Piste d’essais du CEDEX : Essais 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).

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.

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).

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.