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www.stac.aviation-civile.gouv.fr Ministère de l’Écologie, du Développement durable et de l’Énergie STAC Guide technique Auscultation des chaussées souples aéronautiques au HWD Direction générale de l’Aviation civile Service technique de l’Aviation civile Février 2014 Service technique de l’Aviation civile Département Infrastructures aéroportuaires v1. 12/02/2014 Guide technique Auscultation des chaussées souples aéronautiques au HWD Cet ouvrage fait partie de la collection des guides techniques du STAC. Il a été élaboré par Michaël BROUTIN (STAC), et validé par un comité d’experts constitué de: Jean-Maurice BALAY (IFSTTAR), Régis BOST (STAC), Sandrine BUYTET (Colas), Jean CARROGET (Colas), Emmanuel DELAVAL (LRPC Lille), Dominique GUEDON (LRPC Toulouse - DALETT), Cyril FABRE (Airbus), Sandrine FAUCHET (STAC), Yann FERREIRA (ADP), Sarah GOYER (LRPC Saint- Brieuc), François JULLEMIER (ADP), Serge LE CUNFF (STAC), Alain LORIOL (Ginger-CEBTP), Arnaud MAZARS (LRPC Toulouse - DALETT), Damien MOUNIER (STAC), Christophe PETIT (Université de Limoges), Jean-Michel PIAU (IFSTTAR), Benoît PICOUX (Université de Limoges), Cédric RENAULT (LRPC Lille), Jean-Michel SIMONIN (IFSTTAR), Cheikh THIAM (Egis), Jean-Baptiste TIGER (STAC), Guillaume VOISIN (LRPC Rouen), Louisette WENDLING (LRPC Autun). Direction générale de l’Aviation civile Service technique de l’Aviation civile Février 2014 Service technique de l’Aviation civile AUSCULTATION DES CHAUSSÉES SOUPLES AÉRONAUTIQUES AU HWD RÉSUMÉ - MOTS-CLÉS Résumé Le présent guide a pour but de proposer aux gestionnaires d’aérodromes une méthodologie d’auscultation de leur plateforme à l’aide du HWD (Heavy Weight Deflectometer). Il comprend des recommandations relatives à l’organisation opérationnelle d’une auscultation et à l’interprétation des résultats d’essais, basée sur une modélisation dynamique avancée. Les recommandations opérationnelles incluent les informations relatives à l’auscultation de la plateforme et aux essais à réaliser. En particulier, les pré-requis à l’auscultation et à l’interprétation sont décrits, qui sont relatifs à l’appareil de mesure (précision, étalonnage) et aux informations nécessaires concernant la chaussée et les données de trafic. En cas d’informations parcellaires, les essais complémentaires à réaliser sont spécifiés. Ensuite, la configuration matérielle optimale est identifiée, qui inclut par exemple le choix de la masse statique à laisser tomber, le système de tampons amortisseurs, ou le positionnement des géophones. Le choix de la densité et de la localisation des points d’essai est discuté pour chaque partie d’une aire de mouvement (piste, voie de circulation, aire de stationnement), ainsi que les configurations d’essais, incluant le nombre de niveaux de chargement, et pour chacun d’entre eux le nombre de chutes à réaliser, afin d’évaluer respectivement la non-linéarité du comportement du sol support vis-à-vis du niveau de chargement, et la répétabilité des essais. Les informations complémentaires à recueillir au cours de la campagne d’essais sont aussi décrites, notamment les mesures de température à réaliser dans la chaussée. Les recommandations relatives à l’interprétation des résultats abordent la description du modèle mécanique préconisé et ses paramètres, ainsi que le processus de calcul inverse associé qui a été développé. La représentation mécanique proposée pour la chaussée est d’abord exposée, et en particulier la prise en compte du chargement impulsionnel appliqué ainsi que l’optimisation des finesses et étendue du maillage éléments finis axisymétrique 2D retenu et les conditions d’interface. Ensuite, le processus de calcul inverse dynamique est décrit, et en particulier la fonction objective à minimiser, le choix de l’erreur cible, et l’algorithme de convergence retenu. Enfin, des corrections à appliquer aux paramètres identifiés, en fonction de la température dans la chaussée lors de l’essai et de la pseudo-fréquence du chargement sont proposées. Cette opération est fondamentale pour la cohérence de l’étape ultime consistant à déterminer une capacité portante de la chaussée ou une durée de vie résiduelle. Tous les développements techniques présentés dans le guide ont été validés numériquement ou à l’aide d’essais in situ. La dernière partie du document est dédiée à des exemples d’illustration issus de cas d’étude réels. Mots-clés Auscultation des chaussées/HWD/Calculs inverses dynamiques/Modélisation aux éléments finis/Chaussées souples aéronautiques/Capacité portante d’une chaussée. 