Rayon de courbure et super-élévation

Calcul du Rayon de courbure et super-élévation

Calcul du Rayon de courbure et super-élévation

Contexte : Le dimensionnement géométrique des routes.

Lors de la conception d'une route, assurer la sécurité et le confort des usagers dans les virages est primordial. Pour contrer la force centrifuge qui pousse les véhicules vers l'extérieur du virage, on incline la chaussée transversalement. Cette inclinaison est appelée déversInclinaison transversale de la chaussée dans un virage pour compenser la force centrifuge. Exprimé en pourcentage (m/m). (ou super-élévation). Le calcul de ce dévers dépend directement de la vitesse de conception et du rayon de courbureRayon du cercle qui décrit la trajectoire du véhicule dans le virage. Plus le rayon est petit, plus le virage est serré. du virage.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra d'appliquer la formule fondamentale de l'équilibre d'un véhicule en virage pour déterminer les caractéristiques géométriques minimales d'une courbe et le dévers associé, en accord avec les normes routières.


Objectifs Pédagogiques

  • Comprendre la relation entre vitesse, rayon, dévers et frottement.
  • Calculer le rayon en plan minimal pour une route donnée.
  • Déterminer la valeur du dévers à appliquer dans un virage.
  • Vérifier la conformité d'un projet par rapport aux normes de confort et de sécurité.

Données de l'étude

On étudie le tracé d'une nouvelle route rurale à 2 voies. L'objectif est de définir les caractéristiques d'un virage circulaire pour garantir la sécurité des usagers roulant à la vitesse de référence.

Contexte Réglementaire et Physique
Schéma d'un véhicule en virage déversé
Chaussée P = mg Fc tan(α) = dévers (d)
Caractéristique Symbole Valeur Unité
Vitesse de référence du projet \(V_{\text{ref}}\) 80 \(\text{km/h}\)
Coefficient de frottement transversal max. \(f_{t,\text{max}}\) 0.12 -
Dévers maximal admissible \(d_{\text{max}}\) 7 \(\%\)
Accélération de la pesanteur \(g\) 9.81 \(\text{m/s}^2\)

Questions à traiter

  1. Calculer la vitesse de référence en mètres par seconde (m/s).
  2. Déterminer le rayon minimal absolu en plan (\(R_{\text{min,abs}}\)) pour cette route.
  3. Un virage de rayon R = 300 m est envisagé. Calculer le dévers théorique requis pour ce virage.
  4. Le dévers calculé est-il réglementaire ? Justifier.
  5. Pour le virage de 300 m, quelle serait la vitesse maximale de sécurité si la route était verglacée (\(f_t \approx 0\)) ?

Les bases de la dynamique du véhicule en virage

L'équilibre d'un véhicule dans un virage est régi par la projection des forces sur l'axe transversal de la chaussée. La composante centrifuge doit être équilibrée par la composante du poids due au dévers et par la force de frottement des pneus sur la chaussée.

Formule fondamentale de l'équilibre
La relation liant ces paramètres est la suivante : \[ \frac{V^2}{g \cdot R} = d + f_t \] Où :
- \(V\) est la vitesse du véhicule (en \(\text{m/s}\))
- \(g\) est l'accélération de la pesanteur (en \(\text{m/s}^2\))
- \(R\) est le rayon de la courbe (en \(\text{m}\))
- \(d\) est le dévers (en \(\text{m/m}\), ex: \(7\% = 0.07\))
- \(f_t\) est le coefficient de frottement transversal pneu-chaussée (sans unité)


Correction : Calcul du Rayon de courbure et super-élévation

Question 1 : Calculer la vitesse de référence en mètres par seconde (m/s).

Principe

La physique et l'ingénierie reposent sur des systèmes d'unités cohérents. La formule fondamentale de l'équilibre en virage utilise le Système International (mètres, secondes). La première étape est donc toujours de convertir les données d'entrée, comme la vitesse, dans ce système.

