Répartition des charges sous traverses

Le modèle numérique permet également d’avoir une information sur la répartition des charges sous les traverses. Cette répartition est une des bases du fonctionnement mécanique et du dimensionnement classique des structures de voie ferrée, comme cela a pu être présenté dans la partie1.1.1. Le rapport de cette charge sous traverses sur la charge imposée au rail (pour une charge roulante) est présenté sur la Fig.4.19pour les trois zones au passage des deux charges.

Le changement de sous-structure dans la transition conduit à une modification de cette répartition, avec un déchargement de la traverse directement sous la charge qui ne reprend plus que 21 % de la charge globale au lieu de 31 %. Les quatre traverses entre les deux charges reprennent au contraire plus de mouvement, puisque dans la transition la charge reprise par chacune de ces traverses est égale à 20 % de la charge globale, soit une valeur identique à celle directement sous charge. Dans la voie ballastée, entre le passage des deux charges les traverses se déchargent plus, avec notamment seulement 13 % de la charge pour les deux traverses au centre. Ceci signifie que dans la voie ballastée, au passage d’un bogie les traverses subissent deux cycles de chargement marqués alors qu’avec les tapis, un bogie n’induit qu’un seul cycle de chargement, de 10 % moins marqué mais dans la durée est près de deux fois plus longue. La tassement dans le ballast dépend de plusieurs facteurs : la charge à l’essieu, la fréquence de sollicitation, la raideur de la sous-couche et les conditions initiales du matériau [Quezada, 2012]. Dans ce cas d’étude, au moins les trois premiers facteurs énoncés ici, sont modifiés d’une zone à l’autre. Cette situation peut donc conduire à des tassements différentiels entre les deux zones, et donc expliquer à terme l’apparition de danse à la jonction entre les deux (se reporter à la section5.1.3pour visualiser cette danse dans les mesures).

Pour regarder dans quelle mesure la vitesse influence cette répartition, celle-ci est calculée pour deux vitesses de passage. Pour étudier cet effet, et uniquement pour les Fig.4.20 et4.21 les calculs

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

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Time [s] Szz [kPa] CutX 277 (0.25,-14.52) (a) Contrainte VB 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Time [s] Szz [kPa] CutX 277 (0.26,-12.87) (b) Contrainte ZT

(c) Champ de contraintes VB (en kPa) (d) Champ de contraintes ZT (en kPa)

FIGURE4.18 : Champs de contraintes verticales sous charge pour la voie ballastée et la zone de tran-

sition munie du tapis 2.

sont réalisés avec une seule charge roulante. La Fig. 4.20 représente la répartition des charges pour une vitesse quasi-statique de 1 m/s et une vitesse de 80 m/s. Avec l’augmentation de vitesse, la traverse située devant la charge est moins chargée, celle directement sous la charge également, et c’est la traverse derrière la charge qui subit une charge plus importante. L’onde générée par le passage du train étant plus importante quand la vitesse augmente, on peut penser que c’est ce qui provoque cette surcharge à l’arrière du passage. Une animation des différences en Fig.4.25viendra étayer cette explication.

FIGURE4.19 : Comparaison de la répartition des charges sous traverses entre les différentes zones.

45 50 55 60 65 70

Numéro des traverses

0 5 10 15 20 25 30 35 40 F/F max [%] 1 m/s 80 m/s (a) Comparaison 45 50 55 60 65 70

Numéro des traverses

-1 -0.5 0 0.5 1 F/F max [%] Diff (D-S)

(b) Différence (Dynamique - Statique)

FIGURE4.20 : Effet de l’augmentation de vitesse sur la répartition des charges sous traverses dans la

voie ballastée (Statique = 1 m/s, Dynamique = 80 m/s).

La question qui peut alors se poser est de savoir si une augmentation de vitesse influence de la même manière la répartition sur la zone de transition avec tapis. La Fig. 4.21présente la différence des répartitions sous traverses pour ces deux vitesses dans la zone de transition munie du tapis 2. La dissymétrie qui apparaissait légèrement dans la voie ballastée est accentuée. La décharge de la traverse directement sous la charge est de 3%, et de 4% pour la traverse à l’avant de la charge. La traverse à l’arrière de la charge subit une surcharge de plus de 6% de la charge totale du fait de la vitesse, ce qui signifie une surcharge de près de 0,5 tonne.

Ces comparaisons des répartitions de charges sous traverses entre la voie ballastée et la zone de transition mettent en évidence deux effets distincts. D’une part, un premier effet visible qui peut être qualifié de statique est que la répartition des charges est fortement modifiée par la présence des tapis. Le chargement en « M » n’est plus visible sous les traverses dans ce cas, la présence du tapis entrainant

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

45 50 55 60 65 70

Numéro des traverses

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 F/F max [%] Diff (D-S)

FIGURE4.21 : Effet de l’augmentation de vitesse sur la répartition des charges sous traverses (Statique

= 1m/s, Dynamique = 80 m/s) dans la zone de transition.

une décharge des traverses directement sous la charge au profit des traverses adjacentes. D’autre part, un second effet plutôt dynamique est la sensibilité de cette répartition à la vitesse de passage des charges selon la zone étudiée. La répartition dans la transition subit une variation deux fois plus importante avec la vitesse que la voie ballastée. La surcharge dynamique dans le ballast dans la transition sera donc supérieure. Comme la superstructure est identique pour toutes les zones, l’étude du comportement dynamique des sous-couches est nécessaire pour expliquer ce qui engendre cette plus grande sensibilité à la variation de vitesse dans la transition.