Évaluation de l'exposition aux vibrations globales du corps chez les opérateurs de compacteurs de sol

Les vibrocompacteurs à tambour unique sont largement utilisés pour le compactage des sols et la construction des routes. Il s'agit essentiellement de véhicules articulés composés d'un tambour vibrateur (rouleau) à l'avant et d'un tracteur à deux roues à l'arrière. Le tambour renferme une masse rotative excentrique dont la vibration assure un compactage efficace du sol. Les interactions dynamiques du tambour et des pneus avec le sol, jumelées au comportement dynamique du véhicule articulé à charge asymétrique, soumettent l'opérateur à des niveaux de vibrations globales du corps (VGC) de grande amplitude à travers le siège du véhicule, lequel se réduit à un coussin de mousse de polyuréthane dans la plupart des véhicules en usage au Québec. Cette étude examine les caractéristiques des vibrations et l'exposition aux VGC des opérateurs de vibrocompacteurs à tambour unique au moyen de mesures, et présente les classes spectrales de vibrations susceptibles d'être applicables à l'établissement de mesures d'intervention appropriées. Deux séries d'essais ont été entreprises afin de caractériser les vibrations mécaniques propres aux véhicules de même que l'exposition des opérateurs aux vibrations. La première série d'essais a été menée sur une piste d'essai sous conditions contrôlées en ce qui a trait à la vitesse des véhicules, à l'amplitude des vibrations causées par la masse en rotation à l'intérieur du tambour, ainsi qu'aux propriétés du sol. L'objectif en était de déterminer les comportements vibratoires des véhicules sous forme de fréquences dominantes et de modes de vibration probables. La seconde série d'essais a été menée sur deux chantiers distincts du Québec afin de quantifier et d'évaluer l'exposition aux VGC dans des conditions de travail réelles. Les essais sur le terrain étaient conçus pour mesurer les caractéristiques des vibrations transmises par les véhicules sur les chantiers selon deux modes d'opération : en compactage et en transit. Les variations relatives à la densité du sol et à l'amplitude du vibrateur en mode de compactage ont aussi été prises en considération pour ce qui est de l'étude des plages de vibrations transmises. Chaque série d'essais portait sur deux véhicules différents et représentatifs des compacteurs en usage au Québec. La série d'essais sous conditions contrôlées a été menée avec deux compacteurs de 10 tonnes neufs (un 4 cylindres et un 6 cylindres), sur sols de faible et forte densité avec réglage de l'amplitude du vibrateur à « basse » et « haute » en mode de compactage, et à une vitesse presque constante de 10 km/h en mode de transit. La série d'essais sur les chantiers a été menée avec i) un compacteur de 10 tonnes, âgé de 7 ans, considéré par les opérateurs comme étant représentatif de la « moyenne » des véhicules en usage sous l'angle des VGC, et ii) un compacteur de 13 tonnes, âgé de 2 ans, tenu pour être un des rares véhicules offrant une réduction des vibrations ; les conditions d'opération étaient entièrement à la discrétion des opérateurs. Les véhicules de la série d'essais contrôlés sur piste ont été équipés d'instruments de mesure de vibrations afin de caractériser leurs propriétés vibratoires. Les mesures relatives aux véhicules d'essai sur le terrain ont uniquement porté sur les vibrations de translation et de rotation de la cabine et du siège de l'opérateur aux fins de caractérisation et d'évaluation de l'exposition. Les essais sur le terrain comprenaient par ailleurs des essais répétés aussi bien en compactage qu'en transit. La première série comportait 27 et 23 essais, respectivement, pour les véhicules à 4 et 6 cylindres, et la deuxième série comportait 19 et 15 essais, respectivement, pour les véhicules de 10 et 13 tonnes. Les résultats obtenus lors d'essais comparables ont affiché une répétabilité raisonnablement bonne, et ont donc été combinés pour définir les plages des spectres de vibration le long des axes longitudinal (x), latéral (y), vertical (z), de tangage (θ) et de roulis (φ). Les mesures effectuées ont révélé que le comportement vibratoire de tels véhicules dépend fortement du mode d'opération. En mode de compactage, les véhicules fonctionnent invariablement à très basse vitesse – de l'ordre de 3 km/h – et leur comportement vibratoire est principalement déterminé par les propriétés dynamiques du sol et la force centrifuge exercée par la masse rotative excentrique (qualifiée d'« amplitude du vibrateur »), notamment par sa fréquence angulaire, de près de 30 Hz. Le compactage des surfaces de forte densité provoque souvent un sautillement du tambour (perte de contact avec la surface du sol), ce qui donne une vibration dominante correspondant à la moitié de la fréquence angulaire (15 Hz). L'amplitude des vibrations de basse fréquence était généralement faible dans ce mode d'opération. L'amplitude des vibrations de basse fréquence augmentait toutefois considérablement en mode de transit et ce, le long de tous les axes, en raison