Mini-Cours

La vitesse est une grandeur vectorielle qui représente le rapport d'une distance par un temps. L'unité internationale est le mètre par seconde (m/s). En ingénierie routière, on utilise couramment le kilomètre par heure (km/h) pour sa pertinence pratique. Le facteur de conversion 3.6 provient du rapport entre les unités : \(1 \text{ km} / 1 \text{ h} = 1000 \text{ m} / 3600 \text{ s} = 1/3.6 \text{ m/s}\).

Remarque Pédagogique

Prenez l'habitude de toujours vérifier et convertir vos unités avant de commencer un calcul. C'est la source d'erreur la plus fréquente dans les exercices de physique appliquée. Une petite annotation sur votre brouillon avec les valeurs converties vous évitera bien des tracas.

Normes

Les normes de conception routière (comme le guide français ARP - Aménagement des Routes Principales) spécifient les vitesses de référence pour chaque catégorie de route. Ces vitesses sont toujours données en km/h, mais tous les calculs de vérification dynamique se font en m/s.

Formule(s)

Formule de conversion

\[ V_{\text{(m/s)}} = \frac{V_{\text{(km/h)}}}{3.6} \]
Hypothèses

Ce calcul ne nécessite aucune hypothèse physique, il s'agit d'une simple conversion mathématique.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Vitesse de référence\(V_{\text{ref}}\)80\(\text{km/h}\)
Astuces

Pour une estimation rapide, diviser par 3.6 est proche de diviser par 3 puis de soustraire 10%. Exemple : 90 km/h / 3 = 30. 30 - 3 = 27 m/s. (La valeur exacte est 25 m/s). C'est utile pour vérifier un ordre de grandeur.

Calcul(s)

Application de la formule

\[ \begin{aligned} V_{\text{ref}} &= \frac{80 \text{ km/h}}{3.6} \\ &\approx 22.22 \text{ m/s} \end{aligned} \]
Réflexions

Nous travaillerons avec la valeur arrondie à 22.22 m/s pour la suite des calculs. Garder plus de décimales en mémoire de calcul est une bonne pratique pour préserver la précision.

Points de vigilance

Attention à ne pas multiplier par 3.6 au lieu de diviser ! Une erreur classique qui conduit à des résultats aberrants. Une vitesse en m/s est toujours numériquement inférieure à sa valeur en km/h.

Points à retenir
  • La cohérence des unités est la clé de la réussite en physique appliquée.
  • Le facteur de conversion entre km/h et m/s est 3.6.
Le saviez-vous ?

Le choix du km/h comme unité usuelle pour la vitesse des véhicules remonte aux débuts de l'automobile, où il était plus simple de mesurer les distances en kilomètres et les durées de trajet en heures.

FAQ
Résultat Final
La vitesse de référence du projet est de \(22.22 \text{ m/s}\).
A vous de jouer

Convertissez une vitesse de \(110 \text{ km/h}\) en \(\text{m/s}\) (arrondir à deux décimales).

Question 2 : Déterminer le rayon minimal absolu en plan (\(R_{\text{min,abs}}\)) pour cette route.

Principe

Le rayon minimal absolu représente la limite physique et réglementaire. C'est le virage le plus "serré" possible pour une vitesse donnée. Pour le franchir en sécurité, le véhicule doit utiliser toute l'aide disponible : l'inclinaison maximale de la route (dévers max) et l'adhérence maximale des pneus (frottement max).

Mini-Cours

La formule \(V^2/(g \cdot R) = d + f_t\) décrit l'équilibre. Le terme de gauche, \(a_c = V^2/R\), est l'accélération centripète normalisée par g. Le terme de droite est la "reprise" d'accélération offerte par la géométrie (d) et l'adhérence (ft). Pour trouver le rayon minimal, on cherche la situation où la demande d'accélération est maximale (V fixée, R minimal) et l'offre est maximale (\(d_{\text{max}} + f_{t,\text{max}}\)).

Remarque Pédagogique

Pensez à cet équilibre comme à un budget. Le virage "coûte" une certaine accélération (\(V^2/R\)). Vous "payez" avec le dévers et le frottement. Pour le virage le plus cher (R minimal), vous devez utiliser tout votre budget (\(d_{\text{max}} + f_{t,\text{max}}\)).

