stage.
Enfin, je tiens à émettre un remerciement à Louis BARRAL, qui m’a gentiment procuré les
coordonnées de certains membres du STAC, et sans qui je n’aurais sans doute jamais eu l’occasion de
contacter Michael BROUTIN.
Résumé
Le présent rapport a pour objectif de présenter les missions que j’ai eues à réaliser au cours
de mon stage de fin d’étude. Il expose les différents contextes qui ont amené le STAC à me solliciter,
à travers la description des expérimentations menées en amont et pendant mon stage.
Dans un premier temps il comprend les diverses explications relatives à l’auscultation des
chaussées souples aéronautiques. Le fonctionnement du HWD, l’analyse des résultats obtenus, la
description de la planche s’essai et les méthodes de calcul inverse sont donc présentés.
Il contient ensuite les diverses études menées à la suite d’une campagne d’essais croisés, à
savoir l’analyse des critères de répétabilité et de linéarité, pour corriger les résultats obtenus de
manière à les rendre exploitables pour l’inter-comparaison.
Enfin, après une brève explication des propriétés mécaniques et viscoélastiques des
matériaux bitumineux, les différentes analyses concernant l’influence d’un gradient de température
sur le module d’Young de ces matériaux sont décrites.
Mots clés :
Auscultation des chaussées, HWD, Essais croisés, Calcul inverse, Module d’Young
Summary
This report aims to present the missions I had to realize during my internship. It exposes the
different contexts which led the STAC to ask me my contribution, through the describing of the
experimentations conducted before and during my internship.
First, it includes the various explications relative to the flexible airport pavement testing
methodology. The running of the HWD, results analysis, testing park description and back-calculation
methods are thus presented.
Then it contains the several studies led in the wake of a crossover campaign, namely
repeatability and linearity analysis, to correct the results in a way to make them workable for intercomparison.
Finally, after a short explication of mechanical and viscoelastic properties, the different
analysis concerning the influence of temperature variations on the Young’s modulus of these
materials are described.
Keywords :
Pavement testing, HWD, Crossover trials, Back-calculation, Young’s modulus
Sommaire
Table des figures, tableaux et graphiques .............................................................................................................. 5
Introduction ............................................................................................................................................................ 7
Présentation de l’entreprise ................................................................................................................................... 8
Direction Générale de l’Aviation Civile................................................................................................................ 8
Service Technique de l’Aviation Civile ................................................................................................................. 9
I
Auscultation au HWD................................................................................................ 11
I- 1)
I- 1.1)
Fonctionnement .............................................................................................................................. 11
I- 1.2)
Résultats d’une mesure ................................................................................................................... 13
I- 2)
La planche instrumentée ..................................................................................................................... 14
I- 2.1)
Constitution de la planche .............................................................................................................. 14
I- 2.2)
Instrumentation .............................................................................................................................. 17
I- 3)
II
Description du HWD ............................................................................................................................ 11
Calcul inverse ....................................................................................................................................... 20
I- 3.1)
Module d’Young rétro-calculé ......................................................................................................... 20
I- 3.2)
Méthode pseudo statique ............................................................................................................... 21
I- 3.3)
Méthode dynamique ....................................................................................................................... 21
Essais croisés ............................................................................................................ 22
I-1 Présentation de la manifestation ................................................................................................................. 22
II- 1.1)
Description des appareils ............................................................................................................ 22
II- 1.2)
Déroulement ............................................................................................................................... 25
II- 2)
Paramètres retirés de l’analyse ........................................................................................................... 26
II- 3)
Vérifications préliminaires ................................................................................................................... 26
II- 3.1)
Vérification des efforts ............................................................................................................... 27
II- 3.2)
Vérification des déflexions .......................................................................................................... 28
II- 3.3)
Vérification du diamètre de la plaque ........................................................................................ 29
II- 4)
Analyse et correction en effort ............................................................................................................ 29
II- 4.1)
Etude de répétabilité .................................................................................................................. 29
II- 4.2)
Choix d’une chute représentative ............................................................................................... 30
II- 4.3)
Etude de linéarité ........................................................................................................................ 31
II- 4.4)
Recalage des déflexions à 6,5 tonnes ......................................................................................... 32
II- 5)
Etudes complémentaires ..................................................................................................................... 33
II- 5.1)
Choix d’un point représentatif .................................................................................................... 33
II- 5.2)
Influence de la température ....................................................................................................... 35
III Etude de l’influence de la température sur les matériaux bitumineux....................... 36
III- 1)
Présentation de la manipulation ......................................................................................................... 36
III- 2)
Pré-analyse qualitative des données ................................................................................................... 37
III- 2.1)
Choix d’un point représentatif .................................................................................................... 38
III- 2.2)
III- 3)
Etude des déflexions ................................................................................................................... 38
Correction en température des modules d’Young .............................................................................. 42
III- 3.1)
Lois préexistantes ....................................................................................................................... 42
III- 3.2)
Rétro-calcul à l’aide du logiciel PREDIWARE ............................................................................... 44
III- 3.3)
Calage des lois en température .................................................................................................. 46
Conclusion ............................................................................................................................................................. 50
Références Bibliographiques................................................................................................................................. 51
ANNEXE ................................................................................................................................................................. 52
Analyse type d’un fichier HWD ......................................................................................................................... 52
Table des figures, tableaux et graphiques
Figure 1 : Organigramme de la DGAC ..................................................................................................................... 8
Figure 2 : Organigramme du STAC .......................................................................................................................... 9
Figure 3 : Changement d'organisation au sein du service..................................................................................... 10
Figure 4 : Principe de fonctionnement du HWD ................................................................................................... 11
Figure 6 : Principe du géophone ........................................................................................................................... 11
Figure 5 : Illustration d'un géophone .................................................................................................................... 11
Figure 7 : Représentation d'un HWD à 9 géophones ............................................................................................ 12
Figure 8: Plan fonctionnel de la planche instrumentée du STAC .......................................................................... 14
Figure 9 : Structure théorique de la chaussée souple implémentée sur la planche du STAC ............................... 15
Figure 10 : Epaisseur réelle des différentes couches à différentes positions sur la planche ................................ 16
Figure 11 : Structure théorique de l'accotement de la planche du STAC ............................................................. 16
Figure 12 : Vue éclatée de la balance avec ses trois capteurs d'efforts ................................................................ 18
Figure 13 : Architecture d'un ancrage profond ..................................................................................................... 19
Figure 15 : Représentation simplifiée de Kelvin-Voigt .......................................................................................... 21
Figure 14 : Représentation simplifiée de Maxwell ................................................................................................ 21
Figure 16 : Principe de fonctionnement d'un déflectographe Lacroix .................................................................. 23
Figure 17 : Différences de structure entre les différents déflectographes Lacroix ............................................... 23
Figure 18 : Différences de structure entre le déflectographe 04 et le Flash ......................................................... 24
Figure 19 : Disposition des dix points de mesure au niveau de la chaussée souple de la planche ....................... 36
Figure 20 : Explication graphique du coefficient de poisson................................................................................. 40
Figure 21 : Effet du coefficient de poisson sur la dispersion de la déformation subie par la chaussée suite à
l’application d’un l'effort sur la plaque de chargement ........................................................................................ 41
Figure 22 : Répartition des géophones sur la poutre de mesure selon la version du logiciel d'acquisition ......... 45
Figure 23 : Exemple de maillage régulièrement utilisé par le STAC ...................................................................... 45
Graphique 1 : Exemple d'une acquisition temporelle des données lors d'un essai HWD..................................... 13
Graphique 2 : Exemple du bassin de déflexions obtenu lors du même essai HWD .............................................. 14
Graphique 3 : Comparaison des signaux enregistrés par le HWD avec les signaux enregistrés avec la balance .. 27
Graphique 4 : Résultats des écarts relatifs obtenus à F=115 kN et F=250 kN avec leur dispersion ..................... 28
Graphique 5 : Comparaison des signaux enregistrés par le HWD avec les signaux enregistrés à l'aide de
l'ancrage profond .................................................................................................................................................. 28
Graphique 6 : Comparaison des déflexions normalisées par l'effort F=120 kN des trois chutes du passage 1 au
point 2 ................................................................................................................................................................... 30
Graphique 7 : Utilisation des modules de surface pour la détermination de la linéarité ..................................... 31
Graphique 8 : Bassin de déflexion obtenu après le recalage des déflexions pour un effort de 65 kN ................. 33
Graphique 9 : Détermination graphique d'un point (chainage) représentatif, point se rapprochant le plus de la
moyenne ............................................................................................................................................................... 34
Graphique 10 : Impact de la température sur les bassins de déflexions obtenus à chaque passage ................... 35
Graphique 11 : Résultats obtenus sur l'ensemble des séries de mesure .............................................................. 39
Graphique 12 : Amélioration de la visibilité des résultats obtenus, de par la sélection de certaines séries de
mesure seulement ................................................................................................................................................ 39
5
Graphique 13 : Résultat obtenu après la normalisation des déflexions ............................................................... 42
Graphique 14 : Résultats de l'expérimentation réalisée à travers l’étude préexistante du programme LTPP ..... 43
Graphique 15 : Exemple de résultat de calcul inverse .......................................................................................... 47
Graphique 16 : Synthèse de l'ensemble des modules de BBA rétro-calculés ....................................................... 47
Graphique 17: Synthèse de l'ensemble des modules de GB rétro-calculés .......................................................... 48
Graphique 18 : Tendance d’évolution du module d'Young de la BBA sous l’effet d’un gradient de température48
Graphique 19 : Tendance d’évolution du module d'Young de la GB sous l’effet d’un gradient de température . 49
Photographie 1 : Plaque de chargement segmentée de 45 cm de diamètre vue de dessous .............................. 12
Photographie 2: Vue aérienne de la planche du STAC .......................................................................................... 15
Photographie 3 : Exemple d'un profil de température ......................................................................................... 17
Photographie 4 : Profils de température intégrés sur la planche ......................................................................... 17
Photographie 5 : Centrale d'acquisition des données issues des différents capteurs de la planche .................... 18
Photographie 6: Système de balance du STAC ...................................................................................................... 18
Photographie 7 : Vue de dessous d'un déflectographe Lacroix, muni de ces deux bras palpeurs de chaque côté
de la poutre centrale ............................................................................................................................................. 22
Photographie 8 : Déflectographe 03 / 04 .............................................................................................................. 23
Photographie 9 : Nouvelle géométrie de la poutre du Flash ................................................................................ 24
Photographie 10 : Déflectographe FLASH ............................................................................................................. 24
Photographie 13 : Chaîne instrumentée du Curviamètre ..................................................................................... 24
Photographie 13 : Un des capteur d'effort, marqué par un "P", parmi les trois sur l'ensemble de la chaîne ...... 24
Photographie 13 : Curviamètre ............................................................................................................................. 24
Tableau 1 : Répartition des géophones le long de la poutre de mesure selon leur distance au centre de
chargement r ......................................................................................................................................................... 12
Tableau 2 : Position des sondes de température le long de la chaussée .............................................................. 17
Tableau 3 : Détermination de la chute désignée comme la plus représentative pour les trois passages ............ 30
Tableau 4 : Résultats de l'étude de la linéarité sur les trois passages .................................................................. 32
Tableau 5 : Récapitulatif des différents paramètres intervenant dans la correction des déflexions à 6,5 tonnes 32
Tableau 6 : Moyenne des moindres carrés calculés pour chaque passage puis sur les trois passages ................ 34
Tableau 7 : Comparaison des fichiers de données issus des deux versions du logiciel d'acquisition ................... 44
Tableau 8 : Paramètres choisis pour la structure utilisée dans les calculs inverses ............................................. 46
6
Introduction
Lors de mes recherches de stage de fin d’études de DUT Mesures Physiques, mon souhait principal
était de travailler sur un sujet en lien avec le secteur de l’aéronautique. Ce domaine me passionne depuis
plusieurs années et je voudrais en faire mon métier. C’est la raison pour laquelle je suis ravi d’avoir pu
effectuer mon stage au sein du Service Technique de l’Aviation Civile (STAC) à Bonneuil-sur-Marne. J’ai eu
grand intérêt à réaliser les missions l’on m’a confiées lors de ce stage, de par le lien que j’ai pu faire entre mes
connaissances en mesures physiques et le domaine de l’aéronautique. De plus j’ai le sentiment d’avoir mûrit au
cours de cette expérience, tant sur le plan intellectuel que sur le plan social.
Dans le cadre de l’étude de la portance des chaussées aéronautiques, le STAC planifie régulièrement
des sessions de mesures à l’aide de l’appareil de référence internationale pour l’auscultation des chaussées
aéronautiques : le Heavy Weight Defletometer (HWD). La mesure de la portance (ou « capacité portante ») des
chaussées vise à déterminer leur capacité à accueillir un trafic aérien. Elle permet ainsi d’estimer la durée de
vie résiduelle de la chaussée selon le trafic attendu lors des prochaines années.
