1 Formation SHWD – Principes de mesure CST Colas - 11 Juin 2012 ; Magny les Hameaux Michaël BROUTIN Chef du programme Auscultation des chaussées Service

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Formation SHWD – Principes de mesureCST Colas - 11 Juin 2012 ; Magny les Hameaux

Michaël BROUTINChef du programme Auscultation des chaussées

Service technique de l’aviation civile (STAC)Département Infrastructures Aéroportuaires

Division Etudes et Recherche

[email protected]

Formation HWDPrincipe de mesure

12 Juin 2012, CST Colas, Magny les Hameaux

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Introduction générale : de l’auscultation des chaussées

I - Présentation des matériels de mesure de déflexions

II - Présentation du SHWD

1- Schéma général

2- Fonctionnement des capteurs

3- Charge appliquée et enregistrement des données

4- Fonctionnement du logiciel

Conclusion générale : vers la phase d’analyse

Organisation de la présentation

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Auscultation des chaussées


Evaluations régulières des chaussées nécessaires afin d’optimiser leur gestion.

Historiquement : sondages destructifs Années 60-70 : apparition des premiers appareils

d’auscultation non destructive des chaussées (NDT devices) Politique de gestion communément admise : coupler les

inspections visuelles (méthode de relevé des dégradations suivant la méthode Indice de Service (IS)) avec des appareils d’auscultation structurelle non destructive des chaussées.

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Critères de choix d’un NDT


1- Le test réalisé doit simuler le plus fidèlement possible les charges roulantes accueillies par la chaussée,

2- Un appareil à haut rendement est nécessaire, afin de pouvoir atteindre un échantillonnage spatial des essais compatible avec la détection de zones faibles et de défauts,

3- Les précisions de mesures doivent être compatibles avec l’analyse ultérieure, et les informations recherchées.

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Critère 1 : Simuler le passage d’une charge réelle


L’essai doit reproduire le plus fidèlement le passage d’une charge réelle, en termes de :

Forme et durée de la sollicitation reçue par la structure,

Durée de sollicitation : paramètre fondamental dans le cas de l’auscultation des chaussées bitumineuses (matériaux fortement viscoélastiques)

Niveaux de déformation.

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Forme et durée de la sollicitation appliquée à la chaussée


Du fait de la forte dépendance en fréquence des matériaux bitumineux, il convient, pour l’auscultation des chaussées souples de :

- Réaliser les essais dans une gamme de durée de sollicitation cohérente avec les passages des charges réelles,

- Appliquer, pour la phase d’analyse ultérieure, des corrections en fréquence.

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Forme et durée de la sollicitation appliquée à la chaussée


Critère : déformation relative de traction à la base des matériaux bitumineux

Dt

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Niveaux de sollicitation


Les matériaux granulaires et le sol support peuvent présenter des comportements non-linéaires avec les niveaux d’efforts appliqués.

Il convient donc :

- d’appliquer à la structure des niveaux d’efforts comparables aux efforts réels reçus par la chaussée,

- si possible, de réaliser des essais à différents niveaux de chargement, afin d’appréhender le caractère non-linéaire de ces matériaux.

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Critère 2 : Rendement de l’appareil


Mesures en continu vs discrètes

Cas de mesures discrètes : Importance de resserrer les points

[Bay and Stokoe, 2008]

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Critère 3 : Appareils de précision


Veiller à ce que l’essai soit adapté aux attentes en terme de précisions sur les résultats de l’analyse (propriétés matériaux, portance, durée de vie résiduelle de la chaussée) qui sera faite des données :

Justesse des mesures « Bonnes » répétabilité/reproductibilité

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3 grands types de NDT


Etudes de l’évolution des déformations permanentes du complexe chaussée/structure

Méthodes sismiques

Mesures de déflexion

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Appareils de mesure de déflexion

I – Présentation des matériels de mesure de déflexions

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Quatre types d’appareils :

En fonction du type de sollicitation appliquée à la chaussée :

Chargements statiques, ou charges roulantes quasi-statiques

Chargements vibratoires

Mesures de déflexion en continu sous charges roulantes

Chargements impulsionnels


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Appareils à chargement quasi-statiques, ou charges roulantes lentes

A – Mesures « manuelles »

Mesures de déflexion au passage d’une roue + placement « manuel » de :

Poutre Benkelman [A.C Benkelman, US Bureau of Public Roads, 1953]

Système inclinométrique du STAC

Autres ?..


