Harmonisation des mesures d’adhérence par modélisation du contact pneu/chaussée : vers une échelle commune pour optimiser la sécurité et la durabilité des infrastructures

1. Contexte et enjeux

L’adhérence entre le pneu et la chaussée est l’un des principaux facteurs permettant de réduire l’accidentologie, surtout lorsque les conditions atmosphériques sont dégradées (Do & Cerezo, 2015 ; Rasol & al., 2021). Développée initialement dans le domaine routier, la notion d’adhérence est utilisée également pour l’évaluation des revêtements utilisés pour d’autres infrastructures de transports comme les pistes d’aéroports, les rails de métros et, plus récemment, des voies dédiées à la recharge des véhicules électriques.

L’adhérence est caractérisée par un coefficient de frottement mesuré dans des conditions particulières (et normalisées). Divers appareils de mesure ont été développés et déployés en France et dans le monde. La diversité de ces appareils (principe de mesure, type de pneu, conditions de contact, etc.) soulève des questions sur la comparabilité des résultats et l’établissement de critères uniformes d’évaluation pour l’évaluation et l’entretien des infrastructures (Kogbara & al., 2016 ; Mataei & al., 2016).

2. Problématique

La multiplicité des appareils de mesure présente plusieurs avantages en termes de flexibilité et d’adaptation à des milieux variés (routes, marquages routiers, trottoirs, pistes d’aéroports, etc.), mais engendre également des difficultés majeures :

• Comment relier les résultats obtenus avec des dispositifs aux caractéristiques techniques très diverses ?
• Les seuils d’intervention et les critères d’évaluation, établis pour un appareil, restent-ils valables pour un autre ?

Les tentatives d’harmonisation basées sur des corrélations statistiques (comme HERMES (Wambold & al., 1995) ou comme celles réalisées tous les deux ans sur la piste d’essai du campus de Nantes de l’Université Gustave Eiffel, via l’EPFW[1] (European Pavement Friction Workshop - https://epfw.univ-gustave-eiffel.fr/) n’ont pas abouti à une normalisation satisfaisante, car elles ne reposent pas sur une compréhension approfondie de la physique du contact pneu/chaussée.

3. Objectifs de la recherche

L’objectif principal de cette thèse est de développer un modèle basé sur la physique du contact pneu/chaussée, qui permette d’estimer, à partir des caractéristiques d’un appareil de mesure (principe de mesure, type de pneumatique, taux de glissement, vitesse, degré de mouillage) et des conditions de fonctionnement ainsi que de la texture de la surface, un coefficient de frottement. L’usage d’un tel modèle ouvrira la voie à l’élaboration d’une échelle commune d’adhérence, permettant :

• La conversion des mesures issues de différents appareils en une unité homogène,
• La comparaison et la transposition des résultats de mesure entre divers dispositifs,
• L’établissement de critères uniformes pour l’acceptation des travaux et le déclenchement des interventions d’entretien.

En outre, ce travail contribuera à une meilleure compréhension des interactions tribologiques à l’interface pneu/chaussée, avec des retombées directes sur la sécurité routière et la sécurité des pistes d’aéroports.

4. Méthodologie

La démarche proposée reposera sur l’amélioration d’un modèle de contact déjà développé pour prédire le frottement pneu/chaussée (Kane & Edmondson, 2022), en y intégrant de nouveaux paramètres :

• Modélisation du contact :
  • Intégratin des caractéristiques du pneumatique (géométrie, nature de la gomme), des conditions de fonctionnement du contact (charge appliquée, vitesse, taux de glissement) et de la chaussée (texture).
  • Ajut d’un paramètre « hydrodynamique » prenant en compte l’épaisseur de la couche d’eau sur la chaussée, via un couplage fluide-structure basé sur un modèle visco-élasto-hydrodynamique.
• Validation expérimentale :
  • Réalisatin d’essais d’adhérence avec différents dispositifs en conditions contrôlées (IMAG, ADHERA, SCRIM, GRIPTESTER, T2Go, DFT, SRT) sur les différentes surfaces de la piste d’essai du campus de Nantes.
• Développement de l’échelle d’adhérence :
  • Cnstruction d’abaques de conversion reliant les mesures de chaque appareil au coefficient de frottement déterminé par le modèle.
  • Vérificatin de la cohérence de l’échelle commune à travers des comparaisons inter-appareils.