La connaissance de ces paramètres est donc essentielle pour les infrastructures aéroportuaires.
L’optimisation du dimensionnement des pistes lors de leur conception ainsi que l’évaluation des performances
de la chaussée sont des enjeux majeurs pour les aéroports. Cela permet en effet d’assurer la sécurité du trafic
sur la plateforme et d’envisager d’éventuels aménagements au niveau de la structure des chaussées.
Ma première mission a consisté à l’analyse de données recueillies à l’aide du HWD, lors d’une
campagne d’essais croisés organisée du 11 au 13 Avril à Bonneuil-sur-Marne. Cette opération a pour principal
objectif de comparer plusieurs appareils de mesure d’une même grandeur physique, afin de déterminer les
performances de chacun d’eux. Les différences entre les méthodes d’auscultations de chacun de ces appareils
nous obligent à étudier un certain nombre de critères statistiques et à apporter diverses corrections aux
mesures. Le STAC m’a donc sollicité pour réaliser ce traitement de données et pour apporter mon expérience
de mesures physiques en analyse de données expérimentales.
Dans un second temps, mon tuteur de stage Hai Pham-Doan, chef du programme renforcement des
chaussées, m’a demandé de réaliser une étude sur l’influence de la température sur les matériaux bitumineux
constituant les chaussées aéronautiques souples. Les propriétés viscoélastiques de ces matériaux provoquent
en effet des modifications de leur comportement mécanique sous l’effet d’une variation de température. Les
lois de corrections existantes actuellement sont généralistes, il convient donc de vérifier si elles s’appliquent
bien aux matériaux constituants les chaussées aéronautiques.
7
Présentation de l’entreprise
Direction Générale de l’Aviation Civile
La Direction Générale de l’Aviation Civile (DGAC) est un organisme français assurant le bon
déroulement des différentes activités en lien avec l’aviation civile. Lors de sa création en 1946, elle portait le
nom de Secrétariat Général de l’Aviation Civile. Son nom actuel lui a finalement été donné en 1976.
Ses principales missions sont d’assurer la sécurité et la sureté du transport aérien sur l’ensemble du
territoire français. Elle s’assure que les lois établies par le code de l’aviation civile sont bien respectées. De plus
elle veille à ce que les règlementations s’inscrivent bien dans un contexte de développement durable,
notamment pour ce qui est des nuisances sonores et environnementales.
La DGAC est également en charge de la gestion des aéroports et de leurs infrastructures. Elle gère le
contrôle et la circulation aérienne en France tout en assurant le contrôle technique régulier des aéronefs. En
outre elle agit en tant que prestataire de service auprès de plusieurs organismes pour promouvoir la recherche
dans le domaine de l’aéronautique.
La DGAC est répartie en plusieurs services, qui gèrent les différents domaines de l’aviation civile :
Figure 1 : Organigramme de la DGAC
8
Service Technique de l’Aviation Civile
Le STAC est un service à compétence nationale, rattaché à la DTA et donc à la DGAC. Il traite des questions
techniques concernant les installations et équipements aéroportuaires, mais aussi de la sûreté des transports,
le tout dans une optique de développement durable. Ses missions sont diverses :
-
Mener des recherches et effectuer des expérimentations
Certifier, agréer ou vérifier les performances de systèmes ou équipements contribuant à la sûreté ou
la sécurité.
Elaborer des réglementations techniques et les normaliser à l’international
Assurer la veille scientifique et technique
Il est partagé en différents départements, spécialisés dans des domaines techniques variés :
Figure 2 : Organigramme du STAC
9
A mon arrivée dans le service, j’étais affilié au département Infrastructures Aéroportuaires (IA). Ce
département était principalement divisé en deux parties distinctes :
-
-
La Division Etude et Recherches (DER), axés sur les différentes expérimentations menées sur les
infrastructures et particulièrement sur les chaussées aéronautiques. C’est dans cette division que nous
étions mon tuteur et moi.
La Division Expertise et Ingénierie (DEI), qui s’occupe majoritairement de la certification d’appareils de
mesures et de l’évaluation des performances des pistes aéroportuaires.
Cependant un changement d’organisation au sein du département est intervenu pendant le stage. Il a en effet
été renommé « structure et adhérence », et l’organisation interne des différentes divisions a été modifié :
Figure 3 : Changement d'organisation au sein du service
En fin de stage je me trouvais donc affilié au groupe sécurité – structure et éco-conception. A la différence du
groupe traitant de l’adhérence des pistes, nous sommes axés sur l’étude de la portance des pistes. Le groupe
répond donc à des problématiques de dimensionnement des chaussées aéronautiques, de par les différentes
campagnes d’auscultation au HWD partout en France.
10
I
Auscultation au HWD
I- 1)
Description du HWD
I- 1.1) Fonctionnement
Le HWD (Heavy Weight Deflectometer) est un appareil de mesure de la portance des chaussées. Le
STAC est équipé de deux de ces appareils, qui sont orientés sur l’étude de chaussées aéronautiques. Les
différentes études que j’ai menées pendant mon stage ont été réalisées suite à l’auscultation de chaussées
aéronautiques dites « souples ». Ce type de chaussée, à base de matériaux bitumineux, est classiquement mis
en œuvre sur les aérodromes. Il s’oppose aux chaussées dites « rigides », en béton, également très
représentées en aéronautique.
Le HWD repose sur un système de masse tombante, infligeant à la chaussée un effort instantané de
type impulsionnel. La chute de cette masse, d’environ 700 kg, a pour but de reproduire le passage d’un aéronef
sur la piste. Il est possible d’agir sur l’effort appliqué en modifiant la hauteur de chute de la masse tombante.
Figure 4 : Principe de fonctionnement du HWD
La mesure de la réponse de la chaussée à cette sollicitation se fait à l’aide de géophones. Un
géophone est un appareil de mesure de la vitesse des vibrations du sol. Il est constitué d’une tige métallique en
contact avec le sol, reliée à un aimant, lui-même logé dans une bobine.
Figure 6 : Illustration d'un géophone
11
Figure 5 : Principe du géophone
Une déformation du sol va entrainer le déplacement de l’aimant et donc la génération d’un flux
magnétique dans la bobine. Par phénomène d’induction magnétique, il y a apparition d’une différence de
potentiel aux bornes de la bobine. La loi de Lenz-Faraday lie cette différence de potentiel 𝐸 avec le flux
𝑑𝜙
magnétique 𝜙 créé par l’aimant : 𝐸 = − . Par conséquent la tension aux bornes de la bobine est
𝑑𝑡
proportionnelle à la variation de flux magnétique et donc à la vitesse de vibration du sol. Lors d’une
auscultation au HWD, cette tension est proportionnelle à la vitesse de déplacement relatif de la chaussée par
rapport à son état initial. Chaque géophone réalise ensuite une conversion de cette vitesse en déflexions par le
biais d’une intégration du signal obtenu. Ils sont placés le long d’une poutre de mesure, afin de pouvoir tracer
le « bassin de déflexion », qui représente la réponse de la chaussée à la sollicitation.
Figure 7 : Représentation d'un HWD à 9 géophones
Parmi les différents géophones situés sur la poutre, ceux qui nous intéressent dans l’étude des
chaussées souple sont les géophones 1 à 13. Le géophone 1 est directement positionné au milieu de la plaque
de chargement : nous pouvons donc obtenir la déflexion directement au niveau de la zone de chargement. La
répartition des géophones le long de la poutre est la suivante :
Tableau 1 : Répartition des géophones le long de la poutre de mesure selon leur distance au centre de chargement r
L’effort appliqué est calculé à l’aide d’un capteur directement intégré au niveau de la plaque de
chargement. Cette plaque est munie d’un tapis en caoutchouc crénelé, qui permet de répartir la pression de la
charge de manière uniforme sur la chaussée. Il existe deux tailles différentes de plaque de chargement : une
première de 45 cm de diamètre, généralement choisie car plus adaptée pour la mesure de portance en
aéronautique, et une seconde de 30 cm de diamètre, utilisée lors de mesures en configuration route (essais
croisés en partie II : comparaison avec des appareils utilisés dans le routier)
Photographie 1 : Plaque de chargement segmentée de 45
cm de diamètre vue de dessous
12
I- 1.2) Résultats d’une mesure
A l’issu des essais, nous obtenons un fichier de données regroupant l’ensemble des mesures réalisées
par le HWD. La description d’un de ces fichiers figure en Annexe A. La fréquence d’acquisition du capteur
d’effort et des géophones est de 4000 Hz (une mesure toutes les 0,25 ms). Le Graphique 1 présente une
acquisition réalisée à partir d’une auscultation au HWD.
Graphique 1 : Exemple d'une acquisition temporelle des données lors d'un essai HWD
Il est très important de vérifier l’acquisition temporelle des données après une mesure, car elle
renseigne généralement sur la justesse du résultat. On peut en effet y détecter des résultats aberrants, comme
par exemple des géophones qui donnent des déflexions partant à l’infini après l’impulsion, au lieu de revenir
normalement à 0. De plus cela permet d’apprécier la dynamique de déformation de la chaussée au fil du
temps. Les géophones éloignés atteignent effectivement leur maximum avec un temps de retard,
caractéristique du temps de propagation de la déformation à travers les différentes couches de la chaussée.
La détection des déflexions maximales pour chaque géophone est également intéressante car elle
permet de tracer le bassin de déflexion créé par la masse tombante, comme le montre le Graphique 2.
13
Bassin de déflexion obtenu à partir des déflexions
maximales relevées pour chaque géophone
0
0
50
100
150
200
250
300
Déflecxions (µm)
-100
-200
-300
-400
-500
-600
Distance au centre de chargement r (cm)
Graphique 2 : Exemple du bassin de déflexions obtenu lors du même essai HWD
Ce bassin de déflexion informe donc sur la déformation subie par la chaussée dans un rayon de 2,40 m
autour de la zone de chargement. Il nous sera utile lors de nos diverses études, notamment pour évaluer
l’impact de la température sur la chaussée, ce que nous verrons à la partie III. Ces bassins de déflexions
peuvent être représentés en valeurs réelles (cas du Graphique 2), ou en valeurs absolues, dans ce cas, il ne
s’agit plus d’un « bassin » à proprement parlé mais plutôt d’un diagramme d’intensité des déflexions.
I- 2)
La planche instrumentée
Le STAC a commencé la construction de sa planche d’essai expérimentale en avril 2007 sur son site de
Bonneuil-sur-Marne. Cela a donc permis de profiter pleinement du HWD plus récemment acheté en 2005. En
effet ce dernier faisait part d’une nouvelle méthode d’auscultation des chaussées aéronautiques.
I- 2.1) Constitution de la planche
La planche est constituée de deux types de structures parmi les plus utilisées dans le domaine de
l’aéronautique. Elle est effectivement munie d’une structure de type souple de 960 m² (opérationnelle depuis
novembre 2007), ainsi que ses accotements. La structure de type rigide a ensuite été annexée en 2010.
Figure 8: Plan fonctionnel de la planche instrumentée du STAC
14
Photographie 2: Vue aérienne de la planche du STAC
Dans le cadre de notre étude, nous ne nous intéresserons qu’à la structure de type souple. Il s’agit de la
structure classique mise en œuvre sur les aérodromes. Celle implémentée sur le site du STAC a été conçue pour
supporter 10 charges HWD équivalentes à 30 tonnes, par jour pendant 10 ans. Différents calculs, menés à l’aide
du logiciel de dimensionnement des structures de chaussées ALIZE, ont conduit à définir la structure adaptée à
cette sollicitation :
Figure 9 : Structure théorique de la chaussée souple implémentée sur la planche du STAC
Il existe quatre couches de base dans les chaussées souples, les caractéristiques de base de ces
couches qui constituent la planche instrumentée sont les suivantes :
-
La couche de surface, constituée de Béton Bitumineux Aéronautique (BBA) 0/14C de classe
3.
La couche de base, constituée de Grave Bitume (GB) 0/14 de classe 3.
La couche de fondation, constituée de Grave Non-traitée (GNT) 0/31,5 de type B.
La plateforme support, de type PF2 et constituée de GNT 0/31,5 de type A.
