Comportement dynamique et modélisation de la voie ferrée

Ce travail de thèse a pour objectif principal de proposer un outil numérique, conçu pour des études d’ingénierie, visant à reproduire le plus fidèlement possible et en un temps limité le comportement dynamique de la voie ferrée aux passages des trains. Pour cela, les éléments constituant la voie ferrée doivent être soigneusement modélisés pour que la vision numérique de la voie soit proche de sa structure réelle. Ces composants et couches granulaires sont présentés dans la section 1.1. Des perspectives d’évolution, qui commencent à émerger pour certains composants sont présentées, pour qu’elles puissent être anticipées et modélisées avec l’outil développé. L’accent est ensuite mis sur le comportement dynamique de la voie ferrée, et les caractéristiques propres à ce comportement dans le cadre ferroviaire sont décrites. Enfin, en section 1.2, une revue des modèles existants de la voie ferrée est réalisée, dans le but de tirer le meilleur parti de l’état de l’art existant, de manière à construire un outil capable de répondre aux besoins exprimés par le partenaire industriel de cette thèse. Le but de cette section est d’introduire l’objet d’étude de la thèse qui est la voie ferrée.

Notons dès à présent que le terme voie ferrée tel qu’il est employé dans ce travail prend en compte également la plateforme ferroviaire. Les caractéristiques des éléments qui la composent sont brièvement détaillées ainsi que leurs fonctions mécaniques dans le comportement global. Les préconisations existantes pour la conception des structures d’assise des voies nouvelles sont décrites, et l’accent est mis sur les nouveaux éléments qui commencent à être introduits en voie. Les méthodes d’auscultation des structures de voie existantes sont détaillées. En France, le Réseau Ferré National (RFN) compte 30000 km de voie dont 2024 km de lignes à grande vitesse (LGV). Le développement de ce réseau a commencé au XIXe siècle. C’est ce savoir-faire et le retour d’expérience acquis au fil des années qui a permis d’améliorer la performance des infra- structures au fil des ans pour permettre d’atteindre la vitesse de 320 km/h en circulation commerciale et 574,8 km/h lors du record du monde de vitesse sur rail. Le premier élément directement en contact avec le train est le rail. Constitué d’acier, sa section a évolué au fil des années, le profil le plus couramment utilisé aujourd’hui étant le rail 60E1, dont le schéma de section est présenté en Fig. 1.2. Ce rail doit son nom à sa masse, qui est de 60 kg par m. Le rail s’appuie sur des traverses, qui peuvent être en bois ou plus généralement (et exclusivement sur les LGV à l’exception de poses spécifiques sur traverses bois pour appareils de voie sur LGV Atlan- tique) en béton.

Deux types de géométrie, détaillées sur la Fig. 1.3 coexistent pour les traverses béton : les traverses monoblocs et les traverses biblocs pour lesquelles deux blochets en bétons sont reliés par une entretoise métallique. exemple du plastique recyclé. Si ce type de solutions a été mis en place ponctuellement, au Japon et aux Etats-Unis par exemple, il reste toutefois marginal, le manque de connaissance sur la performance long terme et la durabilité du matériau ne permettant pas, pour le moment, de généraliser son usage [Ferdous et al., 2015]. La mise en place de normes sur le sujet pourrait toutefois en accélérer le développement [Manalo et al., 2010].Le lien entre rail et traverses est assuré par le système d’attache dont plusieurs exemples sont présentés en Fig. 1.4 et dont les fonctions sont le positionnement (blocage latéral) et maintien du rail (blocage longitudinal) ; la transmission et l’amortissement des efforts verticaux et l’isolation électrique [Alias, 1984].Sur LGV, les semelles sous rail les plus couramment utilisées sont des semelles de 9 mm d’épaisseur à surface cannelée, avec une raideur annoncée de 90 kN/mm. Cette valeur est relativement faible en comparaison des semelles utilisées dans d’autres pays européens [Pita et al., 2004].

De plus, la question de mettre en voie des semelles plus souples pour tenter de diminuer les sollicitations sur la sous-structure est actuellement à l’étude. Des zones du RFN ont été équipées et le retour d’expérience permettra de vérifier cette hypothèse. Par ailleurs, la notion de raideur des semelles fait l’objet d’études approfondies puisque leur comportement est visco-élastique, ce qui ne permet pas de les caractériser pleinement par cette seule valeur de raideur. Un autre élément résilient qui peut être introduit au niveau de la superstructure pour prolonger la durée de vie de la voie est la semelle sous traverse (USP pour Under sleeper Pad). Un projet UIC intitulé Under Sleeper Pad [UIC, 2009b] a montré que, sur une section expérimentale en Suisse, la géométrie des zones équipées d’USP restait meilleure que celle des zones similaires non équipées. Une autre conclusion de ce rapport est que l’introduction d’USP souples diminue, pour des fréquences supérieures à 40 Hz, les vibrations induites par les trains de l’ordre de 10 dB. L’introduction de l’élément permet une répartition de la charge sur un plus grand nombre de traverses [Sol-Sánchez et al., 2015], ainsi qu’une augmentation de la surface de contact entre traverses et ballast, qui peut passer de 4% sans USP jusqu’à 30% en présence d’USP souples [Riessberger, 2006].