Auscultation

Descendant du déflectomètre à boulet du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), le Heavy Weight Deflectometer (HWD) est devenu aujourd’hui l’appareil de référence international pour la détermination de la portance des chaussées aéronautiques. Il est composé d’une masse tombante qui engendre à la surface de la chaussée, par l’intermédiaire d’une plaque rigide et d’un système d’amortissement, un chargement de type impulsionnel, destiné à simuler le passage d’une roue d’avion. Les déflexions engendrées sont mesurées pendant la période de chargement, au moyen de géophones disposés sous et aux abords de la plaque.

Leur analyse permet de déterminer les propriétés structurelles des différentes couches de chaussée au moyen d’une procédure d’identification numérique appelée « calcul inverse » qui consiste à :

1. choisir un modèle mécanique pour décrire le comportement de la chaussée sous chargement,
2. identifier les paramètres du modèle permettant le meilleur calage entre les données numériques et expérimentales. Un calcul direct peut alors être réalisé, à partir du même modèle mécanique, et en tenant compte des paramètres identifiés, pour estimer la capacité portante de la chaussée et/ou sa durée de vie résiduelle.

Les méthodes usuelles d’exploitation des données sont basées, pour les chaussées souples, sur l’utilisation de modèles élastiques multicouches statiques. Les seuls paramètres structuraux à identifier sont les rigidités des différentes couches constitutives. Le calcul inverse est mené à partir de bassins de déflexion pseudo-statiques, reconstitués à partir des déflexions maximales mesurées sur chaque géophone. Les limites de ces méthodes ont été soulignées par de nombreux auteurs. D’une part elles n’exploitent qu’une infime part de l’information disponible (valeurs de pic uniquement des signaux fournis par les géophones et le capteur d’effort), et d’autre part elles reposent sur une modélisation statique très éloignée de la réalité de l’essai.

• D’où la volonté du STAC de développer une méthode avancée d’exploitation des résultats.

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de la thèse de Michaël Broutin, chef du programme Auscultation des chaussées au sein de la division Études et recherche du département Infrastructures aéroportuaires, sous la direction de Michel Frémond (LCPC). Cette dernière a été soutenue le vendredi 11 juin 2010, au LCPC Paris, sous le titre «Assessment of flexible airfield pavements using Heavy Weight Deflectometers"; Development of a FEM dynamical time-domain analys (« Evaluation des chaussées souples aéroportuaires à l’aide du déflectomètre à masse tombante (HWD) ; Développement d’une méthode d’analyse dynamique temporelle par éléments finis pour le calcul inverse des propriétés structurelles »).

L’objectif de la thèse était donc de développer une méthode avancée d’évaluation des chaussées souples permettant une meilleure représentation physique de l’essai et d’exploiter l’ensemble de l’information disponible.

Une modélisation dynamique aux éléments finis, prenant en compte les effets d’inertie et l’amortissement mécanique, y a été proposée. Elle permet le calcul de l’évolution temporelle des déflexions au cours de l’essai. Un algorithme de convergence a été développé sur la base de ce modèle, qui permet d’automatiser la résolution numérique de la phase de calcul inverse. Enfin une méthode d’analyse des résultats du calcul inverse a été proposée à titre d’illustration.

Plusieurs expérimentations en vraie grandeur ont été menées afin de valider les phases de calcul inverse et de calcul des déformations critiques. Les essais ont été réalisés sur plusieurs planches de référence, dont l’une est instrumentée. La validation s’est appuyée d’une part sur la comparaison entre propriétés des matériaux identifiées et mesurées en laboratoire, et d’autre part sur l’exploitation de mesures de déformations relatives mesurées in situ.

Un outil numérique a par ailleurs été développé, qui permet l’automatisation du maillage aux éléments finis, et le calcul pour les deux étapes consécutives du processus : calcul inverse et calcul direct des déformations relatives.

Un guide technique STAC propose aux gestionnaires d'aéroports une méthodologie complète pour l'auscultation de leurs chaussées. Il comprend l'ensemble des recommandations opérationnelles pour l'auscultation des chaussées d'une plateforme au HWD ainsi que les préconisations relatives à l'analyse des résultats d'essais, sur la base des résultats de la thèse.

Considérant l'importance de l'auscultation des chaussées pour la gestion du patrimoine aéroportuaire, le STAC a initié des travaux de recherche en collaboration avec l'Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat (ENTPE). Dans ce cadre, les travaux précédemment entrepris sur l’analyse inverse des essais HWD ont été approfondis par la thèse de Jean-Marie Roussel, soutenue le 16 novembre 2020, intitulée "Apport de la viscoélasticité dans l’analyse dynamique des essais au Heavy Weight Deflectometer" et encadrée par Hervé Di Benedetto (ENTPE), Cédric Sauzéat (ENTPE) et Michaël Broutin (STAC). Ces travaux ont démontré la possibilité de déterminer les propriétés viscoélastiques linéaires des matériaux bitumineux  à partir d’essais HWD.