15
Les épaisseurs réelles de ces différentes couches au niveau de la planche d’essai sont généralement
supérieures aux épaisseurs théoriques initialement indiquées par le logiciel ALIZE. En effet des auscultations à
l’aide de « radars », appuyées par différents carottages ont permis d’établir une cartographie de la structure de
la chaussée souple le long de la planche :
Figure 10 : Epaisseur réelle des différentes couches à différentes positions sur la planche
La présence d’un accotement permet également d’effectuer des essais sur une structure semblable à
ce qui est couramment utilisé sur les plateformes aéroportuaires. Situés le long des pistes, ils ont pour but de
compléter la chaussée centrale par une structure plus faible mais pouvant tout de même supporter le passage
d’un aéronef. Cela diminue le risque de sortie de piste, en cas de problème il y a une surface intermédiaire
entre la chaussée et le gazon bordant les pistes. La structure théorique (établie encore une fois à l’aide du
logiciel ALIZE) de l’accotement étudié sur la planche du STAC est la suivante :
Figure 11 : Structure théorique de l'accotement de la planche du STAC
16
Encore une fois les épaisseurs réelles de chaque couche sont supérieures aux estimations théoriques,
comme nous le constatons en se reportant sur la cartographie en Figure 10.
I- 2.2) Instrumentation
Pour vérifier les modèles théoriques établis grâce à des logiciels de modélisations qui déterminent les
différentes déformations que va subir la chaussée lors d’une sollicitation quelconque, la planche d’essais a été
instrumentée par une multitude de capteurs. Ces capteurs mesurent d’une part les déformations relatives
d’extensions longitudinales et transversales subies par les matériaux bitumineux, puis d’autre part les
déformations relatives de compression au sommet des couches de matériaux non liés (non bitumineux). La
comparaison entre les différents résultats obtenus permettent de valider ou non le modèle théorique proposé.
Il est fondamental de connaitre la température des matériaux bitumineux lors des mesures pour tirer
des conclusions sur la cohérence des résultats expérimentaux. En effet le comportement de ces matériaux est
fortement impacté par la température, comme nous l’expliquerons dans la partie III.
La planche est donc munie de trois profils de mesure, dont les sondes de températures sont placées le
long de la couche de surface et de la couche de base. Ces sondes sont disposées à 7 profondeurs différentes
dans la chaussée :
Tableau 2 : Position des sondes de température le long de la chaussée
Photographie 3 : Exemple d'un profil de température
Photographie 4 : Profils de température
intégrés sur la planche
La centrale de température, représentée sur la Photographie 5, récupère l’ensemble de ces
acquisitions. On y observe également la présence de deux autres capteurs mesurant d’une part la température
de corps noir et d’autre part la température extérieure (à l’ombre et à l’abri du vent). L’acquisition s’effectue
en continu, au rythme d’une mesure toutes les 10 minutes.
17
Photographie 5 : Centrale d'acquisition des
données issues des différents capteurs de la
planche
Afin de vérifier les valeurs obtenues à l’aide du HWD et de ré-étalonner si nécessaires les différents
capteurs, la planche dispose d’un système de pesage dynamique ainsi que deux ancrages profonds.
Le système de pesage dynamique, également appelé « balance », a été conçu spécialement pour
recevoir des charges dynamiques pouvant atteindre jusqu’à 60 tonnes. Il est muni de trois capteurs de
précision, placés à 120° chacun sous une plaque en acier. Le tout est encastré dans un massif de réaction en
béton armé.
Photographie 6: Système de balance du STAC
Figure 12 : Vue éclatée de la balance avec ses trois capteurs d'efforts
Ce système permet d’obtenir une mesure d’effort de référence lors d’une sollicitation au HWD. En
comparant l’allure des signaux recueillis à l’aide de la balance et du capteur d’effort du HWD, nous pouvons
vérifier le bon étalonnage de ce dernier. Cela permet également de disposer d’une référence en termes de
mesure d’efforts et donne donc la possibilité d’organiser des campagnes d’essais croisés.
La fréquence d’acquisition des capteurs est de 4800 Hz, ce qui est largement satisfaisant dans notre
cas. En effet lors d’un chargement HWD, le temps d’impulsion est d’environ 30 ms, ce qui induit une pseudofréquence de 30Hz. Dans le cadre des enseignements en traitement du signal nous avons vu qu’il était judicieux
d’échantillonner un signal avec une fréquence au moins dix fois plus élevée que sa fréquence propre.
18
Dans notre cas il conviendrait donc de réaliser les acquisitions à une fréquence d’échantillonnage minimum de
300 Hz, ce qui est amplement respecté avec une fréquence d’acquisition de 4800 Hz.
Les deux ancrages profonds permettent quant à eux de vérifier les déflexions obtenus à l’aide des
géophones. Il est muni d’un pied d’ancrage situé à 12m de profondeur, servant de référence absolue par
rapport à un capteur de déplacement placé au niveau de la tête de l’ancrage. Ce capteur mesure la
déformation de surface par rapport à la référence, autrement dit il nous donne les déflexions subies par la
chaussée au niveau de l’ancrage.
Figure 13 : Architecture d'un ancrage profond
En comparant les déflexions obtenues à l’aide d’un des géophones (le géophone étudié est le
géophone placé pile au niveau de l’ancrage) avec les déflexions mesurées par le système d’ancrage profond,
nous pouvons vérifier l’étalonnage des différents géophones. Tout comme la balance, ce système offre la
possibilité d’organiser des essais croisés sur la planche d’essai du STAC.
19
I- 3)
Calcul inverse
Le calcul inverse, ou rétro-calcul, est un procédé permettant la détermination des modules d’Young
des différentes couches constituant une chaussée. La connaissance de ces modules est cruciale dans l’étude de
la portance des chaussées souples aéronautiques. Elle permet en effet d’évaluer l’état fonctionnel de la
chaussée et de proposer d’éventuels aménagements au sein de la structure. De par leurs propriétés
viscoélastiques, les matériaux bitumineux ont un comportement mécanique qui diffère selon les différents
paramètres extérieurs. Leur module d’Young n’est donc pas fixe et dépend notamment de la température de la
chaussée, ce que nous verrons en troisième partie.
Le calcul inverse est un calcul itératif, c’est-à-dire qu’il se décompose en plusieurs étapes car le
résultat attendu dépend de lui-même. Autrement dit, il faut préalablement rentrer une valeur de module
initiale parmi les variables d’entrées du calcul pour obtenir notre module rétro-calculé. Ensuite, à chaque
« itération » est calculée une valeur de module, jusqu’à ce que la différence entre deux modules
successivement calculés soit assez faible.
Pour calculer ces modules, il faut en premier lieu choisir un modèle mécanique pour la chaussée
(structure, épaisseurs, modules initiaux…). La modélisation de ce système permet ainsi d’obtenir des résultats
théoriques sur le comportement de la chaussée à une sollicitation. A chaque itération, ces résultats théoriques
sont comparés aux résultats obtenus lors d’un essai expérimental au HWD. Par un processus d’identification,
chaque module est calculé dans l’optique de rapprocher au maximum le modèle théorique des observations
expérimentales. Il existe actuellement deux méthodes de calcul inverse : la méthode pseudo-statique et la
méthode dynamique.
I- 3.1) Module d’Young rétro-calculé
Dans le cadre de l’enseignement de propriétés des matériaux de première année de mesures physiques, le
module d’Young, est définit comme une propriété élastique d’un matériau. Il correspond à la contrainte
mécanique à appliquer pour allonger le matériau de 100% par rapport à sa longueur initiale, si celui-ci restait
dans son domaine élastique tout au long de la déformation. Le domaine élastique est l’intervalle de contrainte
applicable au matériau sans que celui-ci ne se déforme de manière irréversible. Sous l’effet d’une contrainte de
traction, on le retrouve à l’aide de la loi de Hooke, applicable uniquement dans le domaine élastique :
𝜎 = 𝐸 × 𝜀, où :
-
𝐸 est le module d’Young
𝜎 est la contrainte appliquée au matériau
𝜀 est la déformation subie par le matériau
Le module d’Young informe donc sur la rigidité du matériau. Par exemple l’acier, caractérisé par un
module de 210 GPa, est nettement plus rigide que des matériaux plastiques comme le polyéthylène, dont le
module est inférieur à 1 GPa.
Cependant, les matériaux bitumineux possèdent des propriétés dites viscoélastiques. Cela signifie que leur
comportement est à la fois analogue à un solide élastique, mais aussi semblable à un fluide newtonien. Un
fluide newtonien est un fluide pour lequel la vitesse de déformation varie linéairement avec la contrainte de
cisaillement subie. Il est caractérisé par sa viscosité dynamique 𝜂, qui représente la capacité du fluide à résister
à l’écoulement. Le caractère élastique d’un matériau viscoélastique désigne sa capacité à conserver puis
restituer de l’énergie lors d’une déformation, pour regagner sa structure initiale. Son caractère visqueux
traduit quant à lui sa capacité à dissiper une partie de l’énergie reçue sous dorme de chaleur. Cela implique
donc que, lors d’une déformation, la composante élastique revient instantanément à son état initial, tandis que
la composante visqueuse revient à son état originel avec un temps de retard. C’est pourquoi la réponse des
matériaux bitumineux dépend de la période de sollicitation (ou de la pseudo-fréquence dans notre cas).
Pour représenter la dualité de la viscoélasticité, on utilise généralement le modèle du ressort (composante
élastique) et amortisseur (composante visqueuse), placés soit en série (modèle de Maxwell), soit en parallèle
(modèle de Kelvin-Voigt). D’autres modèles plus représentatifs mais plus complexes existent mais ne nous
intéressent pas pour notre étude.
20
Figure 14 : Représentation simplifiée de Kelvin-Voigt
Figure 15 : Représentation simplifiée de Maxwell
D’une manière générale, le module d’Young d’un matériau viscoélastique est exprimé sous la forme d’un
nombre complexe :
𝐸 ∗ = 𝐸1 + 𝑗𝐸2 , où la partie réelle 𝐸1 représente la composante élastique tandis que la partie imaginaire 𝐸2
représente la composante visqueuse. L’expression de ces deux composantes varie selon le modèle choisi. Le
paramètre retenu comme module d’Young du matériau est finalement la norme du vecteur 𝑬∗ représenté
dans le plan complexe :
𝐸 = |𝐸 ∗ | = √𝐸1 2 + 𝐸2 2
Actuellement, les méthodes de calcul inverse ne sont pas assez avancés pour prendre en compte la
viscosité des matériaux bitumineux. Ce modèle est en cours de développement, bien que les résultats obtenus
à l’aide des méthodes actuelles soient toutefois convenables.
I- 3.2) Méthode pseudo statique
La méthode pseudo statique est la méthode de base pour le calcul inverse. Elle repose sur la
modélisation d’un chargement statique, autrement dit l’effort appliqué par la plaque de chargement est
considéré comme constant. Le calcul inverse s’effectue ensuite à partir des déflexions maximales enregistrées
sur chaque géophone. Ce sont donc les bassins de déflexions qui sont comparés et qui permettent
l’identification des modules à chaque itération.
Le logiciel de référence faisant appel à cette méthode est le logiciel de dimensionnement ALIZE,
développé par le Laboratoire Central des Ponts et des Chaussées (LCPC). Cette méthode a fait ses preuves et
donne des résultats convenables, mais présente toutefois des défauts majeurs. Tout d’abord, la prise en
compte d’une sollicitation statique plutôt que dynamique éloigne considérablement la modélisation théorique
de la réalité. La composante visqueuse des matériaux bitumineux, déjà non prise en compte dans le modèle
mécanique de la chaussée, est donc totalement négligée dans le cas d’une sollicitation de type statique.
De plus, sur une acquisition complète des déflexions, seuls les maxima sont exploités. Une grande
partie de l’information recueillie lors des essais HWD est donc inexploitée, ce qui entraine donc un risque
d’erreur plus important dans la détermination des différents modules.
C’est pourquoi une méthode plus robuste et plus représentative a été développée par Michaël Broutin, avec
l’aide du STAC dans le cadre de sa thèse [Broutin, 2010].
I- 3.3) Méthode dynamique
La méthode dynamique est la méthode de calcul inverse préconisée par le STAC dans la détermination des
modules d’une chaussée. Elle considère le chargement comme dynamique et prend en compte l’ensemble des
historiques de déflexion. L’identification des paramètres structurels est donc plus cohérente et plus
représentative de la réalité. C’est le logiciel PREDIWARE, mis en place par Michaël Broutin, qui utilise cette
méthode pour le calcul inverse. Ce logiciel a été validé mais il en est encore aujourd’hui à sa phase de
développement. Diverses fonctionnalités supplémentaires devraient voir le jour et une version commerciale
devrait paraître d’ici les prochaines années. C’est cette méthode que nous utiliserons pour les calculs inverses
effectués en partie III.