3 Service technique de l’Aviation civile Summary The present technical guidance aims at providing all airport technical managers an HWD pavement testing methodology. It gathers recommendations relative to operational survey and data analysis, based on an advanced dynamic modeling. The operational recommendations include all information about platform survey and test carrying out. In particular, the requirements to meet before pavement testing and data analysis respectively are described, which consist of requirements relative to the device (precision, calibration), and necessary complementary information about the pavement and the traffic data. In case of a lack of information, the required additional tests are specified. Then, relevant material configurations are identified, including for instance the choice of the static weight, the buffer system, or the geophones positioning. The selection of the test point density and location for each type of area (runways, taxiways, aprons) is also discussed, as well as the tests configurations, including the number of loading levels and for each level the number of drops, respectively for pavement nonlinearity and test repeatability concerns. The necessary complementary operations to be performed during the survey, including the temperature measurements in the pavement, are described too. The recommendations relative to the data analysis gathers the description of both mechanical modeling and its parameters, and the associated backcalculation process developed. First the mechanical pavement representation main characteristics are set out, and specifically the impulse load modeling, the mesh dimensions and fineness optimization, or the interfaces bonding conditions of the 2D axis-symmetrical finite element model used. Then, the developed dynamical backcalculation process is explained, particularly the objective function to be minimized, the choice of target error, or the mathematical convergence algorithm. Finally, corrections to be applied to the backcalculated parameters with regards to test temperature or loading frequency are proposed. This operation is essential for the validity of the following step, i.e. the calculation of the pavement bearing capacity and/or residual life. All parts of the guide have been validated, numerically or using in situ measurements. The last part of the document is dedicated to illustrations through real case studies. Keywords Pavement testing/HWD testing/Dynamical backcalculation/Finite Elements Modeling/Airfield flexible pavement/Pavement bearing capacity. AUSCULTATION DES CHAUSSÉES SOUPLES AÉRONAUTIQUES AU HWD SUMMARY - KEYWORDS 5 1. Préambule ________________________________________________________11 1.1. But de l’auscultation structurelle des chaussées aéronautiques_______________________________11 1.2. Objet du guide ____________________________________________________________________11 1.3. Historique du HWD _________________________________________________________________12 2. Principes généraux de l’auscultation au HWD _____________________________13 2.1. Description de l’outil HWD ___________________________________________________________13 2.2. Exemple de résultats _______________________________________________________________16 2.3. Représentativité du chargement ______________________________________________________17 2.3.1. Enjeux___________________________________________________________________________________17 2.3.2. Choix de Fmax _____________________________________________________________________________17 2.3.3. Relation Δt/Vitesse des avions ________________________________________________________________18 2.3.4. Pression sous la plaque de chargement _________________________________________________________20 2.4. Principe du calcul inverse____________________________________________________________21 2.4.1. Méthodes usuelles (« pseudo-statiques »)_______________________________________________________21 2.4.2. Méthode préconisée par le STAC (« méthode dynamique ») _________________________________________22 2.5. Corrections en température/fréquence__________________________________________________23 3. Pré-requis_________________________________________________________25 3.1. À l’auscultation____________________________________________________________________25 3.1.1. Précisions attendues et étalonnage des appareils de mesure ________________________________________25 3.1.2. Données relatives à l’infrastructure ____________________________________________________________30 3.1.3. Existence d’un protocole d’utilisation ___________________________________________________________30 3.2. À l’exploitation des résultats _________________________________________________________31 4. Méthodologie d’auscultation __________________________________________33 4.1. Conditions d’essais _________________________________________________________________33 4.1.1. Gamme de température _____________________________________________________________________33 4.1.2. Réalisation d’essais à température constante ____________________________________________________33 4.1.3. Suivi de la température _____________________________________________________________________33 4.2. Établissement du plan d’essais________________________________________________________33 4.2.1. Piste ou voie de circulation___________________________________________________________________33 4.2.2. Parking __________________________________________________________________________________35 4.3. Opérations préalables aux essais ______________________________________________________36 4.3.1. Mise en place de la centrale de température_____________________________________________________36 