02 - composants voie 2011

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Cours de

2 – Composants de la voie

Dominante : Transports ferroviaires et guidés

Périmètre : Conception et dimensionnement de l'Infrastructure

Année : 4°

Auteur : Frédéric COUDERT

Année scolaire : 2011/2012

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� Le périmètre

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4°Année4°Année Infrastructure

Conception et dimensionnementde la voie ferrée

Conception et dimensionnement de l’alimentation en énergie électrique

Projet infrastructure

Infrastructure

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2.1 Quelques chiffres2.2 Le rail

2.2.1 Généralités2.2.2 Profils de rail2.2.3 Métallurgie2.2.4 Contraintes dans le rail

2.3 Les traverses2.3.1 Généralités2.3.2 Traverses bois2.3.3 Traverses métalliques2.3.4 Traverses en béton

2.4 Attaches et semelles2.5 Ballast

2 – Composants de la voie

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2.1 Quelques chiffres sur la transmission des effor ts en voie ballastée

Ordres de grandeur:� Charge à l’essieu : 22,5 t

� Charge par roue : 112,5 kN� Répartition rail (60 kg/m)

� Réaction de traverse (travelage 60 cm): � 112.5/2 = 66 kN

� Pression sur table d’appui traverse:� 66 kN / (15x18 cm) = 2444 kPa (24 bars)

� Répartition traverse (TBA B450):� 66 kN / (29x84 cm) = 270 kPa (2.7 bars)

� Répartition ballast (25 cm sous traverse): � ≅ 100 kPa sur couches d’assise (1 bar)

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2.2.1 Le rail (généralités)

� Poutre de répartition des charges de roues

� Sens vertical, transversal et longitudinal

� Guidage et maintien de la stabilité de l'essieu� Contraintes d’interface

� Contact roue-rail acier / acier� Surface réduite pour limiter la

résistance à l’avancement

� Tolérance géométrique réduite (conicité)

� Transfert des charges à la traverse via le système d’attaches

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2.2.1 Le rail: Caractéristiques

� Les rails sont caractérisés par� leur profil � la nuance d’acier qui les compose

� Il existe différents profils et nuances de rail, ad aptés aux utilisations auxquelles ils sont destinés

� Assemblage des rails:� Éclisses� Soudure électrique� Soudure aluminothermique (en voie)

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2.2.2 Profil de rail standard Vignole

� Champignon� Courbure pour le contact

roue-rail et masse pour fretter la zone de contact

� Ame� Raccord avec portées

d’éclissage� Patin

� Largeur pour transfert de charge à la traverse, portées d’éclissage et zones pour les attaches

� Multiples profils allant de 30 à 60 kg/m

� Profil 60E1 (UIC 60) est le plus utilisé

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2.2.2 Profils de rail Vignole

� Profil 30 kg Etat � Profil 60E1 (UIC 60)

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2.2.2 Autres profils de rail

� Rail DC (double champignon)� Ouest 38 kg/m symétrique� Midi 44 kg/m dissymétrique

� Rail à gorge (Tramway / voies de port)

� Profil 68G1

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2.2.3 Caractéristiques métallurgiques

� Qualités contradictoires� Résistance à l ’abrasion� Absence de fragilité� Soudabilité

� Utilisation d ’acier à oxygène ou électrique

� Produit laminé spécifique� Nuance de l'acier exprimée par la dureté minimale va riant de 200 à 350 HBW (dureté Brinnel)

� et non plus par la résistance à la traction (de 700 à 1100 N/mm²)

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2.2.3 Nuance de l'acier (extrait EN13674-1)

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2.2.3 Fabrication des rails

� Utilisation du laminage� Barres élémentaires de 80 m (voire de 120 m dans certa ins cas)� Vérification des rails en sortie:

� par contrôle ultrason� contrôle de géométrie (absence de défauts de courtes longueurs

d’onde (1 à 2 m).

