Cours EHTP 2011 2012 2ème Partie [PDF]

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Sommaire 1ère partie Historique des chemins de fer au Maroc Introduction à la technologie ferroviaire Étude du tracé d’une infrastructure ferroviaire Les rails 2ème partie Les traverses et les attaches L’éclissage et les longs rails soudés (LRS) Les structures d’assises La mécanique de la voie 3ème partie

Pose de la voie Entretien de la voie Les appareils de voie Équipement des lignes pour la traction électrique 4ème partie Contrôle Commande et signalisation Matériel roulant Sécurité et sûreté ferroviaire Année universitaire 2012 - 2013

SOMMAIRE : Les traverses et les attaches L’éclissage et les longs rails soudés (LRS) Les structures d’assises et ballast La mécanique de la voie

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Introduction : Les traverses

• Le rôle des traverses est de maintenir les rails à l'écartement normal et de répartir la charge que les rails reçoivent des essieux sur une étendue suffisante de ballast pour ne pas dépasser une certaine charge unitaire. • Il faut que par leurs dimensions en longueur et en largeur, elles fournissent une surface d'appui suffisante pour que la pression unitaire reste dans certaines limites et que leur épaisseur leur donne la rigidité nécessaire tout en leur laissant une certaine élasticité. • On rencontre trois types de traverses : les traverses en bois, les traverses métalliques, les traverses en béton armé. Année universitaire 2012 - 2013

Traverses et attaches 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Pose sur traverses Traverses en bois Traverses métalliques Traverses en béton armé Pose sur dalles Attaches Cheminement

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1.

Traverses et attaches : Pose sur traverses

les traverses jouent un triple rôle

1. Transmission des charges du rail au ballast 2. Maintien de l’écartement des deux files de rails 3. Maintien de l’inclinaison au 1/20e du rail « Vignole »

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2. Traverses et attaches : traverses en bois •

La surface d'appui d'une traverse ordinaire de 2,60 m x 0,28 étant de 7.280 cm², la pression statique sur le ballast, supposée uniformément répartie serait, dans le cas d'un essieu de locomotive chargé de 24 tonnes, de

•

Mais si l'on tient compte de ce que la traverse n'est bourrée que sur ± 45 cm de part et d'autre du rail, cette pression statique sur le ballast devient :

•

(ballast). Si le bourrage n'existe que sur 40 cm, cette pression monte à 5 kg/cm².

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2. Traverses et attaches : traverses en bois

Production Nature des bois -

-

Bois tendre: n’est plus utilisé du fait de leur mauvaise résistance au vieillissement ; Chêne : bois dur avec une excellence résistance à la compression et à l’arrachement des tirefonds Hêtre : bois dur avec sensiblement les mêmes caractéristiques que le chêne mais facilement attaquable par la pourriture ; Bois divers : acacia, orme, charme ; Bois tropicaux : ils sont d’une grande résistance mécanique (Gabon, Cameroun, Asie du sud-est) Année universitaire 2012 - 2013

2. Traverses et attaches : traverses en bois

Préparation des traverses -

-

Dessiccation Frettage : cette opération consiste à ceinturer les extrémités de la traverse par un collier métallique énergiquement serré. Entaillage - perçage

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2. Traverses et attaches : traverses en bois Imprégnation -

Produits avec les qualités suivantes : -

-

Pouvoir insecticide et fongicide maximal et constant dans le temps Conservation du caractère isolant du bois Absence de toxicité pour le personnel

Installation d’imprégnation Procédés d’imprégnation: les deux procédés principaux sont : -

Procédé Bethell Procédé Ruping Année universitaire 2012 - 2013

2. Traverses et attaches : traverses en bois Imprégnation -

Les causes de détérioration des traverses en bois sont : -

d’ordre mécanique dues à la formation de fentes dues à des attaques biologiques dues à des attaques chimiques

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3. Traverses et attaches : traverses métalliques

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3. Traverses et attaches : traverses métalliques

• • •

•

Les traverses métalliques rappellent par leur forme celle d'une auge renversée. Elle fournit au rail une bonne surface d'appui, s'accroche bien dans le ballast et emboîte convenablement celui-ci. Les bords inférieurs des ailes, renforcés pour résister aux coups des outils de bourrage, présentent une section triangulaire qui facilite leur pénétration dans le ballast. Quant aux bouts, ils sont emboutis à chaud à la presse de manière à fermer la traverse aux deux extrémités et emprisonner le noyau de ballast. Ces bouts présentent un épanouissement nervure qui offre une plus grande résistance au ripage transversal de la voie. Ainsi conçue, la traverse métallique, bien bourrée, constitue un bon ancrage dans le ballast et s'oppose au déplacement longitudinal de la voie.

