Mesures d’accélérations au passage des trains

Cette partie vise à décrire les mesures qui ont été réalisées sur la zone au passage des trains commer- ciaux. Ces mesures consistent essentiellement au relevé de l’accélération des traverses dans la transition. Les mesures d’accélération ont été effectuées dans la zone de transition adjacente à la voie sur dalle côté Strasbourg (entre le pK 20.470 et le pK 20.515), sur les deux voies de circulation. Quatre zones ont été instrumentées avec 6 accéléromètres chacune :

— La voie ballastée

— La zone de transition munie du tapis 2 — La zone de transition munie du tapis 1 — La voie sur dalle

Dans chacune des zones, les accéléromètres ont été collés sur trois traverses consécutives à l’exté- rieur de chacune des files de rail, comme représenté sur la Fig.4.4. Compte tenu de la spécificité de la zone (défauts importants et danse), une attention particulière a été portée au choix des traverses, pour s’assurer qu’aucune d’entre elles n’était danseuse. Enfin, les traverses sur lesquelles les mesures ont été effectuées sont situées en milieu de zone pour les zones avec tapis, de manière à ne pas être trop influencé par la transition elle-même.

FIGURE4.4 : A gauche : position des accéléromètres (identique pour chaque zone). A droite : photo

d’un accéléromètre pendant les mesures.

Les propriétés des accéléromètres utilisés sont résumées dans le tableau 4.2. Une pédale de type Honeywell est placée sur le rail en amont des capteurs de mesures pour permettre le déclenchement de l’enregistrement quand les trains passent.

Tableau 4.2 : Propriétés des capteurs utilisés pour les mesures au passage.

Marque et modèle Unités Capacité Autres spécificités

Accéléromètres ICP-PCB 602D01 m/s2 +₋50g Bruit spectral à 10 Hz : 31.0 (µ m/s2_)/Hz

Gamme de fréquences : 0.47 à 1000 Hz

Mesure d’enfoncement

Micro Epsilon mm 10 mm Capteur laser

Ces mesures ayant été effectuées aux passages des circulations commerciales sur la LGV Est, plu- sieurs types de trains sont disponibles : TGV en US (unité simple), TGV en UM (unités multiples) ou ICE. Compte tenu du nombre disponible dans chacune de ces catégories, la population des TGV en US est retenue pour les analyses globales. Un exemple de mesures obtenues brutes et filtrées à 100 Hz (par un filtre de Butterworth d’ordre 5) est présenté sur la Fig.4.5.

FIGURE4.5 : Accélération sur une traverse de la voie ballastée non filtrée (en bleu), et filtrée à 100 Hz

(en rouge).

Seize passages en unités simples sont disponibles sur la zone étudiée. Les vitesses de ces passages sont toutes sensiblement différentes. Il est possible de faire une distorsion du temps sur ces passages, selon la méthode développée dans la partie4.3pour les superposer mais le risque serait de masquer cer- tains effets fréquentiels, la vitesse de circulation générant des effets dynamiques. L’analyse des signaux temporels complets sera faite sur un passage représentatif. En revanche, dans cette partie des moyennes et écarts-types des maxima sur l’ensemble des signaux sont présentés.

Sur la Fig.4.6est représentée la correspondance entre essieux et accélérations mesurées. Le cadre rouge entoure les essieux dont l’accélération induite sera retenue pour la suite des analyses.

Sur les deux voies et dans chacune des zones les valeurs maximales de ces 7 bogies sont retenues pour les 6 accéléromètres. La moyenne des ces valeurs et l’écart type sont calculés par zone et présentés dans le tableau4.3.

Les faibles écarts types calculés dans les zones (inférieurs à 10 %) montrent que la moyenne des accélérations maximales est un indicateur plutôt robuste, permettant de comparer les zones entre elles. Sur les résultats en eux-mêmes, la première constatation est que la moyenne de ces maximums d’accé- lération est près de 4 fois supérieure dans la transition et sur la dalle que pour la voie ballastée courante.

Expérimentations et simulations numériques de la réponse de la voie aux passages des trains. Validation expérimentale et analyses du comportement dynamique

FIGURE4.6 : Visualisation de l’influence de chaque essieu sur un signal d’accélération sur traverse.