21
II
Essais croisés
I-1 Présentation de la manifestation
Une campagne d’essais croisés a été menée dans les locaux du STAC du lundi 11 au mercredi 13 avril
2016. Ces essais ont été effectués sur la planche instrumentée du STAC à Bonneuil-sur-Marne. Cette campagne
avait pour but de pour réaliser une inter-comparaison entre différents déflectographes, appareils
d’auscultation non destructive des chaussées. Plusieurs organismes partenaires ont donc participé à
l’évènement, en mettant par ailleurs leur(s) appareil(s) à disposition et/ou en apportant leur expertise. La
comparaison s’est donc effectuée entre trois déflectographes Lacroix, un déflectographe à masse tombante
(HWD) ainsi qu’un curviamètre. Contrairement au HWD qui est spécialisé dans l’étude des chaussées
aéronautiques, les autres déflectographes présents sont utilisés uniquement dans le domaine routier.
II- 1.1)
Description des appareils
Le principe de fonctionnement du HWD, que nous avons expliqué précédemment, est assez différent
d’un déflectographe classique. Le bassin de déflexion mesuré par les déflectographes Lacroix et le curviamètre
correspond à la déformation de la chaussée induite par le passage de l’un des essieux arrière de l’appareil sur
le sol.
Pour mesurer ces déflexions, les déflectographes Lacroix sont muni sous leur châssis d’une poutre
mobile. Deux bras palpeurs sont disposés de chaque côté de la poutre. Au bout de chacun de ces bras est
installé un capteur mesurant les déformations surfaciques de la chaussée. La Photographie 7 présente une vue
de dessous d’un déflectographe, où l’on distingue bien les deux bras palpeurs de chaque côté de la poutre
centrale.
Photographie 7 : Vue de dessous d'un déflectographe Lacroix, muni de ces deux bras palpeurs de chaque côté de la poutre centrale
Au départ, la poutre est posée sur le sol et les bras palpeurs sont bien axés avec l’espace situé au
centre de l’essieu arrière étudié. Au fur et à mesure que le déflectographe avance, le capteur enregistre le
bassin de déflexion généré par l’essieu. Une fois que le capteur est au centre des deux roues, la mesure sur ce
point est terminée, un treuil tire la poutre au niveau du prochain point de mesure et l’opération peut
recommencer. La Figure 16 en page suivante présente schématiquement le déroulement d’une mesure.
La poutre est déposée sur le sol à intervalles réguliers, pour une mesure tous les 5m généralement.
Tout au long des mesures, le véhicule roule à vitesse constante (environ 2 à 8 km/h). En cas mouvement latéral
du déflectographe, un système d’asservissement permet à la poutre de repositionner automatiquement le bras
palpeur dans l’axe de l’essieu entre chaque point.
22
Figure 16 : Principe de fonctionnement d'un déflectographe Lacroix
Les appareils ayant participé à la manifestation sont les suivants :
-
Le Déflectographe 02
Le déflectographe 02 (D02) a été mis à disposition par le Centre d’étude et d’Expertise sur les Risques,
l’Environnement, la Mobilité et l’Aménagement (CEREMA) de Trappes (78). Il s’agit du plus ancien modèle de
déflectographe de ces essais croisés.
-
Le Déflectographe 03 / 04
Le déflectographe D03 / D04 a également été mis à disposition par le CEREMA de Trappes. Il est possible
d’intervertir entre la configuration D03 et D04 en changeant la longueur de la poutre sous le châssis et des bras
palpeurs. La Figure 17 présente l’évolution des déflectographes Lacroix au fil du temps.
Photographie 8 : Déflectographe 03 / 04
Figure 17 : Différences de structure entre les différents déflectographes Lacroix
23
-
Le déflectographe FLASH
Le Flash figure parmi les déflectographes les plus récents et sophistiqués aujourd’hui. Tout en étant plus
rapide que ses prédécesseurs, il conserve une précision fiable même pour les faibles déflexions. C’est le
CEREMA de Lille qui a mis à disposition cet appareil. A la différence de ses prédécesseurs, la poutre du FLASH a
été totalement repensée, comme le montre la Photographie 9. Sa géomètrie est plus adaptée aux mesures
précises de faibles déflexions et son orientation est inversée par rapport aux autres déflectographes Lacroix. La
Figure 18 présente les différences de configuration entre le D04 et le FLASH.
Photographie 10 : Déflectographe FLASH
-
Photographie 9 : Nouvelle géométrie de la
poutre du Flash
Figure 18 : Différences de structure
entre le déflectographe 04 et le Flash
Le Curviamètre
Le curviamètre est un déflectographe hors du commun car il n’utilise pas de poutre instrumentée pour
réaliser ses mesures. Celui-ci est muni d’une chaîne métallique flexible d’une longueur totale de 15m.
Cette chaîne forme une boucle fermée sur laquelle sont placés trois capteurs de déflexions à 5m
d’intervalle.
Photographie 13 : Curviamètre
Photographie 13 : Chaîne instrumentée du
Curviamètre
Photographie 13 : Un des capteur d'effort, marqué par un
"P", parmi les trois sur l'ensemble de la chaîne
24
Tout comme les déflectographes Lacroix, le curviamètre mesure le bassin de déflexion formé par
l’essieu arrière du camion. La chaîne passe donc au centre des deux roues de l’essieu droit pour effectuer
les mesures. Lorsque l’appareil est en mouvement, un capteur est déposé sur le sol tous les 5m et mesure
donc les déformations de la chaussée provoquées par l’essieu arrière droit. La particularité de ce
déflectographe est sa vitesse de mesure élevée (plus de 18 km/h), qui permet un grand rendement en
termes d’auscultations (beaucoup de mesures en un temps réduit). C’est le Centre de Recherche Routier
de Belgique (BRRC) qui a proposé l’appareil pour la manifestation.
-
Le HWD
Le HWD est l’unique déflectographe à masse tombante utilisé lors des essais croisés. Il a été mis en
place par le STAC et son fonctionnement a précédemment été expliqué.
II- 1.2) Déroulement
La ligne directrice de tout essai croisé est bien entendu de comparer les différents appareils à partir du
même phénomène. Dans notre cas, le phénomène étudié est la sollicitation d’une chaussée bitumineuse.
Pour que la comparaison soit la plus représentative possible, il est nécessaire d’établir un protocole de
mesure commun à tous les appareils. C’est pourquoi 7 points de mesures ont été définis sur la partie
souple de la planche instrumentée. A l’image des déflectographes Lacroix et du curviamètre, les points de
mesure sont chacun espacés de 5m.
Ensuite, pour disposer d’éléments de comparaison fiables et représentatifs, chaque appareil a effectué
au total 6 passages. A chaque passage, une mesure de déflexion est effectuée sur les 7 points de mesure.
Pour diminuer l’impact environnemental et optimiser les temps de mesure, il était préférable que chaque
appareil réalise ses mesures à tour de rôle.
Au total, ce sont donc deux séries de 6 passages qui ont été réalisées au cours de la campagne. Au
cours de la série réalisée dans la matinée du mercredi 13 avril, le déflectographe 03/04 était monté en
configuration 03. Il a ensuite été modifié pour passer en configuration 04 lors de la seconde série, réalisée
l’après-midi. Pour ce qui est du déflectographe FLASH, la série du matin a été consacrée aux mesures de
déflexions au niveau de l’essieu arrière gauche. Au contraire ce sont les mesures de déflexions au niveau
de l’essieu arrière droit qui ont été réalisées pendant la série de l’après-midi. En outre, le temps de
mesure au HWD s’est avéré particulièrement long. Nous avons donc décidé de réaliser seulement trois
passages le matin et un seul l’après-midi.
Concernant le HWD, la configuration choisie pendant la campagne ne permettait pas la simulation de
charges similaires aux autres déflectographes, dont la masse répartie sur chacun des essieux arrière est de
6,5 tonnes. En effet le poids important de la masse tombante demandait une hauteur de chute plus faible
que la hauteur de chute minimale requise. C’est pourquoi à chaque passage, trois chutes, à deux hauteurs
différentes ont été réalisées. L’intérêt d’avoir deux hauteurs différentes est de retrouver les déflexions qui
auraient été obtenues avec une sollicitation de 6,5 tonnes (effort de 65 kN), à l’aide d’une interpolation
linéaire. Lors des trois passages du matin, les deux efforts choisis sont 115 kN et 250 kN. Pour se
rapprocher au maximum de la charge voulue, les efforts choisis lors du passage de l‘après-midi sont de 75
kN et 150 kN.
Suite à cette campagne d’essais croisés, j’ai donc eu pour mission de réaliser l’analyse des données
recueillies au cours de l’évènement à l’aide du HWD. Le principal objectif est d’obtenir des résultats
comparables avec ceux obtenus avec les autres déflectographe. Dans un premier temps, j’ai effectué
quelques vérifications préliminaires des résultats obtenus. Puis j’ai réalisé différentes études permettant
de confirmer la justesse des mesures et d’affirmer la possibilité de réaliser la correction des déflexions à
6,5 tonnes. Différents problèmes nous ont toutefois contraint à restreindre quelques paramètres dans
notre analyse.
25
II- 2)
Paramètres retirés de l’analyse
Les diverses observations citées dans cette section ont été faites tout au long de l’analyse. Les différentes
études ont donc été réalisées sur l’ensemble des données, mais certains paramètres ont toutefois dû être
retirés et ne figurent pas dans l’analyse. Ces paramètres sont présentés ci-dessous :
En premier lieu le problème majeur rencontré lors de l’analyse des données a été le
dysfonctionnement du géophone 1. En effet, sur l’ensemble des mesures réalisées, ce dernier donnait des
valeurs totalement aberrantes. Une étude postérieure aux essais a montré qu’il s’agissait d’un problème
de longueur de la tige du géophone, trop courte pour mesurer réellement les déflexions sur le sol. Ce
problème est survenu suite au changement de la plaque de chargement pour celle de 30cm de diamètre,
plus adaptée dans le cadre d’une comparaison avec des déflectographes spécialisés dans le routier et non
l’aéronautique. Les données utilisées pour l’inter-comparaison seront donc les mesures recueillies à l’aide
des géophones 2 à 13 (de 30 à 240 cm du centre de chargement)
Ensuite, parmi les 7 points de mesure initialement prévus, le dernier point donne des résultats
sensiblement différents. Ce phénomène est possiblement dû à un effet de bords, étant donné qu’il se
trouvait en bord de planche. Ce point sera donc retiré lors de l’inter-comparaison, qui se fera finalement
sur 6 points.
Enfin, lors du passage réalisé dans l’après-midi, les chutes effectuées avec un effort de 75 kN donnent
des bassins de déflexion peu cohérents avec la réalité. Cela s’explique par la trop faible hauteur de chute
nécessaire à l’application de cet effort sur le sol (inférieure à 3cm). Par conséquent seuls les trois passages
réalisés dans la matinée seront exploités pour l’inter-comparaison.
II- 3)
Vérifications préliminaires
Tout d’abord, nous nous sommes chargés de vérifier les différents paramètres donnés par le HWD lors des
mesures pour chaque essai. Dans un premier temps nous avons procédé à la vérification des efforts mesurés
par le capteur situé au niveau de la plaque de chargement. Pour cela nous avons utilisé le système de pesage
dynamique, ou « balance », de la planche instrumentée.
Ensuite nous avons vérifié les déflexions mesurées au HWD. Pour cela nous utiliserons cette fois-ci un
système d’ancrage profond, qui mesure les déformations surfaciques dues à la sollicitation du sol par le
déflectomètre.
Enfin, lors des essais au HWD, les diamètres de la plaque de chargement rentrés dans le logiciel
d’acquisition ne correspondaient pas tous à la plaque réelle installée sur l’appareil. Cela entrainait donc des
erreurs sur les pressions calculées par le logiciel. Il est donc important de repérer les essais impactés par cette
erreur, ainsi que les essais qui ont correctement été réalisés.
26
II- 3.1) Vérification des efforts
Nous réalisons donc la comparaison entre l’effort mesuré par le HWD et l’effort obtenu à l’aide de la balance.
Le Graphique 3 présente un exemple de résultats :
Exemple de résultat effort HWD vs Balance
120.000
113.04
114.49
100.000
Effort (kN)
80.000
60.000
Balance
40.000
HWD
20.000
0.000
0
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055
-20.000
Temps (s)
Graphique 3 : Comparaison des signaux enregistrés par le HWD avec les signaux enregistrés avec la balance
Nous remarquons trois phénomènes :
-
Le signal enregistré par la balance est en avance par rapport au signal détecté par le HWD.
L’effort détecté par la balance est plus faible que l’effort mesuré par le HWD. Ce phénomène
s’explique par un léger amortissement dû au tapis en caoutchouc placé sous la plaque de chargement.
L’allure du signal capté au HWD est plus « lissée » que pour la balance (le double pic semble
« amorti »). Encore une fois ce phénomène s’explique par la présence du tapis en caoutchouc.