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2.2.3 Soudage des Rails : Généralités

� 3 procédés principaux de raccordement � Forgeage électrique avec chauffage mixte (effet Joule et

étincelage continu)� Par induction (effet Joule)� Aluminothermie

� Procédés particuliers� raccord cœurs manganèse (Cf. cours n°3 Appareils de voie)

� Contraintes techniques

� Métallurgique : assurer la continuité du rail aussi bien en termes de résistance mécanique que de comportement à la fatigue

� Géométrique : éviter les dénivellations ponctuelles du plan de roulement (vertical) et de guidage (flanc latéral du rail)

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2.2.3 Soudage des Rails : Etincelage

� Soudure par étincelage� Courant électrique de forte intensité (40000 A sous environ 12 V)� Création d'étincelles aux abouts de chacun des rails� Soudure par induction

� Pas de formation d’inclusions non métalliques dans le champignon� Meilleure géométrie de la soudure (absence d'accostages successifs des

abouts)

� Utilisation � En atelier pour constituer des

barres longues� En voie: matériel lourd en cours

de développement

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2.2.3 Soudage des Rails : Aluminothermie

� Soudure aluminothermique� Moyens légers pour raccord en voie

des barres longues ou appareils de voie

� Réparation en voie par couponnage

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2.2.3 Soudure aluminothermique : Principe

� Utilisation des propriétés réductives de l'aluminium en présence d'oxyde de fer : Fe2O3 + 2Al � Al2O3 + 2Fe

� "Fabrication" d'acier en fusion� creuset placé au-dessus du moule� réaction fortement exothermique d’une charge aluminothermique

constituée principalement d’un mélange d’aluminium, d’oxydes de fer

� L'acier est coulé à plus de 2000°C dans un moule réfra ctaire enserrant les abouts de rails à souder

� Le mélange de l’acier coulé et de la partie fondue d e chaque about de rail �� création d'une zone fondue

� Solidification de la zone fondue �� soudure .

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2.2.3 Soudure aluminothermique : Réalisation

Réglage de l'intercalaire Dressage des 2 abouts

Dépose du moule et tranchage du métal excédentaire

Préchauffage des abouts

Mise en place du moule

Réaction aluminothermique

Meulage grossier Meulage de finition

Durée : ∼∼∼∼ 45 mn

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2.2.3 Soudage des Rails (3/3)

� Rechargement par soudure à l’arc électrique

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2.2.4 Contraintes dans le rail

� Contraintes de Hertz au contact rail/roue

� Déformation élastique au contact des courbures de la roue et du rail:

ellipse de contact

� Ordre de grandeur numérique avec essieu de 22.5 t:

� Rayons de contact: rail : 300 mm + roue de 920: 460 mm

� Ellipse de contact: surface 134 mm² (demi-axes: 7.5/5.7 mm)

� Contrainte au contact: 1256 MPa (12.56 kbar)

� Contrainte au-delà de la limite élastique au contact (écrouissage)

� Importance de contrôler la géométrie de contact

� Conicité, profil d’usure des rails et des roues

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2.2.4 Autres contraintes (dans le domaine élastique )

� Flexion du rail:

� Dépend de la charge de roue et de l’inertie du rail

� Mais aussi de la raideur de voie (travelage, étages élastiques et déformabilité de la plateforme)

� Ordre de grandeur: 60 à 100 MPa (0.6 à 1 kbar)

� Efforts thermiques (en LRS):

� Ordre de grandeur: σ = Eα∆θ = 109 MPa pour 45°C

� Contraintes résiduelles de fabrication (laminage):

� Même ordre de grandeur que les cas précédents

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2.3.1 Traverses (Fonction principales)

� Répartir les charges verticales:� Augmenter la surface d’appui sur le ballast

� Ancrer la voie transversalement: � Contribuer à la stabilité du châssis de voie en charge (efforts des

véhicules) ou à vide (stabilité LRS)

� Contribuer à la position géométrique des rails: écart ement et inclinaison notamment

� Intégrer l’interface avec les systèmes d’attaches

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2.3.2 Traverses Bois (1/2)

� Essences� Bois indigène : principalement chêne

mais aussi hêtre et pin� Bois exotique : azobé

� Fabrication� Abattage, débardage et débitage en

traverses blanches� Dessiccation, frettage, entaillage et

perçage� Imprégnation de créosote (remplacée

par l'utilisation d'essences de bois exotique) Traverse bois: entaillage et perçage