Normes

Les guides de conception routière (comme l'ARP en France) définissent des valeurs pour \(d_{\text{max}}\) (souvent 7%) et \(f_{t,\text{max}}\) (variable selon la vitesse et le confort visé, ici 0.12). Ces valeurs sont des compromis entre sécurité, confort, et contraintes (ex: un dévers trop fort est dangereux à faible vitesse ou à l'arrêt).

Formule(s)

Formule du rayon minimal absolu

\[ R_{\text{min,abs}} = \frac{V_{\text{ref}}^2}{g \cdot (d_{\text{max}} + f_{t,\text{max}})} \]
Hypothèses
  • Le véhicule est modélisé comme un point matériel.
  • La vitesse est constante tout au long du virage.
  • Les valeurs de dévers et de frottement sont atteintes et constantes.
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Vitesse de référence\(V_{\text{ref}}\)22.22\(\text{m/s}\)
Accélération de la pesanteur\(g\)9.81\(\text{m/s}^2\)
Dévers maximal\(d_{\text{max}}\)0.07-
Frottement transversal max.\(f_{t,\text{max}}\)0.12-
Astuces

Notez que le rayon est inversement proportionnel à la somme (\(d+f_t\)). Si vous augmentez la sécurité (en prenant un \(f_t\) plus faible), le rayon minimal requis augmentera. C'est une relation logique à garder en tête pour vérifier vos résultats.

Schéma (Avant les calculs)
Bilan des forces en situation limite
PoidsFc (max)Frottement (max)
Calcul(s)

Application numérique

\[ \begin{aligned} R_{\text{min,abs}} &= \frac{(22.22 \text{ m/s})^2}{9.81 \text{ m/s}^2 \cdot (0.07 + 0.12)} \\ &= \frac{493.7284 \text{ m}^2/\text{s}^2}{9.81 \text{ m/s}^2 \cdot 0.19} \\ &= \frac{493.7284 \text{ m}^2/\text{s}^2}{1.8639 \text{ m/s}^2} \\ &\approx 264.89 \text{ m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Zone de validité du rayon
R (m)Zone InterditeZone AutoriséeRmin = 265 m
Réflexions

Le projeteur routier doit s'assurer que tous les virages du tracé respectent cette valeur minimale. Un rayon de 265 m est un virage déjà notable pour une route rurale. On préférera toujours utiliser des rayons plus grands pour améliorer le confort. \(R > R_{\text{min,abs}} \Rightarrow \text{projet réalisable}\).

Points de vigilance

Ne pas oublier de convertir le dévers de pourcentage en valeur décimale (7% = 0.07) avant de l'additionner au coefficient de frottement. C'est une erreur fréquente.

Points à retenir
  • Le rayon minimal est une contrainte de sécurité incontournable.
  • Il est calculé dans les conditions les plus défavorables (mobilisation de \(d_{\text{max}}\) et \(f_{t,\text{max}}\)).
Le saviez-vous ?

Sur les circuits de course automobile comme à Indianapolis, les virages sont extrêmement relevés (dévers de plus de 30% !) pour permettre des vitesses très élevées avec des rayons de courbure relativement faibles. On parle de "banking".

FAQ
Résultat Final
Le rayon minimal absolu pour cette route est d'environ \(265 \text{ m}\).
A vous de jouer

Quel serait le rayon minimal si la vitesse était de \(90 \text{ km/h}\) (\(V=25 \text{ m/s}\)) ?

Question 3 : Un virage de rayon R = 300 m est envisagé. Calculer le dévers théorique requis pour ce virage.

Principe

Le rayon envisagé (300 m) est supérieur au minimum absolu (265 m). Le projet est donc viable. Pour un tel virage, on ne va pas utiliser tout le frottement disponible. Les normes définissent une "loi de dévers" qui répartit l'effort entre le dévers et une partie du frottement pour assurer un bon compromis confort/sécurité. On calcule le dévers nécessaire en utilisant la formule fondamentale.