Ces observations sont communes à tous les essais, par conséquent la réponse du capteur est fidèle à la réalité.
Il nous faut maintenant vérifier la justesse du capteur d’effort, à savoir son amplitude par rapport à l’amplitude
mesurée par la balance.
Pour cela nous avons calculé l’ensemble des écarts relatifs relevés entre la balance et le HWD, pour
chaque chute de chaque essai. Cet écart est donc calculé à partir des efforts maximums relevés par le HWD et
la balance : ∆𝐹𝑚𝑎𝑥 (𝑖, 𝑘) =
𝐹
𝑚𝑎𝑥𝐻𝑊𝐷
−𝐹
𝑚𝑎𝑥𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒
𝐹𝑚𝑎𝑥𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒
. Le Graphique 4 présente les résultats obtenus, ainsi que la
dispersion de ces résultats représentée à ±2σ (en vert) :
27
Ecarts relatifs obtenus pour les deux niveaux
d'effort
2.00%
1.80%
1.60%
Ecart relatif (%)
1.40%
1.20%
Moyenne
1.00%
Min
0.80%
Max
0.60%
0.40%
0.20%
0.00%
F = 115 kN
-0.20%
F = 250 kN
Graphique 4 : Résultats des écarts relatifs obtenus à F=115 kN et F=250 kN avec leur dispersion
Dans le cadre des vérifications à l’aide de la balance, il est préconisé d’obtenir une erreur moyenne
inférieure à 2%. Ce critère est respecté pour les deux efforts, par conséquent on peut en conclure que le
capteur du HWD est bien étalonné.
II- 3.2) Vérification des déflexions
Tout comme l’effort, les déflexions mesurées par le HWD ont aussi été comparées avec les déflexions
obtenues grâce à l’ancrage profond. Pour ne pas endommager l’ancrage, la chute n’a pas été réalisée
directement sur celui-ci. Nous avons aligné la poutre de mesure de telle façon qu’un géophone soit situé
exactement sur l’ancrage, pour que les déflexions mesurées soient équivalentes.
Le Graphique 5 montre que le résultat obtenu n’est pas convaincant :
Exemple de résultat Ancrage vs HWD
20
0
Déflexions (µm)
-20
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
-40
HWD
-60
Ancrage profond
-80
90,38
-100
-120
-140
121,2
Temps (s)
Graphique 5 : Comparaison des signaux enregistrés par le HWD avec les signaux enregistrés à l'aide de l'ancrage
profond
28
Premièrement, les deux signaux ont des allures relativement différentes. Cela est dû à la présence
d’un filtre passe bas au niveau du logiciel d’acquisition, qui a pour objectif de « lisser » la courbe obtenue.
Ensuite, il apparaît d’importants écarts quant aux amplitudes des deux signaux. Malheureusement ce
phénomène est observé sur l’ensemble des résultats, cela signifie que l’ancrage profond aurait nécessairement
besoin d’un étalonnage. En effet l’opération a été réalisée sur trois géophones différents, or il est moins
probable que l’erreur vienne de l’ensemble des géophones plutôt qu’uniquement de l’ancrage.
II- 3.3) Vérification du diamètre de la plaque
Nous avons également procédé à une étape préliminaire de vérification du diamètre de la plaque
rentré dans le logiciel à chaque passage, le diamètre réel de la plaque utilisée pour tous les essais étant de 30
cm. Nous avons donc vérifié les passages pour lesquels ce diamètre était correctement rentré dans le logiciel.
Pour cela, nous savons premièrement que le HWD est muni, au niveau de la plaque de chargement, d’un
capteur d’effort. A partir de cet effort, le logiciel calcule automatiquement une pression, qui dépend également
de la surface de contact de la plaque de chargement :
𝑃=
𝐹
𝑆
=
𝐹
𝜋×∅2
4
, avec ∅ le diamètre de la
plaque de chargement. En effet les essais balance nous ont montré que l’effort indiqué était le bon quel que
soit le diamètre de la plaque rentré dans le logiciel.
Nous pouvons ainsi retrouver le diamètre considéré par le logiciel : ∅
𝐹
=√ ×
4
. Nous trouvons que pour
𝑃
𝜋
les trois passages, le diamètre rentré était de 45 cm au lieu de 30cm. La correction à appliquer est donc la
suivante : 𝑃𝑟é𝑒𝑙 = 𝑃𝑓𝑎𝑢𝑠𝑠é × (
II- 4)
∅𝑓𝑎𝑢𝑠𝑠é 2
∅𝑟é𝑒𝑙
) = 2,25 × 𝑃𝑓𝑎𝑢𝑠𝑠é .
Analyse et correction en effort
II- 4.1) Etude de répétabilité
Nous avons premièrement étudié les déflexions maximales, en les normalisant préalablement par
l’effort, pour chaque géophone. A première vue ces résultats semblent satisfaisants, les trois chutes paraissent
confondues.
Conformément au guide d’auscultation des chaussées souples au HWD [STAC, 2014], la condition pour valider
le critère de répétabilité est :
𝑒𝑅 = max𝑘,𝑖,𝑗 |𝑑𝑘 𝑚𝑎𝑥𝑐ℎ𝑢𝑡𝑒 𝑖 − 𝑑𝑘 𝑚𝑎𝑥𝑐ℎ𝑢𝑡𝑒 𝑗 | < 15 µ𝑚
𝑒𝑅 % = max𝑘,𝑖,𝑗
|𝑑𝑘 𝑚𝑎𝑥𝑐ℎ𝑢𝑡𝑒 𝑖 −𝑑𝑘 𝑚𝑎𝑥𝑐ℎ𝑢𝑡𝑒 𝑗 |
min𝑙=1…𝑛 𝑑𝑘 𝑚𝑎𝑥𝑐ℎ𝑢𝑡𝑒 𝑙
Pour chaque géophone 𝑘
< 3%
𝑖
Autrement dit, pour une même séquence de trois chutes, l’écart entre les déflexions mesurées par un
même géophone ne doit pas dépasser 15 µm, ou 3% d’erreur par rapport à la chute la plus faible. Nous avons
donc étudié ces deux critères pour l’ensemble des essais. Il se trouve cependant que pour le point 2 du passage
1, la première chute a été réalisée avec un effort de 15 kN de moins que les deux suivantes. Cet écart est non
négligeable, car il impacte significativement les déflexions mesurées. Le critère de répétabilité n’est donc pas
respecté sur cette séquence uniquement. Par conséquent la première chute de cette séquence sera retirée
pour la suite des analyses. Concernant les autres essais, le critère est toujours largement respecté, à l’image
de cet exemple sur le Graphique 6 (où les déflexions ont préalablement été normalisées par l’effort) :
29
Exemple de résultat de l'étude de répétabilité
1.6
dmax/Fmax (µm/kN)
1.4
1.2
1
Chute 1
0.8
Chute 2
0.6
Chute 3
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
300
Distance au centre de chargement r (cm)
Graphique 6 : Comparaison des déflexions normalisées par l'effort F=120 kN des trois chutes du passage 1 au point 2
II- 4.2) Choix d’une chute représentative
Le critère de répétabilité étant vérifié, nous avons ensuite choisi une chute représentative pour la
suite de nos analyses. Pour cela nous utilisons la méthode des moindres carrés entre la chute 𝑖 concernée et la
moyenne des trois chutes de la séquence, pour l’ensemble des 𝑘 géophones :
𝑘=13
𝑇𝑎𝑢𝑥 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑟é𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡é 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐ℎ𝑢𝑡𝑒 𝑖 = ∑ (𝑑𝑘𝑖 − 𝑑𝑘𝑚𝑜𝑦 )
2
𝑘=2
Pour chaque séquence de trois chutes, la chute présentant le taux de représentativité le plus faible est
considérée comme représentative. En étudiant la récurrence de chacune des chutes, nous trouvons que la
chute désignée comme représentative le plus fréquemment est la chute 2 :
Passage 1
Passage 2
Passage 3
Final
Chute n°1
1
2
0
3
8,82%
Chute n°2
3
5
8
16
47,06%
Chute n°3
6
5
4
15
44,12%
Total de chutes
10
12
12
34
Tableau 3 : Détermination de la chute désignée comme la plus représentative pour les trois passages
Nous avons donc choisi la chute n°2 comme représentative pour la suite de notre étude. A noter que
nous n’étudions que 10 chutes pour le premier passage, car deux séquences n’ont pas pu être exploitée. La
séquence pour laquelle le critère de répétabilité n’était pas respecté n’a en effet pas été étudiée, tout comme
la séquence à 250 kN du point 4, qui ne comportait que deux chutes au lieu de trois suite à un problème
technique.
30
II- 4.3) Etude de linéarité
L’étude de la linéarité est très importante pour le HWD dans le cadre de l’inter-comparaison entre les
appareils. En effet les essais réalisés à l’aide du HWD ont été effectués pour deux efforts différents à tous les
passages : environ 115 kN et 250 kN.
Or l’ensemble des autres déflectomètres mesurent les déflexions relatives à un effort de 65 kN (6,5
Tonnes), correspondant au poids de chacun des essieux arrières. Pour pouvoir comparer le HWD aux autres
appareils il est crucial de ramener les déflexions mesurées à un effort de 65 kN. Pour cela nous effectuerons
une interpolation linéaire de la droite 𝑑é𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛 = 𝑓(𝑒𝑓𝑓𝑜𝑟𝑡), à l’aide des relevés effectués sur les deux
efforts. Avant d’attaquer cette étape il est néanmoins nécessaire d’étudier le critère de linéarité des mesures
pour vérifier que nous pouvons bien utiliser cette interpolation.
En se basant sur le guide [STAC, 2014], l’étude de la linéarité consiste à superposer les courbes de modules de
surface apparents pour les deux efforts. Le calcul de ces modules est le suivant (Pour les géophones 2 à 13) :
(1−𝜈2 )×𝑎2 ×𝑃
𝐸𝑖 =
, où 𝑑𝑘 est la déflexion mesurée au géophone 𝑘, 𝑎 le rayon de la plaque et 𝑃 la
𝑑 ×𝑟
𝑘
pression.
Le Graphique 7 présente un exemple de résultat :
Exemple de résultat de l'étude de linéarité
800
Module de surface (MPa)
700
600
500
400
F = 250 kN
300
F = 115 kN
200
100
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Distance au centre de chargement (m)
Graphique 7 : Utilisation des modules de surface pour la détermination de la linéarité
Les deux conditions retenues par le STAC pour valider le critère de linéarité sont indiquées ci-dessous.
𝐹1 correspond à l’effort le plus faible et 𝐹2 au plus fort. 𝑚 est le nombre de géophones (12 dans notre cas), et
𝐸𝑘 (𝐹𝑖 ) est le module de surface calculé pour le géophone 𝑘 à l’effort 𝑖.
𝑒𝐿 = √
2
∑𝑚
𝑘=1(𝐸𝑘 (𝐹2 ) − (𝐸𝑘 (𝐹1 ))
< 50 𝑀𝑃𝑎
𝑚
𝑚
𝑒𝐿% = √
2
1
𝐸𝑘 (𝐹2 ) − (𝐸𝑘 (𝐹1 )
× ∑(
) < 20 %
𝑚
𝐸𝑘 (𝐹2 )
𝑘=1
31
Ces deux critères ont été déterminés pour chaque passage, en prenant la seconde chute effectuée sur le point
2 (point représentatif). Les résultats obtenus sont répertoriés dans le tableau suivant :
Passage 1
Passage 2
Passage 3
eL (MPa)
eL%
11,66
18,22
12,13
3,29%
4,93%
3,38%
Tableau 4 : Résultats de l'étude de la linéarité sur les trois passages
Le critère de linéarité est vérifié pour les trois passages. Nous pouvons donc effectuer les corrections
en déflexion à l’aide de l’interpolation linéaire, comme expliqué précédemment.
II- 4.4) Recalage des déflexions à 6,5 tonnes
L’interpolation est réalisée sur les chutes 2 de tous les points j des différents passages i pour les k
géophones. Pour effectuer cette interpolation, il faut récupérer les coefficients directeurs 𝑎𝑖,𝑗,𝑘 et les
ordonnées à l’origine 𝑏𝑖,𝑗,𝑘 de la droite d’équation 𝑑𝑘 = 𝑎𝑖,𝑗,𝑘 × 𝐹 + 𝑏𝑖,𝑗,𝑘 .