4.3.2. Vérification du mesureur de distance automatisé _________________________________________________37 4.3.3. Préchauffe du matériel ______________________________________________________________________37 Sommaire AUSCULTATION DES CHAUSSÉES SOUPLES AÉRONAUTIQUES AU HWD SOMMAIRE Service technique de l’Aviation civile 4.4. Choix d’une séquence de chutes type __________________________________________________37 4.4.1. Configuration d’essais_______________________________________________________________________38 4.4.2. Choix d’une chute de référence _______________________________________________________________38 4.4.3. Choix d’une chute de préchargement___________________________________________________________40 4.4.4. Choix d’une séquence_______________________________________________________________________40 4.4.5. Options de filtre ___________________________________________________________________________40 4.5. Réalisation d’un essai_______________________________________________________________40 4.5.1. Protocole d’essais __________________________________________________________________________40 4.5.2. Fichier de suivi ____________________________________________________________________________40 4.5.3. Nomenclature des résultats __________________________________________________________________40 5. Interprétation des résultats bruts_______________________________________41 5.1. Analyse critique des résultats_________________________________________________________41 5.1.1. Détection de résultats aberrants – forme du signal ________________________________________________41 5.1.2. Répétabilité entre les différentes chutes d’une même séquence _____________________________________41 5.1.3. Étude de linéarité __________________________________________________________________________43 5.2. Zones homogènes _________________________________________________________________44 5.2.1. Détermination par CUSUM ___________________________________________________________________44 5.2.2. Analyse croisée avec les campagnes IS et géoradar _______________________________________________46 5.2.3. Création d’un fichier expérimental HWD « type » _________________________________________________46 6. Interprétation des essais _____________________________________________47 6.1. Modèle mécanique_________________________________________________________________47 6.1.1. Géométrie et conditions aux limites____________________________________________________________47 6.1.2. Sollicitation _______________________________________________________________________________49 6.1.3. Résolution mathématique ___________________________________________________________________49 6.2. Détermination de la profondeur de substratum ___________________________________________51 6.3. Algorithme de calcul inverse _________________________________________________________54 6.3.1. Données d’entrée __________________________________________________________________________54 6.3.2. Résolution________________________________________________________________________________55 6.3.3. Vérification de la cohérence des résultats _______________________________________________________57 6.4. Précisions estimées des résultats ______________________________________________________57 AUSCULTATION DES CHAUSSÉES SOUPLES AÉRONAUTIQUES AU HWD SOMMAIRE 7 7. Exemples d’application ______________________________________________59 7.1. Exemple 1: exploitation d’essais réalisés sur la planche instrumentée du STAC __________________59 7.1.1. Présentation de la campagne d’essais __________________________________________________________59 7.1.2. Opérations préalables _______________________________________________________________________64 7.1.3. Étude de linéarité et détermination de la profondeur de substratum __________________________________66 7.1.4. Calcul inverse _____________________________________________________________________________66 7.1.5. Cohérence des résultats _____________________________________________________________________68 7.2. Exemple 2: application de la méthode à l’auscultation d’une piste ___________________________69 7.2.1. Configuration d’essais_______________________________________________________________________69 7.2.2. Structures de chaussée ______________________________________________________________________70 7.2.3. Analyses préliminaires ______________________________________________________________________70 7.2.4. Calcul inverse _____________________________________________________________________________70 8. Terminologie ______________________________________________________77 9. Références bibliographiques __________________________________________79 Annexe: Logigramme de réalisation des essais ______________________________81 AUSCULTATION DES CHAUSSÉES SOUPLES AÉRONAUTIQUES AU HWD SOMMAIRE Service technique de l’Aviation civile AUSCULTATION DES CHAUSSÉES SOUPLES AÉRONAUTIQUES AU HWD LISTE DES FIGURES Figure 1 : Principe de fonctionnement du HWD ; exemple d’un HWD à uploads/s1/auscultation-des-chaussees-souples-aeronautiques-au-hwd-guide-dgac-stac-fev-2014.pdf