Piste d’essais du CEDEX : Essais accélérés de chaussées

Le Centre de Recherche du Transport du CEDEX en Espagne a effectué de nombreuses mesures en conditionnant et surveillant plus de 240 voies réparties stratégiquement autour de la piste à l’aide d’un système d’acquisition de données HBM, reconnu à savoir le système DAQ MGCplus.

Qu'est-ce que des tests accélérés de chaussées ?

Les essais accélérés de chaussées peuvent se définir comme l’« étude de charge de roues sur une chaussée en simulant les effets des conditions de charge en fonctionnement correspondant à de longues périodes en un temps réduit ».

Il existe douze grands équipements complets fonctionnant en Europe et un nombre équivalent aux Etats-Unis, sans compter ceux existant au Mexique, au Brésil, en Afrique du Sud, en Australie, en Nouvelle Zélande, en Chine et au Japon. On peut affirmer que de nos jours l'essai accéléré sur chaussée constitue un pilier de base pour la recherche sur route dans le monde entier. Il existe pour cela deux types de moyens d’essais : les essais sur pistes circulaires et linéaires (voir fig 1 et fig 2).

A propos du CEDEX

Le Centre Civil d'Etude et d'Expérimentation, généralement connu en Espagne sous l’abréviation CEDEX, est un organisme public qui applique des idées et des technologies de pointe au domaines du Génie Civil, à la Construction et à l'Environnement. L'appui technologique fourni par ses équipements et ses laboratoires est défini dans des accords spécifiques. Le CEDEX joue également un rôle important dans le transfert de technologie en tant qu’expert grâce à ses connaissances acquises.

Figure 1 : Piste d'essais circulaire du LCPC de Nantes
Figure 2 : Piste d'essais linéaire (LINTRACK, Delf, Pays-Bas)

Piste d'essais

Fig 3 : Piste d'essais du CEDEX
Fig 4 : Véhicule de simulation de trafic

La piste d’essais du CEDEX est une solution intermédiaire entre circulaire et linéaire, c’est un anneau composé de deux sections droites de 75m, reliées par deux sections courbées de rayon  25 m. Un rail, placé à la corde, sert de guide à deux véhicules automatiques (voir fig 3).

Dans les parties droites de la piste, six sections de chaussées sont testées, cette installation  pourrait être classée du point de vue essai dans le deuxième groupe d'équipements linéaires. La longueur totale parcourue par la roue de charge est de 304 mètres par tour. Les zones en courbe ne sont pas prises en considération pour le test et sont affectées à d'autres études comme celles menées sur les matériaux de revêtement, le traitement des surfaces, les peintures, l’usure des routes, etc.

Le test des sections de la chaussée est effectué dans les lignes droites et les résultats sont donc  comparables à ceux obtenus sur les pistes linéaires. Il est possible de tester simultanément six sections complètes et différentes de 20 à 25 m de longueur.

Tandis que les parties en courbe sont exposées sur le terrain naturel, les parties droites sont installées à l'intérieur de deux fosses d’essais en U, étanches et construites en béton armé. Chaque fosse d’essais en béton est profonde de 2.6 m et large de 8 m de large, pour permettent la réalisation d’un remblai de 1,25 m de hauteur au moins et aussi avoir la possibilité d’utiliser les machines conventionnelles et de respecter les procédures habituelles de construction de routes. L’utilisation de ces fosses d’essais en béton a également pour but  d'isoler les performances des chaussées par rapport au sol environnant, tout en offrant un une base d’appui homogène aux chaussées pour chaque essai et entre différents essais de sorte  que les résultats puissent être comparables. Il permet aussi d’inonder le sous-sol pour tester la chaussée sous différentes conditions d'eaux souterraines.