Nous pouvons ensuite retrouver les déflexions recalées à 6,5 tonnes à partir des deux valeurs
obtenues : 𝑑𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙é𝑒𝑖,𝑗,𝑘 = 𝑎𝑖,𝑗,𝑘 × 65 + 𝑏𝑖,𝑗,𝑘 . Nous prendrons comme exemple le Tableau 5, dont les valeurs ont
été prises pour le point 2 du premier passage ( i=1, j=2 ) :
F = 116,44 kN
F = 255,69 kN
a1,2
b1,2
F = 65 kN
Géophone 2
162,8
351,8
1,3741
3,7337
93,0
Géophone 3
155,9
332,4
1,2895
6,2550
90,7
Géophone 4
148,4
315,6
1,2227
6,5185
86,6
Géophone 5
139,4
297,3
1,1567
5,0885
81,1
Géophone 6
125,8
273,2
1,0819
-0,0126
71,3
Géophone 7
117,3
251,5
0,9796
3,9665
67,7
Géophone 8
107,4
230,8
0,9016
2,6395
61,8
Géophone 9
100,8
212,5
0,8219
5,2996
59,5
Géophone 10
85,4
178,6
0,6802
6,5619
51,0
Géophone 11
73,5
153,2
0,5844
5,2927
44,1
Géophone 12
65,3
139
0,5417
2,1501
38,1
Géophone 13
55,3
115,9
0,4508
2,6197
32,9
Tableau 5 : Récapitulatif des différents paramètres intervenant dans la correction des déflexions à 6,5 tonnes
32
Nous obtenons donc sur le Graphique 8 le bassin de déflexion pour ce même exemple :
Bassin de déflexion recallé à 6,5 tonnes
100
90
80
déflexion (µm)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
distance au centre de chargement r (cm)
Graphique 8 : Bassin de déflexion obtenu après le recalage des déflexions pour un effort de 65 kN
II- 5)
Etudes complémentaires
II- 5.1) Choix d’un point représentatif
Ensuite, nous avons cherché un point représentatif pour chaque passage. Ce point est celui qui se
rapproche le plus de la moyenne de tous les points d’un même passage. Pour ce faire il faut tout d’abord
calculer la moyenne des déflexions de chaque géophone 𝑘 sur chaque passage. Ensuite, les déflexions
obtenues en chaque point 𝑗 sont comparées avec la moyenne précédemment calculée. Le taux de
représentativité du point est donc définit comme la somme des écarts obtenus pour les 𝑚 = 12 géophones
étudiés :
𝑘=13
2
1
𝑇𝑎𝑢𝑥 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑟é𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 𝑗 =
∑ (𝑑𝑘𝑗 − 𝑑𝑘𝑚𝑜𝑦 )
𝑚
𝑘=2
Le point pour lequel le taux de représentativité est le plus faible est choisi comme point représentatif du
passage. Les résultats obtenus pour chaque passage figurent dans le Tableau 6 :
33
Passage 1
Passage 2
Passage 3
Moyenne
Point 1
6,745
10,982
9,455
9,061
Point 2
1,239
4,141
2,078
2,486
Point 3
3,189
4,377
3,151
3,572
Point 4
3,742
12,493
10,982
9,072
Point 5
6,009
6,484
10,547
7,680
Point 6
5,001
7,541
14,835
9,126
Tableau 6 : Moyenne des moindres carrés calculés pour chaque passage puis sur les trois passages
Nous remarquons que ce sont les points 2 et 3 qui obtiennent les résultats les plus faibles en moyenne. Au
final c’est le point 2 qui est le plus proche de la moyenne de tous les points, comme le montre le Graphique 9.
Par conséquent, c’est le point que nous choisirons comme point représentatif pour la suite de nos analyses, et
que nous avons en outre déjà choisi plusieurs fois depuis le début de l’étude.
Choix d'un point représentatif
120
Déflexions (µm)
100
Chainage 11
80
Chainage 12
Chainage 13
60
Chainage 14
40
Chainage 15
Chainage 16
20
Moyenne
0
0
50
100
150
200
250
300
Distance au centre de chargement (cm)
Graphique 9 : Détermination graphique d'un point (chainage) représentatif, point se rapprochant le plus de la moyenne
34
II- 5.2) Influence de la température
Les capteurs de température sont placés à diverses profondeurs dans la chaussée. Les températures
associées à chaque passage ont été calculées en effectuant une moyenne des relevés sur toute l’épaisseur de la
chaussée. Ces températures ont été relevées à l’heure de passage du HWD sur le troisième point (davantage
représentatif et donc préféré au point 2 pour cet exemple exclusivement). La Figure 8 présente l’évolution des
bassins de déflexion au cours de la journée :
Nous remarquons que la température a un impact sur les déflexions obtenues tout au long de la journée.
Lorsque la température augmente, les déformations surfaciques relevées sur la chaussée sont plus
importantes. L’objectif de la prochaine partie est d’étudier plus en détail l’influence de la température sur les
mesures.
Historique des bassins de déflexions corrigés pour
chaque passage
0
0
50
100
150
200
250
300
Déflexions (µm)
-20
-40
Passage 1 (15,72°C)
-60
Passage 2 (17,32°C)
Passage 3 (20,91°C)
-80
-100
-120
Distance au centre de chargement (m)
Graphique 10 : Impact de la température sur les bassins de déflexions obtenus à chaque passage
35
III
Etude de l’influence de la
température sur les
matériaux bitumineux
III- 1) Présentation de la manipulation
Comme nous l’avons vu précédemment, les matériaux bitumineux contenus dans les chaussées
aéronautiques souples sont dits viscoélastiques. A l’instar de la viscosité chez les fluides, la composante
visqueuse de ces matériaux dépend de la pseudo-fréquence de sollicitation, mais également de la
température. En effet lorsque la température augmente, le caractère visqueux diminue, ce qui a pour
conséquence « d’assouplir » le matériau en le rendant moins rigide.
Le module d’Young étant une donnée essentielle pour le dimensionnement et l’aménagement des
chaussées, il est important d’étudier sa réaction suite à une variation de température. C’est pourquoi le STAC a
lancé en 2013 un projet d’étude de l’impact de la température sur les modules des différentes couches des
chaussées souples. Pour cela, des mesures ont été réalisées environ toutes les deux semaines pendant un an.
Cela a permis d’obtenir un grand nombre de données à différentes températures.
Au final, c’est une vingtaine de séries de mesures qui ont été effectuées. J’ai donc eu pour mission au
cours de mon stage d’analyser les données recueillies suite à cette campagne « Température ». Chaque série a
été réalisée selon le même protocole. Tout d’abord, dix points de mesure, notés de 1 à 10 et espacés de 2m
chacun, ont été choisis sur la planche d’essai du STAC :
Figure 19 : Disposition des dix points de mesure au niveau de la chaussée souple de la planche
36
Sur chaque point ont ensuite été réalisées deux séquences, à deux hauteurs de chute pour deux efforts
différents :
-
H = 390 pour un effort d’environ 280 kN
H = 95 pour un effort d’environ 125 kN
Enfin, à l’image de tout essai HWD, chacune de ces séquences comporte trois chutes.
L’objectif est de tracer l’évolution des modules d’Young des couches bitumineuses, à savoir les
couches de Béton Bitumineux Aéronautique (BBA) et de Grave Bitume (GB), en fonction des températures
relevées à chaque série de mesure.
Pour cela nous commencerons par effectuer une analyse préliminaire des données brutes, en
vérifiant premièrement l’influence de la température sur les déflexions. Nous avons déjà vu en fin de partie sur
les essais croisés que les bassins de déflexions obtenus se « creusaient » davantage lorsque la température
augmentait. C’est donc ce que nous allons tenter de vérifier dans un premier temps à partir des données issues
de la campagne « Température », comme l’appelle le STAC.
Puis dans un second temps nous étudierons l’impact direct de la température sur les modules d’Young
des matériaux bitumineux. Pour cela nous devons déterminer ces modules durant les différents jours de
mesure. Nous utiliserons donc le logiciel PREDIWARE, qui effectuera des calculs inverses dynamiques des
modules voulus.
III- 2) Pré-analyse qualitative des données
Dans un premier temps il est important de visualiser l’impact de la température sur les mesures
expérimentales. Cette analyse a donc pour objectif de confirmer les hypothèses faites quant à la modification
du comportement mécanique des structures constituant la chaussée. Si celles-ci ne se révèlent pas
concluantes, cela voudrait dire que d’autres paramètres, comme la teneur en eau dans les matériaux au
moment de la mesure, rentreraient eux aussi en jeu et deviendraient une inconnue de plus à prendre en
compte dans le calcul inverse. Nous allons donc vérifier que ce n’est pas le cas
Toutes les mesures ont généralement été réalisées au même moment de la journée, à savoir entre 10h00
et 12h (Hormis les jours 9 et 14 pour lesquels les mesures se sont déroulées entre 14h et 15h). Ces horaires ne
sont cependant pas pertinents. En effet le guide d’auscultation au HWD [STAC 2014] nous informe qu’il est
préférable d’effectuer les mesures de nuit, car la température est relativement stable. Le créneau horaire
choisi pour cette manipulation n’est donc pas pertinent car la température varie jusqu’à 2°C dans certains cas.
La structure de la chaussée au niveau de dix points de mesures étant supposée homogène, cette variation peut
s’avérer significative. Cependant, l’homogénéité de la structure est remise en cause par les données de
mesure, qui nous prouvent que ce n’est pas le cas. En effet les déflexions mesurées ne sont pas identiques pour
chaque point lors des essais. De plus, l’écart relatif observé entre tous les points est constant sur l’ensemble
des essais. Nous pouvons donc en tirer plusieurs conclusions :
-
La structure de la chaussée n’est pas rigoureusement homogène au niveau des différents points de
mesure
L’incertitude de mesure au HWD est nettement inférieure à l’incertitude concernant l’homogénéité
de la chaussée.
Les variations de température constatées lors de certains essais sont finalement négligeables à côté
des différences de structure de la chaussée.
37
III- 2.1) Choix d’un point représentatif
La première étape consiste donc à déterminer un point représentatif. Ce point serait donc le point sur
lequel nous effectuons toutes nos analyses, afin de ne pas alourdir ces analyses sur dix points au total.
L’opération effectuée est similaire à la partie précédente : ce point est déterminé en observant, pour chaque
point les bassins de déflexion obtenus. Nous n’avons donc pas besoin de l’acquisition temporelle des données
pour l’analyse, nous n’utiliserons que les déflexions maximums relevées pour chaque géophone. Le point
choisi comme représentatif est le point pour lequel le bassin de déflexions obtenu est le plus proche du bassin
de déflexion moyen entre tous les points.
Pour confirmer le choix du point, nous avons effectué cette opération sur trois jours donnés. Les trois
jours choisis sont le jour où la température était la plus faible (Tmin ≈ 0°C), le jour où la température était la
plus proche de la température moyenne sur l’ensemble des mesures (Tmoy ≈ 15°C), et le jour où la
température était la plus élevée (Tmax ≈ 30°C). Nous sommons donc encore une fois les moyennes des
moindres carrés obtenues pour chaque géophone 𝑘 pour obtenir un taux de représentativité du point 𝑗 :
𝑘=13
𝑇𝑎𝑢𝑥 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑟é𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 𝑗 = ∑ (𝑑𝑘𝑗 − 𝑑𝑘𝑚𝑜𝑦 )
2
𝑘=1
Remarques :
-
-
Dans la partie II-5.1, nous avions divisé le tout par 𝑚 le nombre de géophones étudiés. Il n’est en effet
pas nécessaire de le faire, cette fois-ci au lieu de comparer une moyenne des écarts, nous comparons
simplement la somme, ce qui revient au même au final.
La valeur des déflexions utilisées pour chaque point correspondent à la moyenne des déflexions
maximales des trois chutes de l’essai.
Pour les deux séquences d’efforts et aux trois jours étudiés, nous remarquons que le point 5 présente
systématiquement le taux de représentativité le plus faible. Les prochaines exploitations et analyses seront
donc basées sur le point 5.
III- 2.2) Etude des déflexions
La seconde étape de notre analyse porte sur l’étude directe de l’influence de la température sur les
déflexions mesurées. Pour chaque jour de mesure, des relevés de température ont été effectués. Ces relevés
sont effectués toutes les dix minutes pour pouvoir avoir une idée précise de la température pendant la mesure
(l’ensemble des mesures effectuées sur les dix points prend environ une heure). Dans un premier temps, nous
recherchons l’heure de la mesure sur le point 5. Ensuite nous nous référons aux relevés pour connaître la
température de la chaussée au moment de la mesure. Bien que les relevés soient effectués à plusieurs
profondeurs, nous avons fait une moyenne de la température sur toute l’épaisseur de la chaussée pour
simplifier notre analyse.
Cette température pourra ensuite être associée aux relevés de déflexions effectués le même jour.