Mini-Cours

La loi de dévers est une fonction \(d(R)\) qui, pour une vitesse donnée, associe un dévers à chaque rayon. Pour les grands rayons, le dévers est minimal (souvent 2.5%, pour l'évacuation des eaux). À mesure que R diminue, d augmente linéairement ou selon une courbe jusqu'à atteindre \(d_{\text{max}}\) pour un rayon appelé "rayon minimal au dévers maximal". Pour les rayons encore plus petits (jusqu'à \(R_{\text{min,abs}}\)), le dévers reste à \(d_{\text{max}}\) et c'est le frottement mobilisé qui augmente.

Remarque Pédagogique

Ici, on vous demande de trouver un point sur cette "loi de dévers". Puisque le rayon est "confortable" (plus grand que le minimum), le dévers devrait être inférieur au maximum de 7%. Attendez-vous à un résultat plausible, entre 2.5% et 7%.

Normes

Les normes routières (comme l'ARP) fournissent des tableaux ou des formules précises pour calculer le dévers en fonction du rayon et de la vitesse. La formule que nous utilisons est une simplification de ces règles, mais elle en capture l'esprit physique.

Formule(s)

Formule du dévers

\[ d = \frac{V_{\text{ref}}^2}{g \cdot R} - f_{t,\text{max}} \]
Hypothèses

On suppose que le virage sera parcouru à la vitesse de référence et que le coefficient de frottement mobilisé est celui fixé par la norme pour le calcul.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Vitesse de référence\(V_{\text{ref}}\)22.22\(\text{m/s}\)
Rayon du virage\(R\)300\(\text{m}\)
Frottement transversal max.\(f_{t,\text{max}}\)0.12-
Astuces

Le terme \(V^2/(g \cdot R)\) représente la "demande" totale. Le calcul \(d = \text{demande} - f_t\) montre bien que le dévers vient combler la part de la demande non couverte par le frottement.

Schéma (Avant les calculs)
Bilan des forces pour un rayon donné
PoidsFcFrottementAngle de dévers α inconnu
Calcul(s)

Calcul du dévers en valeur décimale

\[ \begin{aligned} d &= \frac{(22.22 \text{ m/s})^2}{9.81 \text{ m/s}^2 \cdot 300 \text{ m}} - 0.12 \\ &= \frac{493.7284 \text{ m}^2/\text{s}^2}{2943 \text{ m}^2/\text{s}^2} - 0.12 \\ &= 0.16776 - 0.12 \\ &= 0.04776 \end{aligned} \]

Conversion en pourcentage

\[ d_{\%} = 0.04776 \times 100 = 4.78 \% \]
Schéma (Après les calculs)
Répartition de la reprise d'accélération
Réflexions

Un dévers de 4.78% est une valeur très courante en conception routière. Elle assure un bon niveau de confort (le passager ne se sent pas trop "tiré" vers l'extérieur) tout en garantissant la sécurité à 80 km/h.

Points de vigilance

Ne pas oublier de soustraire le coefficient de frottement. Une erreur commune est de calculer uniquement le terme \(V^2/(g \cdot R)\), ce qui donnerait le dévers nécessaire si le frottement était nul (condition de "virage à la portance nulle"), ce qui n'est pas la règle de conception.

Points à retenir
  • Pour un rayon donné, le dévers est calculé pour équilibrer la force centrifuge, en tenant compte d'une part de frottement.
  • La formule \(d = V^2/(g \cdot R) - f_t\) est l'outil central.
Le saviez-vous ?

Dans les chemins de fer, le même principe s'applique ! Les rails sont inclinés dans les virages pour guider le train et limiter l'usure des roues et des rails. Le dévers ferroviaire est calculé avec des formules très similaires.

FAQ
Résultat Final
Le dévers théorique requis pour un virage de 300 m est de \(4.78 \text{ \%}\).
A vous de jouer

Calculez le dévers requis pour un rayon de \(500 \text{ m}\) (en \(\%\)). Si le résultat est négatif, considérez 0.

Question 4 : Le dévers calculé est-il réglementaire ? Justifier.

Principe

Toute valeur calculée lors d'une conception d'ingénierie doit être comparée aux limites fixées par les normes et règlements en vigueur. C'est une étape de validation cruciale qui garantit que le projet est constructible et sûr.