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2.3.2 Traverses Bois (2/2)

�Avantages� Assure une bonne élasticité de la voie� Bonne isolation électrique

� Inconvénients� Sensibilité aux agents atmosphériques (surtout pour le chêne)� Résistance latérale peu élevée� Coûts d’entretien devenant élevés� Utilisation de créosote

� Domaines d'emploi� En pose neuve ou en régénération de la voie

� zones courtes entre appareils de voie posés sur plancher bois,� zones où l’utilisation de traverses béton ne permet pas de dégager

le gabarit sans travaux coûteux (tunnel, quais…),

� En maintenance, remplacement de traverses bois (nécessité de conserver un plancher homogène

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2.3.3 Traverses métalliques (1/2)

� Profil laminé en forme de U renversé, embouti aux extr émités pour assurer la résistance latérale de la voie� Les traverses métalliques ne sont plus utilisées en F rance depuis une trentaine d'années

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2.3.3 Traverses métalliques (2/2)

� Avantages� Imputrescible� Peu d'entretien

� Inconvénients� Traverses légères

� Difficile à maintenir sur les voies chargées

� Résistance latérale faible malgré l'utilisation de bêches d'ancrage

� Corrosion� Difficultés pour assurer l’isolement électrique entre les 2 files de rail

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2.3.4 Traverses en béton armé (TBA) (1/4)

� Deux types� Bi-bloc par l'utilisation d’une entretoise centrale

� Monobloc avec utilisation de la précontrainte

� Types actuellement utilisés en France� Bi-bloc � n'est plus utilisée en pose neuve

� B450 � lignes principales

250 kg (L x l x h)mm = (840 x 290 x 220)� B244 � lignes secondaires

160 kg (L x l x h)mm = (680 x 290 x 170)

� Monobloc� M450 (Lignes importantes + LGV)

300 kg (L x l x h)mm = (2415 x 290 x 220)

� M260 (Lignes secondaires + faible épaisseur)260 kg (L x l x h)mm = (2500 x 290 x 170)

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� Conception des traverses� Capacité à supporter les moments de flexion générés par les

charges de roue:� moment de flexion positif sous rail qui correspond au moment appliqué au

droit de l’axe du rail et qui génère une tension au niveau de la partie inférieure de la traverse.

� moment de flexion négatif au centre des traverses monobloc qui correspond au moment appliqué au centre de la traverse et qui génère une tension au niveau de la partie supérieure de la traverse

� Moment de flexion positif �� 3 niveaux de charge� 1er niveau: sollicitations dynamiques normales en service� 2ème niveau: charges exceptionnelles et aléatoires� 3ème niveau: charges exceptionnelles accidentelles (capacité

ultime de charge, avant la ruine, de la traverse)

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�Avantages� Longévité

� Résistance latérale de la voie importante

�Inconvénients� Fragilité aux chocs du béton

� Risque de corrosion des traverses bi-bloc au niveau des entretoises

� Risque d'attrition prématurée du ballast ⇒ épaisseur de ballast sous traverse plus importante qu'avec les traverses bois

� Tenue du nivellement plus délicate dans le cas de plateformes médiocres

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� Essais de qualification

�Procédures d'essais normalisées� Vérification des moments de

conception (de haut en bas)� de la section sous rail (traverses

monoblocs et biblocs)

� de la section centrale (traverses monobloc)

� qualité du béton.

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2.3.3 TBA comparaison bi-blocs / monoblocs

Processus de fabrication plus contraignant (-)

Moins de matériaux (+)Coût de fabrication

Meilleure portance > nivellement moins fréquent (+)

Nécessite une plateforme saine (-)

Pose et tenue du nivellement

Masse plus importante (+)

Butée transversale au centre (+)

Résistance latérale

Risque de fissuration au centre (-)

Risque de corrosion de l'entretoise (-)

Liaison entre files de rail

monoblocsBi-blocsCritère

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2.4 Attaches et semelles: Caractéristiques

