Assessment of flexible airfield pavements using Heavy Weight Deflectometers. Development of a FEM dynamical time-domain analysis for the backcalculation of structural properties.
Évaluation 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
Résumé
Evolved from the French “déflectomètre à boulet”, the Heavy Weight Deflectometer (HWD) is today viewed worldwide as the most appropriate device to assess the bearing capacity of airport pavements. Its principle consists in applying a transient impulsive load simulating the weight effect of an aircraft rolling wheel, onto a stationary load plate placed over the pavement, through a buffer system, and studying the surface deflections induced by this dynamic loading. The latter are continuously measured during the test by means of geophones. These deflection measurements are used to determine the structural properties of the pavement, by means of a “backcalculation” numerical procedure which consists in: 1- choosing a mechanical model for the pavement, 2 - identifying the parameters of the model for which theoretical computed deflections fit the experimental data set. Then, forward calculations can be performed to estimate the bearing capacity or the remaining life of the structure. Usual processing methods for the assessment of flexible pavements are based on static multilayered elastic models. The structural properties to be backcalculated are the stiffnesses of the different layers. The backcalculations are performed from pseudo-static deflection bowls reconstituted from the deflection peak values measured by each geophone. As emphasized by several authors, these methods have shown limitations. Indeed, they use only part of available information (peak values), and the static modelling is far from the reality of the test. The objective of the thesis was to develop an advanced method for the assessment of flexible pavements using HWD tests data which achieves a better representation of the observed physical phenomena during dynamic loading and allows taking into account the whole available information. A time-domain FEM modelling has been developed, where the applied dynamical load, inertia of materials and structural damping are modelled. It allows the computation of ensuing time-related deflections. An automated convergence algorithm has been developed for numerical resolution of the backcalculation procedure. A full-scale validation of both backcalculation method and strains determination has been conducted. It consisted in test surveys run on a reference instrumented pavement. The validation has relied on the comparison between backcalculated and laboratory-determined material properties, and on the comparison between expected strains and measured strains. A numerical tool has been developed which allows automating the finite elements mesh creation and both backcalculation and forward calculation phases: the PREDIWARE (Pavement Rational Evaluation using Deflections Induced by Falling Weights, for Airfield and Road Engineers) software.
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, et 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. 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.
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