Mini-Cours

Les normes fixent des limites minimales et maximales pour de nombreux paramètres. Pour le dévers, il y a une limite maximale (\(d_{\text{max}}\), souvent 7%) pour éviter les problèmes à basse vitesse, et une limite minimale (\(d_{\text{min}}\), souvent 2.5% ou le profil en travers normal) pour assurer l'évacuation des eaux de pluie. La valeur calculée doit se situer dans cette plage.

Remarque Pédagogique

C'est une question simple de comparaison. La compétence ici n'est pas le calcul, mais la rigueur de la vérification. En tant qu'ingénieur, vous devez toujours vous demander : "Mon résultat respecte-t-il le cahier des charges et les normes ?"

Normes

La norme spécifiée dans l'énoncé fixe la limite supérieure : \(d_{\text{max}} = 7\%\). C'est à cette valeur que nous devons comparer notre résultat.

Formule(s)

Condition de conformité

\[ d_{\text{calculé}} \le d_{\text{max}} \]
Hypothèses

Aucune hypothèse supplémentaire n'est nécessaire.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Dévers calculé\(d_{\text{calc}}\)4.78\(\%\)
Dévers maximal admissible\(d_{\text{max}}\)7\(\%\)
Astuces

Pas d'astuce particulière ici, la comparaison est directe.

Schéma (Avant les calculs)
Jauge de conformité du dévers
0%10%d_max=7%
Calcul(s)

Vérification de l'inégalité

\[ 4.78\% \le 7\% \Rightarrow \text{Vrai} \]
Schéma (Après les calculs)
Position du dévers calculé
0%10%d_max=7%4.78%
Réflexions

La conformité du dévers confirme que le rayon de 300 m est un bon choix de conception pour une vitesse de 80 km/h. Le projet peut se poursuivre sur cette base.

Points de vigilance

Assurez-vous de comparer des valeurs de même nature (pourcentage avec pourcentage, ou décimal avec décimal). Une erreur d'inattention est vite arrivée.

Points à retenir

La validation par rapport aux normes est une étape non négociable de tout processus de conception en ingénierie.

Le saviez-vous ?

Les normes routières sont des documents vivants, régulièrement mis à jour pour tenir compte de l'évolution des véhicules (pneus, systèmes d'aide à la conduite), des matériaux de chaussée et des études sur l'accidentologie.

FAQ
Résultat Final
Oui, le dévers de \(4.78 \text{ \%}\) est réglementaire car il est inférieur au dévers maximal admissible de \(7 \text{ \%}\).
A vous de jouer

Le dévers minimal pour l'évacuation de l'eau est de 2.5%. Notre valeur de 4.78% est-elle supérieure à ce minimum ?

Répondez par Oui ou Non.

Question 5 : Pour le virage de 300 m, quelle serait la vitesse maximale de sécurité si la route était verglacée (\(f_t \approx 0\)) ?

Principe

Cette question explore un cas extrême pour illustrer l'importance du frottement. En cas de verglas, l'adhérence pneu-route devient presque nulle. La seule force qui empêche le véhicule de déraper vers l'extérieur est la composante du poids créée par le dévers. On calcule donc la vitesse maximale que le dévers seul peut supporter.

Mini-Cours

Lorsque \(f_t = 0\), la formule d'équilibre se simplifie en \(V^2/(g \cdot R) = d\). Cette situation est appelée "équilibre à la portance nulle", car le véhicule négocie le virage sans faire appel au frottement, comme un avion qui s'incline en virage. Toute vitesse supérieure à cette vitesse d'équilibre entraînera un dérapage.

Remarque Pédagogique

C'est un calcul "pour voir". Il met en évidence un risque réel et quantifie la perte de sécurité due à des conditions météorologiques dégradées. Attendez-vous à une vitesse nettement plus faible que les 80 km/h de conception.

Normes

Il n'y a pas de norme pour le calcul en condition de verglas, car c'est une situation anormale. Cependant, ce calcul justifie les mesures de sécurité hivernale (salage, limitations de vitesse temporaires) qui, elles, sont réglementées.