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4. Traverses et attaches : traverses en béton armé

• • • • • •

Premier système : traverses monobloc : La traverse est une poutre. Second système : traverses mixtes : La traverse est constituée de deux appuis à large empattement, dont l'écartement est maintenu par une entretoise. Troisième système : traverses en béton précontraint. Le plus généralement, on dispose une selle en acier, en caoutchouc ou en bois comprimé entre le patin du rail et la portée d'appui de la traverse inclinée au 1/20. Le poids de la traverse en béton est au moins double et parfois triple de celui d'une traverse en bois de chêne ce qui rend sa manutention plus difficile. Par suite de son poids élevé, la traverse en béton assure une meilleure stabilité de la voie ; mais elle donne une voie plus rigide car elle ne possède pas l'élasticité de la traverse en bois. Par contre, elle procure une économie de ballast et elle est peu sensible aux agents atmosphériques.

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4. Traverses et attaches : traverses en béton armé Historique : Les TBA présentaient à l’origine deux très graves défauts : - Une tendance aux rupture de fragilité sous l’effet d’une charge appliquée brusquement - Une très faible résistance à la fatigue

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4. Traverses et attaches : traverses en béton armé Les traverses modernes : Le béton précontraint permet : - d’obtenir une meilleure résistance aux efforts alternés - de diminuer l’épaisseur des traverses - de diminuer la quantité d’acier mise en oeuvre

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4. Traverses et attaches : traverses en béton armé Procédure d’agrément et conditions de réception • •

Procédure d’agrément Conditions de réception

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4. Traverses et attaches : traverses en béton armé

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5. Traverses et attaches : pose sur dalles Les dalles sont de deux types : - Béton ordinaire : abandonné suite aux fissurations qui se sont produites - Béton précontraint longitudinalement dont la tenue reste satisfaisante. Outre le prix élevé, un inconvénient majeur réside dans les problèmes posés par leur entretien en cas de mouvement du sol.

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6. Traverses et attaches : attaches Crampons et tire-fonds : Le rail est fixé sur les traverses en bois par des tirefonds (vis à bois) ou des crampons (clous à sertiob carré)

Attaches sur traverses métalliques Le rail est fixé à l’aide de boulons qui prennent appui sur les crapauds

Attaches sur traverses en béton armé Le rail est fixé à l’aide d’un boulon-tirefond vissé dans une gaine isolante ou non elle-même scellée à la traverse ou à l’aide d’un boulon à tête marteau RS

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6. Traverses et attaches : attaches Les attaches élastiques : Elles forment un intermédiaire doublement élastique entre rail et traverse c’est-à-dire opposent une résistance élastique aux mouvements relatifs dans le sens vertical.

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7. Traverses et attaches : cheminement On constate que dans une voie éclissée ordinaire, les rails cheminent longitudinalement dans le sens général du mouvement des trains. Ce mouvement peut être contrarié par des causes locales : - Fréquence des démarrage - Pente ou rampe - Etc.

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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) Éclissage Permissifs de dilatation Généralités sur les longs rails soudés Stabilité des L.R.S. Pose des L.R.S. Dilatation des L.R.S. Utilisation des L.R.S. Année universitaire 2012 - 2013

Introduction : Long rail soudé

Les longs rails soudés ou LRS, appelés aussi « barres longues », constituent une méthode moderne de pose des voies ferrées qui présente l'intérêt de supprimer la plupart des joints de rails sur des longueurs importantes, souvent de plusieurs kilomètres. Les barres longues sont produites en atelier par la soudure de rails élémentaires. Ces barres longues, dont la souplesse autorise le transport sur des rames de wagons plats, sont ensuite posées et soudées entre elles sur place par soudure aluminothermique. La dilatation du métal avec la température, qui est contrariée dans ce système de pose, se transforme en contraintes de compression ou de tension. Aux extrémités on installe des appareils de dilatation ou des joints à grands permissifs, qui permettent aux rails de coulisser, tout en assurant sans hiatus la continuité du roulement. Année universitaire 2012 - 2013

1. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : l’éclissage L’éclissage permet d’assembler deux rails consécutif. Il doit satisfaire aux 4 conditions : 1.