�Mécaniques� Assurer un effort vertical de serrage du rail sur la traverse le plus

constant possible � Couple de renversement important, s’opposant au déversement du

rail� Transmission des efforts latéraux à la traverse� Contribuer à l’élasticité et à l’amortissement de la voie (attaches

élastiques)

�Assurer l’isolement électrique�Pose et entretien

� Mécanisation de la pose� Entretien réduit au minimum (consiste essentiellement à vérifier les

qualités mécaniques de l’attache)

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2.4 Systèmes de fixation

� Systèmes rigides� Pas d'éléments élastiques

� Systèmes élastiques� Présence d'au moins un élément élastique (semelle et/ou

attache)� Système de fixation directe

� Le rail est fixé directement dans la traverse avec ou sans interposition de semelle ou de selle

� Système de fixation indirecte� Le rail est n'est pas fixé directement à la traverse �

interposition d'une selle

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2.4 Types d'attaches

� Fixation rigide� Crampons (utilisés aux USA)� Tirefonds sur les traverses en bois� Crapauds sur traverses métalliques

Tirefond

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�Fixation élastique directe� Semelle en caoutchouc� Lame ressort :

� griffon

� attache Nabla

� Fastclip� Vossloh

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�Fixation élastique indirecte� Semelle en caoutchouc� Selle� Lame ressort (Attache Nabla, Fastclip, Vossloh)

Fixation indirecte de type Fastclip

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2.4 Attaches utilisées actuellement sur le RFN

� NABLA� Nécessité de vérifier le serrage et donc l'élasticité

� Fastclip� Absence de vérification de l’élasticité résiduelle

� Crapaud Nylon: assure la prise en compte des effort s transversaux� Semelle de 4.5 ou 9 mm: filtre mécanique

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2.4 Composants des systèmes d’attaches

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2.4 Exemple: système d'attaches prémontable (Fastcli p)

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2.4 Exemple: selle intermédiaire et 2 étages élasti ques

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2.5 Ballast: Fonctions principales

� Maintenir la voie dans sa position tout en résistant aux efforts

verticaux, longitudinaux et transversaux

� Contribuer à l’élasticité et à l’amortissement de la voie

� Répartir la charge entre les traverses et la plate-forme

� Faciliter le maintien de la géométrie en permettant un

réarrangement facile par bourrage mécanique

� Assurer un drainage immédiat vis-à-vis de l’eau tomba nt sur la

voie

� Posséder suffisamment de vides pour prévenir le colmata ge et

permettre la migration des fines vers la plate-forme

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2.5 Ballast: Interface

� Sous couche compactée au dessus de la plateforme (20 cm):

� En matériaux 0/31 résistant à l’attrition par les grains de ballast� Pente transversale pour drainage vers les fossés latéraux� Isolement de la couche de ballast vis-à-vis des remontées de fines

de la plate-forme

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2.5 Ballast: Profils

� Épaisseur 15 cm minimum sous traverse et garnissage des cases pour bourrage mécanique

� Épaisseur 20 à 30 cm minimum pour tenue géométrie

� Dévers de la voie par variation d’épaisseur

� Caractéristiques banquettes pour résistance latérale (L RS notamment)

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2.5 Caractéristiques du ballast

� Granulats de pierres dures obtenues par concassage:� Fuseau granulométrique type 31.5/50� Dureté, résistance au choc et à l’attrition� Essais type Los Angelès et Deval + critères

d’angularité

� Norme européenne EN 13450 complétée par spécification technique ferroviaire nationale

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2.5 Pose sur ballast: Avantages & Inconvénients

Critères Avantages Inconvénients

Conception • Qualité géométrique suffisante pour V 250-300

• Faible émission de bruit

• Hétérogénéité des propriétés rhéologiques

• Résistance latérale limitant l’insuffisance de dévers

• Fort coefficient de transmission des vibrations

Opérationnels • Opérations de maintenance : aisées et mécanisables

• Adaptabilité aux modifications de l’environnement

• Faible tenue de la géométrie dans le temps

• Usure des matériaux (ballast) • Importance des opérations de

contrôle

Réalisation, fabrication

• Technique connue (V 300) • Facilité de réalisation • Facilité de réglage à la pose • Faible sensibilité aux erreurs de

réalisation

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