Détermination des coefficients de frottement des chaussées glacées sous différentes quantités de neige

Le frottement de la chaussée est défini comme l’adhérence entre les pneus du véhicule et la surface de la route sous-jacente¹. L’indice le plus souvent associé au frottement de la chaussée dans la conception des routes est le coefficient de frottement de la chaussée. Le frottement est l’un des facteurs les plus importants dans la conception des routes et n’est devancé que par la durabilité. Il existe une corrélation forte et claire entre la performance par frottement de la chaussée et le risque d’accident². Par exemple, il existe une corrélation négative significative entre les taux d’accidents de la route et la résistance au dérapage de la chaussée ^3,4,5. Plusieurs facteurs peuvent contribuer à une diminution de la friction de la chaussée, et l’un des facteurs les plus directs et les plus influents est la chute de neige⁶. Plus précisément, les chutes de neige provoquent la formation de glace sur la chaussée, ce qui entraîne une réduction significative du coefficient de frottement de la route ^7,8. Une étude portant sur les facteurs qui influent sur les taux d’accidents de la circulation dans le sud de la Finlande a noté que les taux d’accidents culminent généralement les jours où il y a de fortes chutes de neige et que plus de 10 cm de neige peuvent entraîner un doublement du taux d’accidents⁹. Des résultats similaires ont été obtenus dans des études réalisées en Suède et au Canada^10,11. Par conséquent, l’étude des propriétés de frottement des chaussées gelées est cruciale pour améliorer la sécurité routière.

La détermination du coefficient de frottement des chaussées glacées est un processus complexe, car le coefficient de frottement peut varier selon les niveaux de chutes de neige et les épaisseurs de glace de la chaussée. En outre, les variations de température et de caractéristiques des pneus peuvent également affecter le coefficient de frottement. Dans le passé, de nombreuses expériences ont été menées pour étudier les caractéristiques de frottement des pneus sur glace¹². Cependant, en raison des différences dans les environnements individuels et les caractéristiques des pneus, des résultats cohérents ne peuvent pas être obtenus et utilisés comme base pour les études théoriques. Par conséquent, de nombreux chercheurs ont tenté de développer des modèles théoriques pour analyser le frottement des pneus sur la glace. Hayhoe et Sahpley¹³ ont suggéré le concept d’échange de chaleur par frottement humide à l’interface entre les pneus et la glace, tandis que Peng et ^coll.14 ont proposé un modèle de données avancé pour prédire le frottement basé sur le concept ci-dessus. En outre, Klapproth a présenté un modèle mathématique innovant pour décrire le frottement du caoutchouc rugueux sur la glace lisse¹⁵. Cependant, il a été démontré que les modèles ci-dessus comportent des erreurs importantes, principalement en raison de leur incapacité à caractériser avec précision et efficacité les propriétés de frottement des pneus sur glace¹⁶.

Pour réduire les erreurs des modèles théoriques, une grande quantité de données expérimentales est nécessaire. L’Agence météorologique finlandaise a mis au point un modèle de friction pour prédire le frottement de la chaussée glacée, et la formule de ce modèle était principalement basée sur des données obtenues à partir de stations de météorologie routière et par analyse statistique¹⁷. De plus, Ivanović et coll. ont recueilli une quantité importante de données expérimentales en analysant les caractéristiques de frottement des pneus sur la glace et en calculant le coefficient de frottement de la glace par analyse de régression¹⁸. Gao et al. ont également proposé un nouveau modèle de prédiction de la traction pneu-caoutchouc-glace en combinant l’algorithme d’optimisation de Levenberg-Marquardt (LM) avec un réseau neuronal pour obtenir la formule du coefficient de frottement sur glace¹⁹. Tous les modèles ci-dessus ont été validés ou appliqués dans la pratique et sont donc considérés comme réalisables.

En plus des méthodes théoriques, de nombreuses méthodes pratiques ont été développées pour mesurer le coefficient de frottement des chaussées dans les zones enneigées et gelées. En raison des particularités météorologiques, ces méthodes ont été largement utilisées dans les pays nordiques tels que la Suède, la Norvège et la Finlande²⁰. En Suède, les trois principaux types d’appareils de mesure de friction suivants sont utilisés: BV11, SFT et BV14. Le BV14, un testeur de double frottement développé spécifiquement pour les évaluations d’entretien hivernal, est directement connecté au véhicule de mesure et mesure le frottement à sec sur les deux trajectoires de roue simultanément²⁰. En Finlande, le véhicule de mesure du frottement (TIE 475) est utilisé pour les évaluations de l’entretien hivernal des routes, tandis qu’en Norvège, le dispositif de mesure du frottement ROAR (sans eau) est un équipement couramment utilisé². La plupart des mesures de frottement hivernal effectuées en Suède, en Norvège et en Finlande ont été effectuées à l’aide de voitures particulières ordinaires équipées de l’ABS et d’instruments mesurant la décélération au freinage ^2,20. L’avantage de cette méthode est qu’elle est simple et relativement peu coûteuse, et le principal inconvénient est que la précision de la méthode est très faible.

Les études décrites ci-dessus fournissent des méthodes pour prédire et détecter les coefficients de frottement sur la glace. Cependant, une méthode uniforme et une valeur spécifique pour guider les concepteurs de routes n’ont toujours pas été fournies. De plus, pour les routes d’hiver, le coefficient de frottement entre les pneus et la glace peut varier selon les épaisseurs de glace, et différentes mesures d’élimination devraient également être mises en œuvre²¹. Par conséquent, cet article vise à déterminer le coefficient de frottement des routes glacées sous différentes quantités de neige.

Au niveau international, le testeur portable britannique (BPT) et le testeur de friction portable de l’Institut suédois de recherche sur les routes et les transports (VTI PFT) sont actuellement les instruments les plus couramment utilisés pour mesurer le coefficient de frottement^22,23. Le PFT est un testeur de friction portable développé par VTI, et il permet à l’opérateur de prendre des mesures en position verticale et de sauvegarder les données sur l’ordinateur²². Le PFT peut mesurer la plupart des marquages routiers profilés, mais le nombre d’instruments actuellement disponibles est encore très faible². Le BPT est un testeur de coefficient de frottement pendulaire développé par le British Road Research Laboratory (RRL, maintenant TRL). L’instrument est un testeur dynamique de type impact pendulaire utilisé pour mesurer la perte d’énergie dans les cas où un bord coulissant en caoutchouc est propulsé sur une surface d’essai. Les résultats sont rapportés sous forme de British Pendulum Numbers (BPN) pour souligner qu’ils sont spécifiques à ce testeur et non directement équivalents à ceux d’autres appareils²⁴. L’instrument s’est révélé utile pour la détermination des coefficients de frottement dans le domaine expérimental des chaussées²³. Cette expérience utilise le BPT pour la détermination des coefficients de frottement.

La présente étude décrit la procédure expérimentale de mesure du coefficient de frottement des chaussées glacées correspondant à différentes quantités de neige à l’intérieur. Les problèmes à noter dans les expériences, tels que l’étalonnage expérimental, la mise en œuvre expérimentale et les méthodes d’analyse des données, sont expliqués en détail. Les procédures expérimentales actuelles peuvent être résumées par les cinq étapes suivantes : 1) la préparation de l’équipement, 2) le calcul et l’analyse des chutes de neige, 3) l’étalonnage de l’équipement, 4) la détermination du coefficient de frottement et 5) l’analyse des données.