2. 3. 4.

Relier les rails pour qu’ils se comportent comme une poutre continue en alignement et en nivellement Avoir une résistance à la déformation Empêcher les mouvements verticaux ou latéraux des extrémités des rails l’une par rapport à l’autre Être aussi simple que possible et composé du minimum d’éléments

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1. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : l’éclissage 2. Entretien des éclissages L’influence de la brisure du profil en long sur l’importance du « coup de marteau » est considérable que l’on peut imputer à : - la création d’une dépression au droit de chaque joint d’où inconfort des voyageurs et fatigue du matériel roulant la déformation des abouts des barres la déconsolidation des attaches et de l’appui des traverses

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1. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : l’éclissage 3. Utilisation d’éclisse ondulée à profil renforcé à 6 trous 4. Pour l’isolement électrique longitudinal des files de rail, on utilise des joints spéciaux

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2. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : permissifs de dilatation L’éclisse doit permettre au rail de se dilater et de se contracter librement en fonction des variations de température.

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3. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : généralités sur les longs rails soudés

On appelle long rail soudé (L.R.S.) une barre dont la longueur est suffisante pour qu’un, au moins, de ses points reste fixe, quelles que soient les variations de température.

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4. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : stabilité des L.R.S Une voie posée en LRS est soumise, aux température élevées, à des compressions longitudinales. Le phénomène de flambage, qui peut en résulter, est cependant très différent du flambage classique étudié dans la résistance des matériaux : - Le rail est assimilable à une poutre d’élancement infini - Le mouvement latéral du rail est contrarié par des forces antagonistes (frottement des traverses sur le ballast, couple de fixation par les attaches du rail sur les traverses). Année universitaire 2012 - 2013

5. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : pose des L.R.S. A la pose, on choisit une température de contrainte nulle (25°) Cette « libération des contraintes » est effectuée lorsque la voie est stabilisée, c’est-à–dire lorsque les résistances longitudinales et transversales de ballast ont atteint une valeur suffisante

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6. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : dilatation des L.R.S.

Rien ne s’oppose à la pose d’une barre de longueur infinie, la contrainte longitudinale étant indépendante de la longueur. Toutefois, des points singuliers (appareils de voie, ouvrages d’art, etc.) obligent à réaliser des joint.

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7. L’éclissage et les longs rails soudés (L.R.S.) : utilisation des L.R.S.

La pose des nouvelles voies se font en L.R.S. Elles sont soudées en longues et transportées sur des rames spécialement aménagées. Les tronçons sont reliés entre eux par soudure aluminothermique. L’entretien du nivellement est moins fréquent dans la voie soudée. L’utilisation de la voie soudée élimine les dépenses relatives au matériel des joints et les dépenses dues à la fatigue plus accentuée de la voie au voisinage des joints. Année universitaire 2012 - 2013

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Les structures d’assise 1. 2. 3. 4.

Rôle des structures d’assise Caractéristiques du ballast Profil du ballast Calcul de l’épaisseur des structures d’assise

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Les structures d’assise 1. Rôle des structure d’assise Généralités

1. Les diverses couches d’assise : - répartissent sur la plateforme les charges concentrées qu’elles reçoivent des traverses - contribuent aux stabilisations longitudinales et latérales de la voie

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Les structures d’assise 1. Rôle des structure d’assise 1. Généralités Si on enlève une voie en place, on voie à l’emplacement de chaque traverse, une surface serrée et unie : c’est ce qu’on appelle le « moule »

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Les structures d’assise 1. Rôle des structure d’assise 2. Les différentes couches d’assise comprennent : 1. -

-

La couche de ballast dont l’épaisseur, mesurée sous traverse : assure le drainage et l’évacuation rapide des eaux Constitue un amortisseur de vibrations Permet la rectification très rapide du nivellement et du tracé