Les deux véhicules d'essai appliquent une charge par son poids à l’aide d’un demi-axe très lourd. La charge peut être appliquée entre 5,5 et 7,5 tonnes et est généralement fixée à 6.5 tonnes, valeur équivalent à la charge maximum autorisée en Espagne pour un simple essieu (13 tonnes). Le système de suspension est pneumatique. La roue d'essai est équipée de deux roues jumelées ou d'une simple roue ballon gonflée à 8.5 kg/cm². La suspension et la roue sont toutes les deux identiques aux matériels habituellement utilisés dans le transport sur routes. La vitesse de circulation est de 40 km/h avec une vitesse maximale permise de 60 km/h (voir fig 4).

Grâce à un vérin hydraulique, la roue d'essai peut être positionnée avec un déplacement transversal sur sept chemins différents, produisant alors une bande d'empreinte de largeur de 1 à 1.3 m. Le contrôle automatique de cette position permet de reproduire une vraie répartition  statistique des passages de roues selon un réel trafic.

Ce moyen de tests est entièrement piloté du centre de control centralisé, situé au centre de l’anneau d’essai. Le programme de gestion a été spécifiquement développé pour cette application. De cette façon l’installation entière, laissée sans surveillance, peut fonctionner une fois programmée. La fréquence d'essai est au-delà de 1x106 cycles par an.

Paramètres de mesure

Fig 5 : Exemple d'un équipement de mesure

Quand une roue se déplace le long d'une route, des efforts et des contraintes se développent en chacun des points de la chaussée ; chaque effort et contrainte dépendent du type de charge, de son importance et de sa direction mais également de la structure et de l’épaisseur de la chaussée, du type de sous-sol, de la température, etc.

L'instrumentation de la chaussée rend la mesure possible des efforts et des contraintes qui apparaissent dans les différentes parties de la chaussée au passage d'une charge et tout particulièrement celles qui sont considérées critiques.

Pour chaque couche de la chaussée, les points critiques et les diverses variables de déformation sont différents et cela doit être pris en considération au moment de choisir le type de capteur et son emplacement.

On considère la tension horizontale au fond de la couche bitumineuse la variable de réponse la plus importante pour les chaussées. Par conséquent, l'instrumentation des couches de mélange d'asphalte est principalement concentrée sur la mesure de la contrainte horizontale au fond de la couche.

Par conséquent, l'instrumentation des sols est particulièrement concentrée sur mesurer des efforts et des contraintes verticaux. Les couches et sols granulaires conviennent moins bien principalement en raison de l'accumulation d’efforts et de contraintes verticales. Dans ce cas, l'instrumentation des sols doit être particulièrement concentrée sur la mesure de tensions et contraintes verticales.

Des capteurs de déflection de chaussée sont également placés afin de mesurer la réponse transitoire sous le passage de la roue en mouvement. Ces capteurs sont positionnés sur le dessus de la couche d'asphalte et ancrées au fond du puits de test.

En conclusion, une batterie de capteurs est installée pour rassembler toutes les données relatives aux variables environnementales et diverses charge : température, humidité et nappes phréatiques, vitesse, position transversale, etc (voir figure 5).

Description du système de contrôle de l’installation d'essais

Fig 6 : Système de communication
Fig 7 : Section transversale et instrumentation de la galerie

Pendant la phase de conception de l’installation d’essais, le processus d'automation a été principalement étudié dans le but d'obtenir un cycle de vie d'essai en mode de fonctionnement continu avec un minimum d’interruptions. D'ailleurs il est important de préciser que les équipements, particulièrement les véhicules et leur système de contrôle, sont des prototypes conçus, construits et commissionnés spécifiquement pour la piste d'essai en Espagne et ils ont été complètement développés avec la technologie européenne (voir fig 6).

Le système de contrôle de la piste d’essais du CEDEX se compose de deux parties fondamentales : le système PLC et le système d’acquisition de données. Les deux sont inter connectés et tous les deux sont contrôlés par un simple ordinateur de contrôle les reliant à un   réseau Ethernet. Le premier (système PLC) est en charge de gérer les véhicules au moyen de   paramètres comme la vitesse, la position transversale de la roue, la pression de gonflage des pneus, etc. mais aussi toutes les variables nécessaires pour l'entretien des véhicules et la sécurité de fonctionnement tout en ajoutant : la consommation électrique, les détecteurs de position, etc. L'autre système (système DAQ) s’occupe de toute la partie instrumentation et mesure dans la chaussée.