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Poutre Benkelman


Photo LCPC Photo John Harvey

Système de poutre à balancier avec base de référence Comparateur au 1/100mm ; d = valeur lue × 2 Mesures ponctuelles Ligne d’influence ; pas de bassin de déflexion

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Système inclinométrique du STAC


Système d’inclinomètres dans le sens transverse Obtention d’un bassin de déflexion par intégration spatiale STAC : utilisation du jumelage A340 d’Airbus

Photos D. Guédon ; LR Toulouse

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B – Mesures « automatisées »

Déflectographe- France : Déflectographe Lacroix, [Lacroix, 1963] ;

nombreuses versions, jusqu’à l’actuelle, « Flash ».- RU : Traveling Deflectometer [Zube & Forsyth, 1966]

Curviamètre

- CEBTP ; cf [Paquet, 1977]


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Appareils à chargement vibratoire

Application de chargements vibratoires par : - Masses excentrées mises en rotation- Systèmes hydrauliques

Différents types de sollicitations : - Différents niveaux d’effort moyen- Différentes amplitudes de la partie variable


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Appareils à chargement vibratoire

Principaux appareils : Vibreur WES 16-kips Dynaflect RoadRater Rolling Dynamic Deflectometer (RDD)


Essai stationnaire

Charge roulante

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Vibreur WES 16 kips


Photo : US army website

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Mesures de déflexion en continu (charges roulantes)

Différentes techniques de mesure: - Mesures de distances à l’aide de lasers- Utilisation de lasers à effet Doppler- Lumière structurée

Principaux appareils : - Traffic Speed Deflectometer (TSD), Rolling Wheel

Deflectometer, Rolling Weight Deflectometer; Road Deflection Tester, ….


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TSD


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Technologies d’avenir

Pas encore au point + coût prohibitif

Pour le moment : relevé à grand rendement pour découpage en zones homogènes ; en préparation de campagnes HWD


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Avantages/inconvénients des différents NDT


Tableau récapitulatif

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SYSTÈME DE MASSE TOMBANTE

Création d’un chargement impulsionnel supposé simuler le passage d’une roue d’avion

ENREGISTREMENT DES DEFLEXIONS SURFACIQUES

A l’aide de géophones*

Principe de mesure

II – Présentation du SHWD1 – Schéma général

Tampons caoutchoucHauteur de chute H0

Masse M0

Plaque de chargement

Plaque de chargement ; Capteur d’effort + géophone G1 au centre

G9G8G7G6G5G4G3G2

Chaussée

* Schéma = Cas des chaussées souples : utilisation de G1 à G9 (Version « standard » du HWD)

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Disposition des géophones vs type de structure auscultée


G8

G1

Sens de déplacement

Véhicule tracteur

G4b

G8b

G6b

Barre de mesure principale

Barre de rallonge

G9 G7 G6 G5G4G3G2 G1

Géophones

Joints (chaussées rigides)

Partie utile (chaussées souples)

Partie utile (chaussées rigides)

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SHWD sur chaussées souples

Configuration par défaut (9 géophones)


Configuration STAC (13 géophones + 2 déportés)

Géophone G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9

d [cm] 0 30 40 60 90 120 150 180 210

Géophone G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10 G11 G12 G13 G17 G18

d [cm] 0 30 40 50 60 75 90 105 120 150 180 210 240 -4000 -6000

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SHWD sur chaussées souples

Barre déportée :


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Exemple de résultats bruts

F max= 239 kN

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

0 10 20 30 40 50 60

temps [ms]

Effort [kN]

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

Effort [kN]

Déflexions

G1

G9

Déflexions [µm]

Dt

La réponse de la chaussée dépend du signal d’effort appliqué, i.e. principalement de Fmax et Dt

Il faut donc cibler pour l’essai, pour ces deux paramètres, des valeurs cohérentes avec le trafic attendu


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Représentativité de l’essai HWD en termes de temps de chargement

Le chargement HWD doit être représentatif du passage d’une roue- en termes d’amplitude- en termes de temps d’impulsion

Relation Dt HWD vs Vroue dépendante de la chaussée

Structure de chaussée utilisée pour l’étude :

Charge HWD de référence : 300kN sur plaque de 45cm


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Relation vitesse / temps de chargement

Relation entre Dt HWD et les pseudo-fréquences « ressenties » par les matériaux

1 - Calcul théorique (PREDIWARE, STAC)