Formule(s)

Formule de la vitesse limite sur verglas

\[ V_{\text{max,verglas}} = \sqrt{d \cdot g \cdot R} \]
Hypothèses
  • Le coefficient de frottement transversal est considéré comme nul (\(f_t = 0\)).
  • Le dévers appliqué est celui calculé précédemment, soit 4.78%.
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Dévers appliqué\(d\)0.0478-
Accélération de la pesanteur\(g\)9.81\(\text{m/s}^2\)
Rayon du virage\(R\)300\(\text{m}\)
Astuces

Pensez à bien utiliser la valeur du dévers réellement construit (4.78%) et non le dévers maximal (7%). La sécurité dépend de la géométrie réelle de la route.

Schéma (Avant les calculs)
Bilan des forces sur verglas (Frottement nul)
PoidsFc
Calcul(s)

Calcul de la vitesse en m/s

\[ \begin{aligned} V_{\text{max,verglas}} &= \sqrt{0.0478 \cdot 9.81 \text{ m/s}^2 \cdot 300 \text{ m}} \\ &= \sqrt{140.66 \text{ m}^2/\text{s}^2} \\ &\approx 11.86 \text{ m/s} \end{aligned} \]

Conversion de la vitesse en km/h

\[ \begin{aligned} V_{\text{km/h}} &= 11.86 \text{ m/s} \times 3.6 \\ &\approx 42.7 \text{ km/h} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Chute de la Vitesse de Sécurité
Comparaison des Vitesses Limites80 km/hVerglas (43 km/h)Conditions Normales (80 km/h)
Réflexions

La vitesse de sécurité est quasiment divisée par deux ! Ce calcul démontre de manière frappante que le dévers seul est insuffisant pour garantir la sécurité à la vitesse nominale et que l'adhérence des pneus est un facteur prépondérant.

Points de vigilance

Ne pas oublier de convertir le résultat final en km/h pour donner une réponse compréhensible et comparable à la vitesse de référence initiale.

Points à retenir
  • Le frottement est un élément de sécurité majeur.
  • En son absence (verglas), la sécurité est drastiquement réduite et dépend uniquement du dévers.
Le saviez-vous ?

Les revêtements de chaussée modernes, dits "drainants", sont conçus avec une forte porosité pour évacuer l'eau rapidement. En limitant le film d'eau entre le pneu et la route, ils permettent de conserver un coefficient de frottement élevé même par forte pluie, améliorant ainsi grandement la sécurité.

FAQ
Résultat Final
En cas de verglas, la vitesse maximale de sécurité dans ce virage serait d'environ \(43 \text{ km/h}\).
A vous de jouer

Si le dévers était de \(7\%\), quelle serait la vitesse limite sur verglas (en \(\text{km/h}\)) ?


Outil Interactif : Simulateur de Dévers

Utilisez cet outil pour visualiser comment le dévers requis change en fonction du rayon du virage et de la vitesse du véhicule. Le graphique montre la relation entre le rayon et le dévers pour la vitesse sélectionnée.

Paramètres d'Entrée
80 km/h
300 m
Résultats Clés
Dévers Requis (%) -
Conformité (≤ 7%) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Si le rayon d'un virage augmente, le dévers nécessaire pour une même vitesse :

2. La force centrifuge est proportionnelle :

3. Quel est le rôle principal du dévers ?

4. Un rayon dit "non déversé" (\(R_{nd}\)) est un virage où :

5. Si la vitesse d'un véhicule double dans un virage, la force centrifuge est multipliée par :


Dévers (Super-élévation)
Inclinaison transversale de la chaussée dans un virage, exprimée en pourcentage (m/m), destinée à compenser la force centrifuge et à améliorer la sécurité et le confort.
Rayon de courbure
Rayon du cercle qui correspond au tracé de l'axe de la route dans un virage. Un petit rayon indique un virage serré, un grand rayon un virage large.
Force Centrifuge
Force d'inertie ressentie par un corps en mouvement dans une trajectoire curviligne, qui tend à le pousser vers l'extérieur du virage. Elle augmente avec le carré de la vitesse et diminue avec le rayon.
Coefficient de frottement transversal (\(f_t\))
Coefficient sans dimension qui caractérise l'adhérence latérale entre les pneus d'un véhicule et la surface de la route. Il représente la capacité de la route à retenir le véhicule contre le glissement latéral.
Calcul du Rayon de courbure et super-élévation

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