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Les structures d’assise 1. Rôle des structure d’assise 2. Les différentes couches d’assise comprennent : 2. La sous couche dont les rôles sont : La protection de la partie supérieure de la plateforme contre la corrosion Une meilleure répartition des charges transmises Sa nature et son épaisseur dépendent des : - caractéristiques du sol - caractéristiques géologiques et hydrogéologiques du site - conditions climatiques

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Les structures d’assise 2. Caractéristiques du ballast 1. Nature et origine : On emploie comme ballast : - du sable ou du gravier tout venant, de rivière ou de carrière de la pierre cassée, granitique, siliceuse ou calcaire (dans ce cas, elle doit être dure et non gélive) des cailloux du laitier de haut fourneau Année universitaire 2012 - 2013

Les structures d’assise 2. Caractéristiques du ballast 2. Qualité du ballast : La qualité du ballast est définie par un « coefficient de qualité » qui précise la résistance à l’usure, au frottement et aux chocs modérés

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Le ballast • L'épaisseur minimum généralement admise pour la couche de ballast entre la plateforme et la face inférieure des traverses est de 30 centimètres. • Elle dépend de la charge des essieux, car il s'agit de répartir celle-ci sur une surface d'autant plus grande que la charge sera plus élevée. Pour une charge supplémentaire P', l'excédent de hauteur H' fournira le complément de surface S' nécessaire. • Un bon ballast doit présenter les qualités suivantes : perméabilité, élasticité, solidité, se prêter au bourrage, ne pas être gélif, ne pas se désagréger sous l'influence des agents atmosphériques.

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Le coefficient de ballast • Le ballast, constituant la fondation de la voie, est caractérisé par ce que l'on appelle le coefficient de ballast. • Si p est la pression exercée sur l'unité de surface du ballast, l'enfoncement élastique correspondant y de la traverse sera d'autant plus faible que le ballast résistera mieux ; on peut écrire :

• dans laquelle C représente le coefficient de ballast. • Cette formule, dite de Winkler, exprime la valeur de la contre-pression du ballast sur l'unité de surface d'appui des traverses. Année universitaire 2012 - 2013

Les structures d’assise 3. profil du ballast On ballaste à « plancher découvert » c’està-dire que le dessus des traverses est découvert d’où une meilleure visibilité des attaches, économie de ballast et facilités de nivellement de la voie. Le profil du ballast peut être encore plus réduit pour les voies posées sur traverses béton dont le poids élevé contribue à la stabilité de la voie

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Les structures d’assise 4. Calcul de l’épaisseur des structures d’assise 1. La transmission des efforts de la traverse à la plateforme se fait suivant la théorie de Boussinesq dont les résultats concordent étroitement avec les valeurs obtenues lors des essais. Les plateformes peuvent être classées en 3 grandes catégories : Sols qui ne sont jamais saturés Sols saturés à longueur d’année Sols saturés accidentellement

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Les structures d’assise 4. Calcul de l’épaisseur des structures d’assise

2. La couche de forme est en général constituée du même matériau que le corps de remblai mais se distingue dans la cas d’une voie neuve par le taux de compactage En déblai, on complète le terrain en place pour un aménagement de la partie supérieure en couche de forme.

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Les structures d’assise 4. Calcul de l’épaisseur des structures d’assise

En vue d’une bonne qualité globale du système plateforme – couches d’assise, il convient de considérer la classification des plateformes Les plateformes sont classées en six classes : S5 : plateforme rocheuse saine peu altérable S4 : plateforme très bonne S3 : plateforme bonne S2 : plateforme moyenne S1 : plateforme mauvaise S0 : plateforme en sols organiques

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Substitution Soudures Ballastage Bourrage

VOIE DE CHANTIER

Bourreuse

Etirement rails

Bourrage

Régaleuse

Dilatation

Régalage

Epuration

Soudure

Stabilisation

Criblage

Finitionsmanuelles

Serrage

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Dégarnissage

Chargement

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La mécanique de la voie 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Généralités Efforts supportés par la voie Caractéristiques techniques de la voie Défauts géométriques de la voie Phénomènes verticaux Phénomènes transversaux Vibrations de la voie aux passages des trains

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La mécanique de la voie 1. Généralités Constitution de la voie : -