Charge HWD de référence : 300kN sur plaque de 45cm

Signal Dt [ms] f [Hz]Effort F(t) 29,75 33,6Déflexion d(t) 37 38,5Déformation relative de traction à la base du BB eXX_BB(t)=eYY_BB(t) 26 31,5Déformation relative de traction à la base de la GB eXX_GB(t)=eYY_GB(t) 31,75 33,6Déformation relative verticale de compression au sommet de la GRH eZZ_GRH(t) 29,75 30,3Déformation relative verticale de compression au sommet du sol eZZ_Sol(t) 33 27,0


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Relation entre Dt HWD et les pseudo-fréquences « ressenties » par les matériaux

2 – Validation expérimentale (Planche d’essais de Bonneuil)

Signal Dt [ms] f [Hz]Effort F(t) 30 33,6Déflexion d(t) A compléterDéformation relative de traction à la base du BB eXX_BB(t)=eYY_BB(t) Non dispoDéformation relative de traction à la base de la GB eXX_GB(t)=eYY_GB(t) 31 32,25Déformation relative verticale de compression au sommet de la GRH eZZ_GRH(t) 31 32,25Déformation relative verticale de compression au sommet du sol eZZ_Sol(t) 34 29,5

Très bonne validation expérimentale

Conclusion : légère augmentation de Dt avec la profondeur due à des problèmes de diffusion ; cependant, au premier ordre, Dt considéré comme constant


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Relation entre Dt HWD et la vitesse de passage de la roue

- V = l×f avec V vitesse de passage de la roue, l la largeur du « bassin de déformation relative » considéré, et f la pseudo-fréquence.

- l augmente avec la profondeur (phénomène de diffusion),- On considère pour la relation V vs f, la déformation relative longitudinale à la

base des matériaux bitumineux : eXX (bas GB)

l/2

e[µdéfs]


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II – Présentation du SHWD4 – Charge appliquée et enregistrement des

données

Calcul théorique de /2 l (PREDIWARE)

=> /2 l ~ 1,5m

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Validation expérimentale (planche STAC)

=> Valeur de 1,5m confirmée


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Quelques valeurs numériques :

=> Pour atteindre une gamme de variation de vitesses simulées de 20 à 200km/h, prévoir des variations de Dt de 30 à 500ms

Temps d’impulsion du signal d’effort HWD [ms]

Vitesse de la roue [km/h]

540 20150 7033 320

Rappel : valeurs obtenues sur la structure de référence choisie => légèrement variables suivant les épaisseurs et propriétés mécaniques


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Incidences sur Fmax et Dt de la configuration matérielle

Les caractéristiques du signal d’effort dépendent de 4 paramètres :

la masse statique M0 laissée tomber, sa hauteur de chute H0, le système d’amortissement (tampons en caoutchouc, de rigidité

surfacique apparente k), la chaussée.

Le dernier élément est imposé et subi. Les trois autres sont des paramètres de l’essai, ajustables.


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Leur influence relative peut être résumée ainsi :

Une augmentation de M0 induit une augmentation de Fmax et de Dt,

Une augmentation de H0 induit une augmentation de Fmax et une diminution de Dt,

Une augmentation de k induit une augmentation de Fmax et une diminution de Dt,


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Dans la pratique changements de masses et de système de tampons fastidieux

-> Faire varier H0

STAC : système de tampons « durs » (dureté SHORE 75) + M0 = 720 kg

-> Dt~30 ms ; 70<Fmax<300kN


=> Avec la gamme de Dt fournie par le matériel, essai représentatif du passage d’une roue sur piste

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Utilisation des résultats

Détermination des caractéristiques mécaniques des matériaux constitutifs par calcul inverse

Méthodes courantes = pseudo-statiques, i.e. - Reconstitution d’un bassin de déflexion pseudo-statique- Modélisation de la chaussée sous effort statique Fmax, - Minimisation de f :

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,,,,, stdstaprHEwqf kkk

m

kk

=> Voir deuxième jour pour les détails de la résolution


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Capteurs du HWD

Capteur d’effort Intégré à la plaque de chargementCapteur d’effort C6A de HBM, 500kN*

GéophonesSolidaires de la surface de la chausséeGéophones SM-6 *, gamme de mesure 4mm

* Pour le matériel Carl Bro

II – Présentation du SHWD2 – Fonctionnement des capteurs

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Fonctionnement d’un géophone


Noyau cylindrique aimanté dans une bobine

Dessins Georges Kouroussy, 2004

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Le fonctionnement mécanique du géophone peut être modélisé ainsi :