Tableau 4.3 : Moyennes et écart types des valeurs maximales des pics d’accélérations sous les 7 bogies choisis (voir Fig.4.6), pour 16 passages de TGV sur la voie 1 et 34 passage pour la voie 2.

Voie Ballastée ZT Tapis 2 ZT Tapis 1 Voie sur dalle

Moyenne (m/s2) 2.7 8.0 7.2 7.8

Écart Type (m/s2) 0.2 0.7 0.6 1.5

Avec ce simple indicateur, la génération de défaut à la transition entre voie ballastée et zone munie de tapis peut s’expliquer : une multiplication des accélérations par 4 sur seulement quelques traverses va engendrer du tassement différentiel.

En revanche, la comparaison de ces maximums ne permet pas d’expliquer les défauts dans la tran- sition elle-même, ni ceux qui peuvent apparaître entre zone de transition et dalle.

Pour cela, il est nécessaire d’approfondir l’analyse des signaux. En particulier, le contenu fréquentiel des accélérations mesurées peut permettre d’identifier certains facteurs prépondérants.

La densité spectrale de puissance est calculée à chaque accéléromètre et pour chaque passage de TGV sur les deux voies. La Fig.4.7rappelle le lien entre caractéristiques géométriques et fréquence en fonction de la vitesse, comme cela a été présenté en section1.1.2. Les longueurs caractéristiques qui sont représentés sur la Figure4.7sont :

— Pour les caractéristiques du TGV :

— La longueur d’une voiture voyageur (18.7 m) — La longueur d’une motrice (14 m)

— L’espacement entre 2 bogies (6.3 m) — L’espacement entre 2 essieux (3 m)

— Le demi espacement entre 2 essieux (1.5 m)

— L’espacement entre 2 traverses (0.6 m) pour les caractéristiques de la voie

Lors des mesures in-situ, les trains circulaient à 230 km/h environ (courbe rouge) sur la Fig.4.7. Les valeurs des fréquences d’excitation associées aux différentes longueurs caractéristiques du train sont recensées dans le tableau4.4.

La Fig.4.8présente les densités spectrales de puissance moyennées sur l’ensemble des 16 passages de TGV en US et sur l’ensemble des 6 accéléromètres. Sur les quatre zones, le pic principal se trouve

FIGURE4.7 : Fréquences d’excitation en fonction de la longueur d’onde et de la vitesse de circulation des trains (adapté de [F. H. Müller-Boruttau and N. Breitsamer, 2004]).

Tableau 4.4 : Fréquences excitées à une vitesse de passage de 230 km/h.

L (m) f (Hz) 18.7 3.42 14 4.56 6.3 10.14 3 21.29 1.5 42.59 0.6 106.48

à 21 Hz. Cette valeur est présente dans le tableau qui liste les fréquences liées aux caractéristiques géométriques, (tableau4.4), il s’agit de l’écartement des essieux d’un bogie (3 m) à une vitesse de 230 km/h environ. Cette fréquence concentre le maximum d’énergie pour toutes les zones, ce qui paraît assez cohérent puisque les essieux assurent le contact du train sur le rail. L’énergie associée à ces pics diffère d’une zone à l’autre. La Fig.4.8présente les densités spectrales de puissance à la même échelle pour toutes les zones. Celle pour laquelle l’énergie associée au passage des essieux est la plus faible est la zone de voie ballastée courante. Cette énergie est multipliée par 4 dans la zone munie du tapis 2 et par 5 dans la zone avec tapis 1. Les niveaux d’énergie mesurée dans la zone de voie sur dalle sont équivalents à ceux dans les zones de tapis. La structure spécifique de la transition induit dans des niveaux d’énergie, au moins dans les traverses, bien supérieurs à ceux mesurés sur la voie ballastée. La conséquence peut

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être une dégradation accrue du ballast dans la zone de transition puisque l’énergie sous les traverses va être très supérieure. L’amplitude de l’accélération dans le ballast est, en effet, directement liée à sa dégradation [Karrech, 2007].

FIGURE4.8 : Densité spectrale de puissance moyennée (de haut en bas et de gauche à droite) : la voie

ballastée, la zone de transition munie du tapis 2, la zone de transition munie du tapis 1 et la voie sur dalle.