Pour chaque géophone, nous avons donc tracé l’évolution des déflexions mesurées en fonction de la
température relevée pendant la mesure. Le Graphique 11 présente les résultats obtenus pour l’effort le plus
élevé (280 kN) :
38
Déflexions en fonction de la température pour
chaque géophone
Déflections maximales mesurées (µm)
800
Geophone 1
700
Geophone 2
600
Geophone 3
500
Geophone 4
Geophone 5
400
Geophone 6
300
Geophone 7
200
Geophone 8
Geophone 9
100
Geophone 10
0
0
5
10
15
20
25
30
Geophone 11
35
Geophone 12
Température moyenne relevée lors de la mesure (°C)
Graphique 11 : Résultats obtenus sur l'ensemble des séries de mesure
La courbe n’est pas régulière, mais son allure générale correspond à nos attentes. Toutefois, pour épurer le
résultat obtenu, nous avons sélectionné certains points pour en tirer une courbe plus représentative :
Déflexions en fonction de la température pour
chaque géophone
Déflections maximales mesurées (µm)
800
Geophone 1
700
Geophone 2
600
Geophone 3
500
Geophone 4
Geophone 5
400
Geophone 6
300
Geophone 7
200
Geophone 8
Geophone 9
100
Geophone 10
0
0
5
10
15
20
25
30
Température moyenne relevée lors de la mesure (°C)
35
Geophone 11
Geophone 12
Graphique 12 : Amélioration de la visibilité des résultats obtenus, de par la sélection de certaines séries de mesure seulement
39
Nous observons donc que pour les géophones proche de la zone de charge, la température a un réel
impact sur l’intensité des déflexions. En effet une température élevée a tendance à engendrer des déflexions
plus importantes. Une précédente observation effectuée par le STAC a également montré que les géophones
les plus proches caractérisaient les couches supérieures (en l’occurrence les matériaux bitumineux) de la
chaussée. Cela confirme donc que les matériaux bitumineux subissent des changements viscoélastiques
majeurs lors d’une augmentation de température. En ce qui concerne les géophone les plus éloignés
(particulièrement à partir de 1,5m), nous remarquons que la température ne semble pas avoir d’effet sur les
déflexions mesurées. Or ces géophones traduisent théoriquement le comportement des couches de Grave
Non-Traitée (GNT) et du sol support, censées être indépendantes de la température.
Les différences entre les structures auscultées par les géophones proches ou éloignées s’expliquent
par les propriétés mécaniques des matériaux compressibles isotropes. Lorsqu’ils subissent une contraction
selon un axe de l’espace (de haut en bas dans notre cas), ces matériaux se dilatent selon les autres axes de
l’espace, comme le montre la Figure 20 ci-dessous.
Figure 20 : Explication graphique du coefficient de poisson
Le rapport entre l’allongement transversal et la contraction verticale est appelé coefficient de Poisson
. Dans notre cas il est de 0,3 pour les matériaux bitumineux et de 0,35 pour les couches inférieures. Dans
notre cas, l’application d’une charge au niveau de la plaque de chargement induit une compression successive
des différentes couches de la chaussée. Le coefficient de poisson de ces couches a donc un impact sur la
propagation de la déformation en profondeur. Il agit en effet sur l’angle formé entre la direction de la
propagation le long des différentes couches et une droite perpendiculaire à l’horizon de la chaussée
(𝑚𝑖𝑛 = 0 ⟺ 𝜃 = 0° ; 𝑚𝑎𝑥 = 0,5 ⟺ 𝜃 = 45°). La Figure 21 explique ce phénomène par une
représentation bidimensionnelle de la chaussée.
40
Figure 21 : Effet du coefficient de poisson sur la dispersion de la déformation subie par la chaussée suite à
l’application d’un l'effort sur la plaque de chargement
On observe donc que, proche de la plaque de chargement, nous auscultons bien le comportement des
couches de matériaux bitumineux, et qu’à mesure qu’on s’éloigne, nous observons plutôt le comportement des
couches plus profondes.
Avant d’en conclure définitivement sur le phénomène observé, nous devons dans un premier temps nous
assurer que les déflexions mesurées à l’aide des géophones éloignés sont réellement constantes. En effet en
représentant toutes les courbes sur un même graphique, l’échelle des ordonnées peut ne pas être adaptée
pour les variations les plus faibles. Par conséquent nous avons essayé d’isoler les réponses des géophones les
plus éloignés. Les courbes obtenues étaient inexploitables car les fluctuations observées n’avaient pas
beaucoup de sens. Nous avons donc décidé de normaliser toute nos courbes pour observer la variation réelle
des déflexions sur une échelle commune. Pour cela nous avons effectué les opérations suivantes pour chaque
géophone :
-
Calcul de la moyenne des déflexions 𝑑̅
𝑑
Division des déflexions 𝑑𝑖 mesurées le jour 𝑖, par la moyenne des déflexions : 𝑑𝑖𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑠é = ̅𝑖
𝑑
41
Nous obtenons donc la courbe normalisée suivante :
Déflexions normalisées en fonction de la température
pour chaque géophone
Déflexions normalisées (µm/µm)
1.4
Geophone 1
1.3
Geophone 2
1.2
Geophone 3
1.1
Geophone 4
1
Geophone 5
0.9
Geophone 6
Geophone 7
0.8
Geophone 8
0.7
Geophone 9
0.6
0
5
10
15
20
25
30
35
Température moyenne relevée lors de la mesure (°C)
Geophone 10
Geophone 11
Graphique 13 : Résultat obtenu après la normalisation des déflexions
L’observation précédente est donc confirmée : premièrement, plus l’on se rapproche de la zone de charge, plus
la température impacte les déflexions mesurées. Ensuite, les quatre derniers géophones (à partir de 1.5m) ne
subissent donc pas l’influence de la température. Notre observation est donc concluante, car elle permet de
confirmer les hypothèses établies précédemment et de prouver que la température est le principal facteur
de variations des déflexions dans nos mesures. Nous pouvons ainsi passer à l’étude des lois de correction en
température des modules d’Young.
III- 3) Correction en température des modules d’Young
III- 3.1) Lois préexistantes
Une précédente étude a déjà été menée dans le cadre du programme de Long Term Pavement
Performance (LTPP), autrement dit l’étude des performances des chaussées à long terme. Un document a été
publié il y a 16 ans [LTPP,2000], relatant l’étude de la température et la recherche de facteurs de corrections.
Cependant cette étude se base sur les chaussées en asphalte, c’est-à-dire les routes classiques et non les
chaussées aéronautiques. Les deux structures étant toutefois relativement semblables, les facteurs utilisés sont
les même que l’on soit en routier ou en aéronautique. Ma mission est donc de vérifier si ces lois s’appliquent
effectivement aux matériaux bitumineux utilisés dans l’aéronautique. Si ce n’est pas le cas je devrai donc
recaler ces lois ou en proposer de nouvelles plus pertinentes.
La publication LTPP présente les résultats d’une expérimentation similaire à celle réalisée par le STAC en 2013.
Une série de modules d’Young ont ainsi été rétro-calculés à différentes températures, pour obtenir au final un
nuage de points, présenté sur le Graphique 14.
42
Graphique 14 : Résultats de l'expérimentation réalisée à travers l’étude préexistante du programme LTPP
Comme prévu le module d’Young des matériaux bitumineux diminue lorsque la température
augmente. Ce graphique a été tracé à l’aide d’une échelle logarithmique, or nous remarquons que la
diminution semble linéaire à cette échelle. Par conséquent on peut définir la loi d’évolution du module de la
manière suivante : 𝑙𝑜𝑔10 (𝐸(𝑇)) = 𝛼 × 𝑇 + 𝛽 avec 𝛼 la pente de la droite de régression linéaire du nuage de
point obtenu, et 𝛽 le logarithme du module d’Young du bitume à 0°C. De manière conventionnelle on préfère
prendre comme référence le module à 15°C. L’équation de droite devient donc : 𝑙𝑜𝑔10 (𝐸(𝑇)) = 𝛼 ×
(𝑇 − 15) + 𝐸(15°𝐶) .
Les différentes expérimentations menées dans le programme LTPP montrent que la pente 𝛼 est
-1
-1
généralement comprise entre -0,0195 °C et -0,021 °C . Il existe ainsi un coefficient de correction en
température nommé ATAF (Asphalt Temperature Adjustement Factor), qui est actuellement la référence en
termes de correction en température des matériaux bitumineux. Ce coefficient permet de retrouver un module
𝐸𝑥 à la température voulue 𝑇𝑥 , à partir d’un module 𝐸𝑐 à une température connue 𝑇𝑐 :
𝐸𝑥 = 𝐴𝑇𝐴𝐹 × 𝐸𝑐 , avec 𝐴𝑇𝐴𝐹 = 10𝛼(𝑇𝑥−𝑇𝑐)
Cette loi s’applique néanmoins aux matériaux « standards », il m’a donc été confié de vérifier la pertinence de
celle-ci à travers les mesures réalisées au cours de la campagne « Température ».
43
III- 3.2) Rétro-calcul à l’aide du logiciel PREDIWARE
Comme nous l’avons précisé dans la partie x, PREDIWARE est un logiciel de calcul inverse dynamique
des modules d’Young des différentes couches de la chaussée. Il fonctionne sur le principe de la minimisation
d’une fonction de différence entre les déflexions théoriques, déterminées après avoir préalablement établi le
modèle mécanique de la chaussée, et les déflexions expérimentales relevées lors d’un essai HWD.
Contrairement aux différentes analyses effectuées jusqu’à présent, nous allons cette fois-ci utiliser l’acquisition
temporelle des déflexions.
Cependant, le logiciel d’acquisition des données HWD a été modifié suite à l’implantation de géophones
supplémentaires sur la poutre d’essai. Or PREDIWARE a été conçu lorsque le STAC utilisait encore l’ancienne
version, par conséquent il est nécessaire de remanier les fichiers de mesure de telle façon à ce qu’ils puissent
être lus par PREDIWARE. Les principales différences entre les deux versions sont les suivantes :
Tableau 7 : Comparaison des fichiers de données issus des deux versions du logiciel d'acquisition
J’ai donc commencé par sélectionner uniquement les 240 premiers relevés (les pics sont généralement
détectés lors des 60 premières millisecondes). J’ai ensuite passé en négatif toutes les déflexions, puis j’ai
déplacé la ligne correspondant à l’effort en dessous des lignes associées aux géophones, en y ajoutant une
𝐹
𝐹
correction pour obtenir des données de pression : 𝑃 = = 𝜋×∅2 , avec ∅ = 0,45 𝑚. Enfin, j’ai identifié les
𝑆
4
géophones communs aux deux versions pour sélectionner uniquement les mesures issues des géophones
présents dans la première version. Pour cela j’ai schématisé la répartition des géophones le long de la poutre
en Figure 22. A titre d’exemple les données du géophone 6 pour PREDIWARE sont les données du géophone 9
sur le fichier de mesure initial.
44
Figure 22 : Répartition des géophones sur la poutre de mesure selon la version du logiciel d'acquisition
Une fois les fichiers de données modifiés, nous pouvons passer à la partie calcul inverse. Le logiciel
PREDIWARE a été développé sous Matlab. Il est constitué de plusieurs programmes exécutables, chacun
associé à une fonction particulière du calcul inverse. La première étape est tout d’abord de créer un maillage, à
l’aide de l’une de ces moulinettes. Cette moulinette est directement reliée au logiciel CESAR v4, spécialisé dans
la modélisation de structures.
Le maillage correspond à la génération d’une structure mécanique sous la forme d’une décomposition
en éléments finis. Autrement dit, le logiciel CESAR génère la structure de la chaussée et la « quadrille » de
manière à décomposer la chaussée en une somme d’éléments structurels finis. La Figure 23 présente un
exemple de maillage réalisé à partir de la structure d’une chaussée aéronautique :
Figure 23 : Exemple de maillage régulièrement utilisé par le STAC
La plaque de chargement est elle aussi représentée. Pour optimiser le rapport précision/rapidité du
calcul inverse, le maillage est très fin en dessous de cette dernière, et de plus en plus grossier à mesure que
l’on s’en éloigne.
Chaque élément fini va donc être soumis à une simulation mécanique en fonction de l’historique
temporel de la pression exercée au niveau de la plaque de chargement. Cette simulation traduit ainsi le
comportement théorique des différentes couches définies lors du maillage suite à l’application de la charge. Il
est donc important de rentrer des paramètres pertinents lors de la création du maillage sous CESAR. En effet
nous définissons le nombre de couches et les caractéristiques de chacune d’elles : masse volumique, module
d’Young initial, coefficient de poisson et épaisseur. Plus ces paramètres sont fidèles à la réalité, plus le calcul
inverse sera efficace.
45
Je me suis donc reporté aux données renseignées dans le manuel de la planche [STAC,2012], afin d’y
trouver les données obtenues en laboratoire pour les matériaux utilisés dans les chaussées souples.