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Mise en équations :

x = déplacement de la masse aimantée ; y = déplacement du boîtier du géophone

En posant : z = (x − y), et sachant que la tension induite u est proportionnelle au déplacement relatif de l’aimant par rapport à la bobine , il vient, en posant H(w) la fonction de transfert tension/vitesse de déplacement du géophone :

avec et

respectivement la pulsation propre du géophone et l’amortissement réduit

zGu

0 yxkyxcxm

0

220

2

2

jG

y

uH

m

k0

02

m

C

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Le géophone est donc un capteur de vitesse de déplacement La fonction de transfert H(w) définit la sensibilité du capteur ; elle

s’apparente à un filtre passe-haut

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Corrections possibles : Matérielle : utilisation d’un pré-amplificateur avec une courbe de

réponse inverse à celle du géophone Numérique : application d’une fonction de transfert corrective, en

post-traitement

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Mesures lors d’un essai 1- Buffering sur la valeur d’effort mesurée ; écrasement boucle

et en continu des données sur une période de 3? ms 2- Lorsque la valeur seuil est atteinte : déclenchement de la

mesure : A – Tare sur les différents signauxB – Acquisition :

-Fréquence d’échantillonnage = 4 kHz/voie -Ancienne version (2005) du HWD : mesure démultiplexée ; nouvelle version : mesures en parallèle

C – Traitement : - Tous capteurs : application des gains et corrections- Géophones : application des fonctions de transfert + intégration des signaux de vitesse pour obtenir les historiques de déflexions

Intégré à la plaque de chargementCapteur d’effort C6A de HBM, 500kN*

GéophonesSolidaires de la surface de la chausséeGéophones SM-6 *, gamme de mesure 4mm

* Pour le matériel Carl Bro


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Etalonnage de la voie de mesure


Comparaison de la réponse du géophone + de sa chaîne de mesure

avec celle d’un LVDT étalonné

Géophones et LVDT mis en parallèle

Balayage en fréquence Ajustement de la

fonction corrective de la voie

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Fréquence d’étalonnage


Apparaît être de la sur-qualité Possibilité de vérifier son matériel, et ne procéder au ré-étalonnage

qu’en cas de dérive supérieure aux tolérances

Ex : site du STAC

- Système de pesage dynamique de précision- Ancrages profonds

Fréquence d’étalonnage préconisée par les constructeurs = 1 an

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Etendue des mesures acceptables


données

Effort appliqué

- Variable entre 70 et 300 kN environ (cf structure)

- Nécessité d’appliquer une charge en adéquation avec la structure et le trafic accueilli

Déflexions mesurées

- Gamme de mesure : 0 - 2000 µm

- Déflexion cible 1500µm (cf problèmes d’homogénéité)

Logigramme

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Incertitudes en fonction des structures


données

Mesure très répétable/reproductible Différence entre 2 essais provient en général des hétérogénéités de la

structure (épaisseurs, propriétés des matériaux)

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Interprétation des formes de courbe


données

Détection de comportements non-linéaires et/ou de présence de substratum peu profond : utilisation des modules de surface

1

2

1

1

d

pafE

rd

pa

r

a

d

paE

iii

222 11

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données

Détection de comportements non-linéaires et/ou de présence de substratum peu profond

Apparent

pavement

stiffness

Apparent

subgrade

modulus

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données

Comment isoler la non-linéarité de la présence d’un substratum peu profond :

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Correction des déflexions en fonction de la charge


données

Normalisation des résultats (pour détection de zones homogènes pas exemple) = Problème complexe car concurrence entre Fmax et Dt

Préconisation STAC : ne pas normaliser

Decreasing fall height

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Logiciel d’acquisition des données Carl Bro

II – Présentation du SHWD4 – Fonctionnement du logiciel

Présentation de la version 2005

Remarque : version 2011 ; nouvelle interface ; gestion des fichiers en bases de données

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Configuration du logiciel avant essai

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Entrée des données d’essais

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Lancement d’un essai

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Résultats

A l’écran Fichiers de sortie

Maxima (fichier .fwd)

Historiques (fichier .his)

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Tableau récapitulatif

Conclusion générale

Conclusion générale

Bilan

Vers la phase d’analyse

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Merci de votre attention

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Study framework

70


Study framework

71


Study framework

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Remorque de portance du STAC


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Principe de l’essai sur chaussées souples