Le système de contrôle CEDEX est constitué d’un PLC maitre situé au centre de contrôle et de deux PLC esclaves embarqués sur les véhicules. Le PLC maitre assure la connexion des deux PLC esclaves des véhicules via un réseau Ethernet sans fil.  

Les données de plus de 240 voies de mesure, comportant des jauges de contrainte, des capteurs LVDT et des sondes Pt100, répartis stratégiquement autour de la piste sont acquises et traitées par le système d’acquisition de données MGCplus de HBM. Ce système DAQ, reconnu et utilisé dans de nombreux programmes d'essai structural dans le monde et dans la  dans la surveillance en génie civil, est conçu pour délivrer des données de mesure fiables et de qualité tout en permettant de réduire de manière significative le coût et le nombre de câblage.

Sous la piste d’essai, tout au long des deux tronçons droits, il y une galerie dans laquelle nous allons trouver les systèmes d’acquisition de mesure et les sources d’alimentation, ainsi que les prises jacks de raccordement aux appareils MGCplus. Elles ont  été ainsi conçue pour avoir le minimum de distance possible entre les capteurs et le dispositif de traitement afin d’éviter la distorsion du signal de sortie et de façon à numériser au tôt les signaux analogiques (voir figure 7).

Tâches de l'instrumentation

Le système d’acquisition de données des capteurs, entièrement automatisé, a été conçu et développé par CEDEX et permet de faire les mesures en temps réel et de stocker les données de 240 capteurs à chaque essai de mesure.

        Les opérations de gestion sont divisées en trois processus : 

  • Gestion des capteurs
  • Mesure
  • Stockage et Analyse des données.

Processus de gestion des capteurs

Une fois que le plan d’instrumentation pour chaque essai a été défini et que l’alimentation de   chaque capteur a été effectuée, l’étape suivante prévue est d’enregistrer dans les paramètres dans la base de données de l'ordinateur de contrôle. Il est alors temps d'inclure toutes les données qui définissent les capteurs, leur emplacement, le capteur optique de démarrage de la mesure, les dates appropriées et l'état d'activité.

Une fois les capteurs enregistrés dans la base de données, l’étape suivante consiste à régler les modules du MGCplus à partir de la courbe d'étalonnage de chaque capteur, comprenant la chaîne de mesure (câbles et appareil), établissant la relation entre le signal électrique et la grandeur physique. Alors les paramètres d'enregistrement (taux d’échantillonnage, temps, capteurs actifs et Trigger) sont réglés avec la carte PC du MGCplus et le fichier MPR est sauvegardé. Généralement, deux taux d’échantillonnage différents sont programmés; l'un sert à enregistrer les variables statiques et l’autre à enregistrer les variables dynamiques (voir fig 8).

Le système dispose également de tâches additionnelles qui simplifient les travaux de maintenance de l'instrumentation et des fonctions graphiques et numériques de surveillance en temps réel des lectures.

Fig 8 : Exemple de surveillance graphique d’un capteur

Processus de mesure

Dans le système d’acquisition de données, il y a deux types distincts d'essais :

  • Essais dynamiques
  • Essais spéciaux


L'essai dynamique se rapporte aux mesures systématiques prises avec l'instrumentation tandis que le véhicule est en mouvement. En effectuant ce genre d'essais, les capteurs doivent être définis au préalable, jusqu'à 240 capteurs par essai. En outre, un fichier de résultats (ASCII) est créé pour inclure toutes les variables exigées pour l'analyse des courbes, telles que la température de la chaussée, la température ambiante, le nombre de cycles, la position transversale, la vitesse du véhicule, la date et l'heure.