5. Perspectives et applications

Le modèle prédictif intégré et l’échelle d’adhérence commune contribueront à :

• Une meilleure harmonisation des mesures d’adhérence, facilitant la prise de décision pour l’entretien des infrastructures routières et aéroportuaires.
• L’optimisation des critères de sécurité, en permettant d’établir des seuils d’intervention fondés sur des bases physiques plutôt que statistiques.
• Une avancée dans la compréhension des phénomènes tribologiques à l’interface pneu/chaussée.
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Références bibliographiques :

• Do, M. T., & Cerezo, V. (2015). Road surface texture and skid resistance. Surface Topography: Metrology and Properties, 3(4), 043001.
• Rasol, M., Schmidt, F., Ientile, S., Adelaide, L., Nedjar, B., Kane, M., & Chevalier, C. (2021). Progress and monitoring opportunities of skid resistance in road transport: a critical review and road sensors. Remote Sensing, 13(18), 3729.
• International Civil Aviation Organization (ICAO). (2017). Aerodrome Design and Operations. https://www.icao.int/
• EEA (2022). Transport and Environment – Road Safety and Infrastructure. https://www.eea.europa.eu/
• Fwa, T. F. (2021). Determination and prediction of pavement skid resistance–connecting research and practice. Journal of Road Engineering, 1, 43-62.
• Fwa, T. F. (2017). Skid resistance determination for pavement management and wet-weather road safety. International journal of transportation science and technology, 6(3), 217-227.
• Andriejauskas, T., Vorobjovas, V., & Mielonas, V. (2014). Evaluation of skid resistance characteristics and measurement methods. In Environmental Engineering. Proceedings of the International Conference on Environmental Engineering. ICEE (Vol. 9, p. 1). Vilnius Gediminas Technical University, Department of Construction Economics & Property.
• Kogbara, R. B., Masad, E. A., Kassem, E., Scarpas, A. T., & Anupam, K. (2016). A state-of-the-art review of parameters influencing measurement and modeling of skid resistance of asphalt pavements. Construction and Building Materials, 114, 602-617.
• Mataei, B., Zakeri, H., Zahedi, M., & Nejad, F. M. (2016). Pavement friction and skid resistance measurement methods: A literature review. Open Journal of Civil Engineering, 6(04), 537.
• Wambold, J. C., Antle, C. E., Henry, J. J., & Rado, Z. (1995). International PIARC experiment to compare and harmonize texture and skid resistance measurements. PIARC.
• https://epfw.univ-gustave-eiffel.fr/en/
• Kane, M., & Edmondson, V. (2022). Tire/road friction prediction: Introduction a simplified numerical tool based on contact modelling. Vehicle system dynamics, 60(3), 770-789.

Profil recherché

Pour ce projet, le candidat doctorant devra :

• Posséder un diplôme de Master en génie mécanique, génie civil ou sciences des matériaux, avec une spécialisation en tribologie et en caractérisation des surfaces.
• Maîtriser les outils de simulation pour développer et calibrer un modèle prédictif du contact pneu/chaussée.
• Avoir une forte motivation pour réaliser des essais de mesure d’adhérence sur divers dispositifs.
• Être capable de proposer des solutions pratiques pour harmoniser les mesures d’adhérence dans différents contextes.

Calendrier prévisionnel

https://www.univ-gustave-eiffel.fr/

https://ease.univ-gustave-eiffel.fr/

Pour ce projet, le candidat doctorant devra :

• Posséder un diplôme de Master en génie mécanique, génie civil ou sciences des matériaux, avec une spécialisation en tribologie et en caractérisation des surfaces.
• Maîtriser les outils de simulation pour développer et calibrer un modèle prédictif du contact pneu/chaussée.
• Avoir une forte motivation pour réaliser des essais de mesure d’adhérence sur divers dispositifs.
• Être capable de proposer des solutions pratiques pour harmoniser les mesures d’adhérence dans différents contextes.