Tester le complexe sol/chaussée à la fatigue sous chargements répétés

Séries de 10 cycles de chargt-déchargt => charge admissible

Charge P nulle

Chargement +Palier de 10 s

Déchargement rapide + palier à effort nul

1er cycle

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Principe de l’essai sur chaussées rigides


Déterminer la charge produisant dans le béton une contrainte de traction à la flexion égale à la contrainte admissible

Charge de service déterminée en fonction du critère le plus pénalisant entre les déformations verticales et l’élongation horizontale

Mise en Place Essai sur chaussée rigide

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Avantages/inconvénients


Essais en vraie grandeur Méthode empirique :

analyse simplifiée

Application de charges très lentes => problèmes de fluage pour les chaussées souples avec fortes épaisseurs de matériaux bitumineux, à température élevée, …

Interpolation 10->104 cycles Faible rendement

(30min/point d’essai)

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Méthodes sismiques


Analyse de la propagation des ondes de surface

[Hildebrand, 2002]

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Méthodes sismiques


Analyse de la propagation des ondes de surface

[Yuan et al., 1998]

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Avantages/inconvénients


Essai simple ; bon rendement

Détermination des propriétés mécaniques de l’ensemble des couches de la structure

Sollicitation très éloignée des chargements réels :

- Fréquences de l’excitation très élevées -> influence sur le comportement matériaux bitumineux

- Niveaux de déformation très faibles (facteur 1000) -> problème de comportement non linéaire des matériaux non liés

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Méthodes sismiques


Non linéarité des matériaux granulaires et du sol

[Puech et al., 2004]

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Déflectographe


Tests à la poutre Benkelman automatisés au passage des demi-essieux arrière (i.e. 1 poutre Benkelman par demi-essieu)

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Caractéristiques du chargement : Vitesse de déplacement : 5km/h déflectographe

Lacroix ; 8km/h pour la version Flash Charge : 65-80 kN

Réalisation d’un essai: Mise en place de la poutre devant le demi-essieu Mesure Benkelman sous passage de la roue Enlèvement de la poutre

=> Mesures discrètes ; 1 essai / 4m

Déflectographe

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Exploitation standard : Outil de suivi de réseau : études d’homogénéité sur de

grandes sections ; détection de zones faibles Utilisation de la courbure : C(x) = d’’(x)/V2

d = la dérivée seconde spatiale de la déflexion

V = la vitesse de déplacement du véhicule

Déflectographe

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Inconvénients de ce matériel : Vitesse de déplacement très lente : - Faible rendement - Problèmes d’opérabilité- Fréquence de sollicitation non représentative du trafic réel :

apparition de problèmes de fluage Longueur de poutre trop faible pour s’assurer d’une

référence fiable, i.e. la référence supposée est en réalité dans la zone d’influence du demi-essieu

Charges trop faibles pour des auscultations de chaussées aéronautiques

Mesures discrètes et non continues

Déflectographe

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Curviamètre


Tests de déflexion automatisés, à l’aide d’un géophone au passage d’un demi-essieu

Configuration matérielle : 3 géophones sur une chaîne de 15m ; chaîne au sol 2,5m devant le demi-essieu jusqu’à 1,5m derrière

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Caractéristiques du chargement : Vitesse de déplacement : 18km/h Charge : 65 kN

Curviamètre

Tare sur le géophone devant l’essieu (à 2,5m) Passage de l’essieu ; mesure par le géophone, entre +2,5m et

-1,5m de la vitesse verticale de déplacement surfacique de la chaussée (-> déflexion par intégration temporelle)

Géophone suivant en place, après 1/15 tour, i.e. 1 m plus tard pour la mesure suivante

=> Mesures discrètes ; 1 essai / 5m

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Exploitation standard : Idem que déflectographe

Inconvénients de ce matériel : Idem que pour le déflectographe Vitesse de déplacement plus élevée néanmoins

Curviamètre

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Lumière structurée


observation direction

CameraProjector

Face sight

Top sight

projected fringes

Objectp

pp

h

p a

incidence of light


z

x


CameraProjector

Face sight

Top sight

projected fringes

Object


CameraProjector

Face sight

Top sight

projected fringes

Objectp

pp

h

p a

incidence of light


z

x

p

pp

h

p a

incidence of light


z

x

Dh = pp - pa / tan a

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Reconstitution d’un bassin pseudo-statique

r


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Système de pesage dynamique de précision


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Ancrages profonds


schéma D.Guédon, LR Toulouse

Documents

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