des interactions dynamiques du tambour et des pneus avec le sol accidenté, ainsi que des vitesses plus élevées (près de 10 km/h). Les données obtenues pendant les essais sur les chantiers ont été utilisées pour caractériser les vibrations transmises à la cabine et au siège. On a par ailleurs tenté de grouper les données des essais en compactage correspondant à deux amplitudes de vibrateur différentes, soit la « basse » et la « haute ». Cela n'a toutefois été possible que pour le véhicule de 10 tonnes, puisque l'opérateur du véhicule de 13 tonnes avait choisi d'effectuer tous les essais en réglant l'amplitude à « basse ». Les variations d'amplitude du vibrateur ont eu des effets notables sur les vibrations de basses fréquences (< 10 Hz), et plus importants encore sur les vibrations de hautes fréquences (>10 Hz), tout particulièrement à 15 Hz. Les fréquences dominantes des deux véhicules étaient assez comparables à celles fournies par les données obtenues sur la piste d'essai lors du compactage d'un sol de forte densité, bien que l'amplitude des vibrations ait été beaucoup plus élevée sur le véhicule de 10 tonnes. Par contre, l'amplitude des vibrations s'est avérée beaucoup plus faible sur le véhicule de 13 tonnes, en partie à cause du mode de compactage à « basse » amplitude. L'amplitude des vibrations de basses fréquences sur les chantiers était généralement plus faible que l'amplitude mesurée sur la piste d'essai pour le compacteur de 10 tonnes. Cela est surtout attribuable à la vitesse de transit relativement moins élevée sur les chantiers que sur la piste d'essai (près de 10 km/h). Les spectres de vibrations du compacteur de 13 tonnes ont généralement révélé une amplification des vibrations au niveau des supports de cabine et du siège. Les données ont été utilisées pour déterminer les plages de vibrations pouvant servir à définir les classes spectrales de vibrations et pour explorer de meilleures façons de concevoir les supports de cabine, les supports de tambour et les sièges à suspension afin de réduire la transmission des vibrations de basses fréquences. Ces spectres pourraient également être utilisés dans le cadre d'une approche de conception fondée sur la simulation pour vérifier la dynamique des modèles de véhicules. Les données ont ensuite été analysées pour évaluer l'exposition aux VGC à l'aide de la norme ISO 2631-1 et de la directive 2002/44/CE de la Communauté européenne (CE). Le compacteur de 10 tonnes présentait des valeurs d'exposition beaucoup plus élevées en mode de compactage que le véhicule de 13 tonnes, ce qui s'explique vraisemblablement par le réglage de l'amplitude à « basse » sur ce dernier. En mode de transit, le compacteur de 13 tonnes présentait des valeurs de vibration pondérées en fréquence beaucoup plus élevées au niveau de la cabine, ce qui peut en partie s'expliquer par des vibrations de roulis et de tangage accrues par rapport au compacteur de 10 tonnes. Le coussin du siège du compacteur de 10 tonnes causait néanmoins une amplification de près de 60 % des vibrations de la cabine, alors que cette amplification n'était que de 16 % dans le cas du siège à suspension monté sur le compacteur de 13 tonnes. Les valeurs d'exposition journalière A(8) pour les deux machines ont été calculées selon trois schémas d'exposition différents, fondés sur les durées de compactage et de transit, soit 6,00, 6,25 et 6,50 heures de compactage, et 1,00, 0,25 et 0,50 heure de transit, respectivement, avec 1 heure d'activités dans un environnement exempt de vibrations. La moyenne des valeurs d'exposition A(8) basée sur les vibrations du siège du compacteur de 10 tonnes dépassait la valeur d'action de 0,5 m/s2 recommandée dans la directive de la CE et ce, pour les trois schémas d'exposition pris en compte. Les valeurs d'exposition aux vibrations de la cabine n'étaient que légèrement supérieures à la valeur d'action pour les trois schémas. Les valeurs moyennes d'exposition journalière aux vibrations de la cabine sur le compacteur de 13 tonnes étaient bien inférieures à la valeur d'action, alors qu'elles approchaient 0,47 m/s2 au niveau du siège. Les valeurs d'exposition obtenues pour ce véhicule ne l'ont toutefois été qu'avec un réglage de l'amplitude du vibrateur à la position « basse ». Le compactage avec un réglage de l'amplitude à « haute » pourrait produire des valeurs d'exposition plus élevées. Ces résultats suggèrent que l'utilisation d'un siège à suspension dûment adapté serait indispensable pour maintenir l'exposition en deçà de la valeur d'action, surtout dans le cas du compacteur de 10 tonnes, soit le véhicule le plus représentatif des compacteurs utilisés au Québec. Il a été observé que le siège de la plupart des compacteurs en usage au Québec n'est pas équipé d'une suspension et que la suspension de la cabine se limite à deux supports en caoutchouc. Il est aussi recommandé d'examiner de plus près la conception des sièges à suspension montés sur les véhicules plus récents et leur adaptation réelle au contexte de

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