D’autres pics sont visibles sur les densités spectrales de puissance. Les lignes verticales colorées sont liées au tableau4.4. Les harmoniques de la fréquence liée à l’espacement des essieux sont maté- rialisées par des lignes verticales rouges. La fréquence liée au travelage induit également un pic, à 106 Hz, mais dont l’amplitude est bien plus faible que celle liée aux essieux. Les niveaux d’énergie associés à cette fréquence sont identiques pour les 4 zones.

Entre la structure de la voie ballastée et celle de la zone de transition, deux éléments changent : la présence ou non de tapis et la constitution de la sous-couche en grave traitée ou grave non traitée. Les résultats obtenus à partir des mesures indiquent qu’il y a une amplification de l’énergie dans les traverses, mais rien ne permet de dire si ce phénomène est lié au tapis sous ballast, à la grave traitée ou bien à a la combinaison des deux. Une modélisation numérique de la zone peut permettre d’apporter des précisions sur ce point.

Les mesures d’accélération vont servir de base à la validation des résultats de calculs avec intégra- tion temporelle. Pendant cette même campagne de mesures, des relevés d’enfoncement ont été effectués dans trois des quatre zones :

— Voie sur dalle — Zone de transition 1 — Zone de transition 2

Ces mesures sont effectuées par des capteurs laser, dont les caractéristiques ont été exposées dans le tableau4.2. Le dispositif de mesure pour l’enfoncement étant utilisé pendant cette campagne à titre de première expérience, certains résultats ne sont pas satisfaisants, en particulier sur la zone de transition 1. Une double intégration sur les mesures d’accélération, plus nombreuses et plus précises, comme elle a pu être décrite et utilisée par [Lopez, 2016], est réalisée.

Un premier filtre coupe bande sur le signal d’accélération est utilisé pour conserver les fréquences entre 1,5 Hz et 100 Hz, une première intégration est réalisée, sur laquelle est appliquée le même filtre, et la seconde intégration est alors effectuée. Le filtre utilisé est représenté sur la Fig.4.9.

FIGURE4.9 : Amplitudes et phases des filtres de Butterworth d’ordre 5 passe haut et passe bas utilisés

pour la double intégration numérique.

La Fig.4.10illustre les différentes intégrations pour le passage d’un signal d’accélération à un signal de déplacement, avec tous les signaux intermédiaires (accélération filtrée, vitesse non filtrée et filtrée). De même que pour l’analyse des signaux d’accélération, seule l’influence des bogies entourés en rouge sur la Fig.4.6sera retenue pour l’analyse des données.

Pour chaque zone (voie ballastée, zones de transition 1 et 2), pour chacun des cinquante passages et pour chaque accéléromètre, les valeurs des minima de l’enfoncement correspondant aux bogies centraux identifiés sur la Fig.4.6 sont retenues. Les valeurs moyennes, ainsi que les écarts types en fonction de la zone sont donnés dans le tableau4.5.

L’enfoncement des traverses est plus élevé sur la zone de transition elle-même que sur la voie ballastée. La zone de transition avec le tapis 1 (le plus souple des deux) présente un enfoncement plus

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FIGURE 4.10 : Illustration du passage d’un signal d’accélération traverse non filtré à un signal de

déplacement (en bas), en passant par l’accélération filtrée (en haut à droite), et la vitesse non filtrée et filtrée (en haut à droite).

Tableau 4.5 : Moyennes et écarts types de l’enfoncement vertical de traverse en fonction de la zone.

Voie Ballastée ZT Tapis 2 ZT Tapis 1

Moyenne [mm] -0.29 -0.69 -0.78

Ecart type 0.11 0.17 0.23

élevé que la zone avec le tapis 2. Dans les relevés d’accélération c’est l’inverse qui a pu être observé. Il sera intéressant de regarder sur les résultats de simulation si un effet similaire est observable.

Dans cette partie, les mesures ont été présentées et analysées. Les différences de comportement entre les différentes zones ont été mises en évidence. A présent, la possibilité de reproduire puis d’expliquer ces différences avec le modèle va être étudiée dans les sections suivantes.