Des essais dynamiques sont activés automatiquement. Ils peuvent être activés au moyen de trois événements différents, qui sont choisis lors de la programmation du test. Ces trois événements sont les suivants :

  • Nombre de cycles. L'essai commence quand les véhicules ont parcouru un nombre prédéterminé de cycles.
    Temps. La mesure démarre à une date et une heure indiquées
  • Température. La mesure est lancée quand la température de chaussée (définie par l'utilisateur) atteint une certaine valeur
  • La présence du personnel n'est pas requise pour ce genre d'essais, qui sont réalisés 24h/7j

Quand l'événement déclencheur d’un essai se produit, l'ordinateur de contrôle demande au PLC maître de placer les véhicules dans les conditions exigées pour l'essai (vitesse et position transversale). Une fois que les véhicules sont parfaitement positionnés pour l'essai programmé, l'ordinateur de contrôle envoie un ensemble de commandes bas niveau à chaque MGCplus relié au réseau Ethernet. Ces commandes transfèrent les dossiers MPR avec les paramètres d'enregistrement au dispositif et les activent à se préparer pour le processus  d'acquisition. Il y a un capteur optique relié à chaque MGCplus comme déclencheur de la mesure. Quand le véhicule passe devant le capteur optique celui-ci active le départ de l’acquisition des données et la mesure s’arrête après une période, définie dans le fichier  d'enregistrement (voir figure 9).

Fig 9 : Données enregistrées dans un essai dynamique

Quand les véhicules accomplissent un cycle de commencement d’acquisition des données, l'ordinateur de contrôle se connecte aux appareils MGCplus pour transférer le fichier de collecte de données qui a été créé à partir du système DAQ à l'ordinateur de contrôle et pour le convertir en format ASCII au moyen de la commande ActiveX de Catman. Toute cela a été programmé à l'intérieur d'un manuscrit Visual Basic qui permet aussi de réaliser un traitement des signaux pour changer l'heure à distance, couper et échantillonner à nouveau afin de stocker le nombre d'échantillons qui soit intéressant pour l'analyse.

Ensuite, l'ordinateur de contrôle doit mettre toutes les données ensemble dans les fichiers de résultats (ASCII), les données du système PLC concernant les véhicules (vitesse, position transversale) et les données du système d’acquisition de données concernant le processus de mesure capteur.

Une fois que chaque élément de données est stocké, l'essai se termine et le système PLC en charge des véhicules reprend le contrôle. Cet essai peut être programmé de manière cyclique selon un nombre de cycles, d’après une période déterminée ou quand les valeurs de  température désirées sont atteintes.

Les essais spéciaux se réfèrent à un autre genre de mesures qui seraient propres à une instrumentation sans utiliser le système de contrôle entier, directement avec les appareils  MGCplus.

Nous voudrions parler de trois types d'essais spéciaux :

  • Suivi de la température. Deux Siemens ET 200 sont employés comme système PLC,  reliés aux sorties analogiques du MGCplus pour pouvoir enregistrer en continu la température ambiante et celle de la chaussée. Ils sont employés pour analyser non seulement l'instrumentation mais également les dommages de la chaussée
  • Lancement manuel. Ces essais peuvent être réalisés non seulement avec des véhicules en mouvement mais également avec des véhicules arrêtés. Ils démarrent lorsqu’un  déclenchement s’active. Ce genre d'essai est employé pour étudier en détail quelques variables spécifiques au passage d’un véhicule et à la différence des essais dynamiques ils sont faits avec une fréquence d'échantillon jusqu'à 3000 échantillons par seconde. Cet essai est également fait pour mesurer la réponse d'un ou de divers capteurs de l'équipement autre que les véhicules d'essai, par exemple d’appareils  FWD
  • Par capteur optique. C’est  les mêmes caractéristiques que l'essai avec lancement manuel, mais, dans ce cas, la mesure est déclenchée par des capteurs optiques installés sur la piste d’essai.