Concernant les épaisseurs nous nous sommes basés sur la cartographie radar de la planche (cf. Figure 10), et
avons arbitrairement estimé des épaisseurs moyennes de chaque couche.
Nous avons donc choisi de définir quatre couches : BBA, GB, GNT B et Sol. Les deux couches
successives de GNT B ont été rassemblée en une seule et même couche pour accélérer les temps de calcul et
car ce ne sont pas les couches qui nous intéressent dans notre étude. Le maillage généré est bidimensionnel de
dimension 6𝑚 × 6𝑚, la profondeur de la dernière couche (Généralement du sol) est donc déterminée
automatiquement pour s’agencer avec ces dimensions. Le Tableau 8 récapitule les différents paramètres
choisis pour la création du maillage :
Tableau 8 : Paramètres choisis pour la structure utilisée dans les calculs inverses
Une fois le maillage généré, nous pouvons passer au calcul inverse. Tout d’abord, il est préconisé de
fixer le nombre maximum d’itérations à 20, pour avoir une marge raisonnable avant d’atteindre la
convergence des modules rétro-calculés. Chaque itération peut durer de 45s à quelques minutes selon les
paramètres de calculs choisis. C’est pourquoi le temps de calcul peut être colossal si l’on n’optimise pas les
méthodes d’identification du logiciel. Premièrement, le logiciel contient une moulinette qui réduit
considérablement les temps de calcul. En plus de cela, le logiciel est équipé d’une option de « découpage » du
signal expérimental. En choisissant cette option, le logiciel ne va garder du fichier de mesure que les
acquisitions effectuées tous les N pas de temps. Dans notre cas, nous avons choisi N=3, par conséquent le
fichier comportant initialement 240 données est découpé en un fichier moins lourd de 80 données. Finalement
le temps de calcul total des 20 itérations d’un calcul inverse s’est avéré être de 15 à 20 minutes, ce qui est
raisonnable pour le calcul d’une vingtaine de modules d’Young au total.
III- 3.3) Calage des lois en température
Nous avons donc décidé de tracer l’évolution des modules en fonction de la température à partir du
point 5 (point représentatif) de chaque série de mesure. Pour chaque rétro-calcul nous avons arbitrairement
choisi la séquence contenant l’effort le plus élevé (280 kN), et la troisième chute de la séquence.
A la fin de chaque rétro-calcul, le logiciel PREDIWARE enregistre les résultats sous la forme de deux fichiers et
d’une animation vidéo relatant l’évolution du modèle théorique établit à chaque itération. Ces deux fichiers
contiennent globalement les même résultats, mais sous deux formes différentes :
-
Le premier fichier résume, pour chaque itération, l’évolution des déflexions théoriques obtenues à
chaque géophone.
Le second fichier recense, pour chacun des géophones, les déflexions théoriques déterminées à
chaque itération.
46
Ces deux fichiers contiennent également l’évolution des modules rétro-calculés à chaque itération. Le
Graphique 15 en est un exemple :
30000
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
5
10
15
20
[●: GNT & Sol] Modules rétro-calculés (MPa)
[: BBA & GB] Modules rétro-calculés (MPa)
Evolution des modules déterminés à chaque
itération
Itération
Graphique 15 : Exemple de résultat de calcul inverse
Une fois une certaine convergence atteinte (ici à partir de l’itération 11), les modules sont assez peu
variables, nous choisissons donc l’itération qui parait la plus cohérente avec la réalité, en s’aidant également
du fichier d’animation. Les modules obtenus sont ensuite associés aux températures relevées lors de la mesure
pour tracer leur évolution. Les deux seules couches qui nous intéressent sont les couches bitumineuses de BBA
et de GB. Les résultats obtenus en échelle logarithmique pour chacune des structures sont les suivantes :
Modules d'Young rétrocalculés (MPa)
Module d'Young du BBA en fonction de la
température
10000
1000
0
5
10
15
20
25
Température (°C)
Graphique 16 : Synthèse de l'ensemble des modules de BBA rétro-calculés
47
30
35
BBA
GB
GNT
Sol
Module d'Young du GB en fonction de la
température
Modules d'Young rétrocalculés (MPa)
100000
10000
1000
0
5
10
15
20
25
30
35
Température (°C)
Graphique 17: Synthèse de l'ensemble des modules de GB rétro-calculés
Conformément à la théorie, la BBA semble avoir une diminution linéaire en échelle logarithmique par
rapport à la température. Par contre cela est plus compliqué pour la GB, en effet la linéarité paraît rompue à
partir de 15 °C. Après une étude des différentes configurations possibles, la droite régression la plus adaptée à
chaque structure est la suivante :
Logarithme du module d'Young retrocalculé
Logarithme décimal du module d'Young de la
couche de BBA en fonction de la température
4.1
4
3.9
3.8
Log(E) = -0,0219  T + 4,0477
R² = 0,9554
3.7
3.6
3.5
3.4
3.3
0
5
10
15
20
25
30
Température (°C)
Graphique 18 : Tendance d’évolution du module d'Young de la BBA sous l’effet d’un gradient de température
48
35
Pour la BBA nous retrouvons bien la droite 𝑙𝑜𝑔10 (𝐸(𝑇)) = 𝛼 × 𝑇 + 𝛽. De plus, la pente obtenue est
-1
de 𝜶 = −𝟎, 𝟎𝟐𝟏𝟗 °𝑪−𝟏 , ce qui est proche de la valeur théorique de -0,021 °C établie dans les lois de
correction actuelles. Nous pouvons donc considérer à première vue que les lois établies décrivent bien le
comportement de la couche de surface des chaussées souples aéronautiques
Module d'Young du GB en fonction de la
température
Modules d'Young rétrocalculés (MPa)
40000
35000
30000
E = -1129,4  T + 36672
R² = 0,917
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Température (°C)
Graphique 19 : Tendance d’évolution du module d'Young de la GB sous l’effet d’un gradient de température
Concernant la GB, la loi décrivant le mieux les résultats obtenus est une régression linéaire des valeurs
obtenues sur une échelle linéaire. Cependant cette représentation est difficile à valider de par la dispersion des
modules rétro-calculés, comme le traduit le coefficient R², trop faible pour proposer une loi de correction
pertinente.
Par faute de temps je n’ai pas pu obtenir davantage de résultats concernant les modules rétroer
calculés. Mon stage se poursuivant jusqu’au 1 juillet, ma mission sera de compléter ces observations par
d’autres séries de calcul inverse. Pour cela nous répèterons la précédente manipulation pour le deuxième
effort (125 kN), mais aussi sur d’autres points de mesures. L’objectif est d’une part de confirmer les
observations faites sur la couche de BBA, en proposant si possible une pente 𝛼 de référence pour ce matériau,
qui sera utilisée à l’avenir. Puis dans un second temps je tenterai de préciser les observations effectuées sur la
couche de GB, à partir des résultats obtenus à la suite des autre séries de calcul inverse, dans l’optique de
proposer si possible une loi de référence comme pour la BBA.
49
Conclusion
Ce stage en entreprise m’a permis d’acquérir une première expérience dans le monde du travail. Le
côté professionnel des missions que j’ai réalisé m’a beaucoup et j’espère avoir l’occasion de retravailler dans
un cadre comme celui-ci par la suite. De plus j’ai pu découvrir une facette de l’aéronautique très intéressante
et étroitement liée avec plusieurs domaines explorés en Mesures Physiques. Ce stage a été gratifiant pour moi
et je pense avoir fait de mon mieux pour qu’il l’ait été également pour l’entreprise.
La campagne d’essais croisés m’a fait prendre conscience de la difficulté d’exécution d’un tel projet. En
effet divers paramètres ont perturbé l’analyse et ont donc dû être retirés. Malgré cela j’ai su faire avec et
proposer des résultats intéressants pour le STAC. Quasiment toutes les données analysables ont été corrigées
de manière à rendre possible la comparaison des résultats entre le HWD et les autres appareils.
Pour l’instant nous sommes encore en attente de l’analyse des autres organismes, mais je resterai
certainement en contact avec l’équipe de travail après mon stage pour suivre l’évolution des résultats, et
pourquoi participer à l’inter-comparaison.
Enfin la dernière partie concernant l’étude de l’influence de la température sur les matériaux
bitumineux m’a beaucoup intéressée, car j’ai pu solliciter un grand nombre de connaissances issues de
nombreux enseignements de Mesures Physiques. Cette étude m’a paru concrète, ce qui m’a permis
d’apprendre beaucoup de nouvelles choses que je ne connaissais pas auparavant.
J’ai donc pu prouver après une analyse qualitative des données expérimentales que la température avait une
réelle influence sur les bassins de déflexions mesurés.
Bien que ma formation sur le logiciel Prediware se soit faite un peu tardivement, j’ai pu proposer par
la suite des résultats à l’aide des modules d’Young rétro-calculés. Les lois de calage existantes semblent donc
bien s’agencer avec la couche de surface en BBA. En revanche elles ne paraissent pas du tout cohérentes avec
la couche de base en GB. Dans les deux cas, des expérimentations supplémentaires seront menées jusqu’à la
er
fin de mon stage la 1 juillet, dans l’optique de confirmer ou réfuter ces premières observations.
50
Références Bibliographiques
[Broutin, 2010] Michaël Broutin, « Assessment of flexible airfield pavements using Heavy Weight
Deflectometers. Development of FEM dynamical time-domain analysis for the backcalculation of
structural properties », Thèse, Ecole Nationale des Ponts et des Chaussées, Marne la Vallée, France
(2010).
[STAC, 2014] « Auscultation des chaussées souples aéronautiques au HWD», Guide technique,
Service Technique de l’Aviation Civile, Bonneuil-sur-Marne, France (2014).
[LTPP, 2000] Erland O. Lukanen, Richard Stubstad, Robert Briggs « Temperature Predictions and
Adjustement Factors for Asphalt Pavements», Publication scientifique, US Department of
Transportation, Federal Highway Administration, Long Term Pavement Programm, United-States
(2000).
[STAC, 2012] « Manuel technique de la planche instrumentée du STAC», Manuel technique,
Service Technique de l’Aviation Civile, Bonneuil-sur-Marne, France (2012).
51
ANNEXE :
Analyse type d’un fichier HWD
Les acquisitions réalisées sont enregistrées automatiquement dans un fichier au format FWD. Ce fichier
restitue l’ensemble des mesures réalisées lors d’une série d’essais, il se décompose en trois sections,
distinguées par des « $ » suivis du numéro de section.
La section 1 comporte les informations relatives au fichier de mesure. Elle relate les différents paramètres et
configurations utilisés lors des mesures.
La section 2 renseigne quant à elle le nom du point de mesure auquel appartiennent les différents relevés
effectués dans la section 3.
Enfin, la section 3 est la plus importante car elle contient l’ensemble des informations nécessaires à
l’exploitation des données de l’appareil. Elle est partagée parmi les différentes séquences de chutes effectuées
sur un même point. Pour chacune de ces séquences il est renseigné le nombre de chutes qu’elle comportera
ainsi que la hauteur de la masse tombante lors de ces chutes.
Ensuite, l’acquisition d’une chute contient une ligne dédiée aux mesures d’effort et 13 lignes dédiées aux 13
géophones (Sensor) de la poutre d’essai. Les relevés sont effectués toutes les 0,25 ms (F échantillonage = 4000 Hz)
pendant 0,12 s pour un total de 480 relevés par capteur. Ils sont contenus de la colonne 4 à la colonne 483
(Sous Excel : colonne D à RO). Enfin, la colonne 3 ( C sur Excel ) renseigne la valeur maximale obtenue sur
chaque capteur lors de la mesure. Ce sont ces valeurs maximales, également appelées amplitudes, qui seront
majoritairement exploitées lors des analyses.
52
Récapitulatif d’un fichier de données sous la forme d’un exemple de mesure sur 2 points, à deux hauteurs de
chutes différentes (2 séquences), avec 3 chutes par séquence :
$1
Information sur le fichier de mesure
$2
Nom du premier point de mesure
$3
Séquence 1/2 3 Chutes
Chute 1
Capteur d'effort
Valeurs max
Géophones 1 à 13
Chute 2
Capteur d'effort
Valeurs max
Géophones 1 à 13
Chute 3
Capteur d'effort
Valeurs max
Géophones 1 à 13
$3
Séquence 2/2 3 Chutes
Chute 1
…
Chute 3
Capteur d'effort
Géophones 1 à 13
Données
Données
Données
Données et valeurs maximales recueillies lors des chutes 1 et 2
Valeurs max
Données
$2
Nom du second point de mesure
$3
Séquence 1/2 3 Chutes
…
Données et valeurs maximales recueillies lors des trois chutes
$3
Séquence 2/2 3 Chutes
…
Données et valeurs maximales recueillies lors des trois chutes
53