-

Assemblage d’éléments d’élasticités variables Transmission à la plateforme (ellemême déformable) de la charge dynamique des roues La voie comporte deux rails dont l’inclinaison et l’écartement sont maintenus par des traverses reposant sur une épaisseur de ballast La voie supporte des efforts verticaux, transversaux et longitudinaux

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La mécanique de la voie 2. Efforts supportés par la voie 2.1- Poids par essieu Selon la fiche UIC, les voies sont classées en 3 catégories : A : 16 t par essieu B : 18 t par essieu C : 20 t par essieu Elles-mêmes décomposées en sous-groupes d’indices 2, 3 et 4 (charge répartie au mètre linéaire) exemple C4 2.2- Interactions véhicule – voie Les efforts longitudinaux sont dus essentiellement aux accélérations et aux freinage et sont peu important La résistance de la voie aux efforts verticaux reste généralement dans le domaine élastique et la plateforme est suffisamment résistante La résistance opposée par la voie aux efforts latéraux sort rapidement du domaine élastique. Année universitaire 2012 - 2013

La mécanique de la voie 3. Caractéristiques techniques de la voie 3.1- élasticité de la voie a) b)

c)

Module de voie K = r / y (y enfoncement correspondant à une charge r) Coefficient de réaction de traverse r = R / y (y enfoncement à la réaction verticale R d’une traverse par file de rail) = Kl (l est la distance entre deux traverses consécutives) Coefficient de ballast C = r / S = R / yS = p / y (p étant la pression moyenne sur la surface S d’appui de la traverse)

3.2- élasticité des différents composants En fait, la voie est constituée par une chaîne de matériaux ayant chacun leur élasticité propre (plateforme, sous-couche, ballast, traverse, rails, etc.)

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La mécanique de la voie 4. Défauts géométriques de la voie Les défauts de nivellement et les défauts des véhicules (balourd de roue par exemple) provoquent des surcharges dynamiques aléatoires 4.2- Spectres de densité de puissance des défauts de la voie L’analyse des défauts des principales données de la voie (nivellement et dressage de chaque file, écartement) est faite au moyen de la voiture d’enregistrement

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La mécanique de la voie 5. phénomènes verticaux Comportement statique de la voie sous l’action des charges verticales : on dispose de deux facteurs pour conserver la qualité du nivellement, soit améliorer le coefficient de ballast, soit augmenter le nombre de traverses par kilomètre. Une traverse « danseuse » ne repose plus sur son moule de ballast sur lequel elle est brutalement appliquée aux passages des charges. Le méplat d’une roue est constitué par une partie plane sur le cercle de roulement suite à un enrayage. Le RIV a limité la longueur du méplat à 85mm pour une roue d’un mètre. Année universitaire 2012 - 2013

La mécanique de la voie 6. Phénomènes transversaux 1.

Cinématique de l’essieu dans la voie : la solidarité des deux roues d’un même essieu impose une conicité des bandages qui limite dans les courbes les phénomènes de glissement en permettant des cercles de roulement de diamètres différents proportionnels aux chemins à, parcourir. L’essieu, dans un mouvement de lacet, peut occuper diverses positions.

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La mécanique de la voie 6. Phénomènes transversaux 2. Contact rail-roue. Lorsqu’une roue roule sur un rail, le contact se fait par une petite surface de forme elliptique Pseudo-glissement. Conicité équivalente 3. Phénomène dynamique de lacet D’autres phénomènes (frottement entre caisse et bogie, jeu entre essieu et boite d’essieu) accentuent encore la non linéarité du phénomène compliqué enfin par les chocs des boudins sur les rails.

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La mécanique de la voie 6. Phénomènes transversaux 4. Résistance de la voie aux efforts transversaux l’influence des divers facteurs de déstabilisation transversale de la voie : Vitesse Charge d’essieu Serrage des attaches Type de voie Contraintes thermiques Stabilisation de la voie (opération d’entretien)

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La mécanique de la voie 7. Vibrations de la voies aux passages des charges roulantes La voie ferrée, aux passages des charges roulantes, est soumise à un ébranlement du sol et un bruit intense dus aux phénomènes de glissement roue – rail et aux irrégularités du contact de roulement

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A suivre

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