Le sta­bi­li­sa­teur dy­na­mique de la voie ren­contre de nou­velles formes de su­per­struc­tures en la­bo­ra­toire

Sophie Feurig consacre sa thèse de doctorat à l’étude approfondie de la stabilisation dynamique de la voie en laboratoire. L’observation approfondie du comportement systémique de la superstructure de ballast ne fait pas qu’éveiller son engouement à elle.

La chaire et le bureau d’étalonnage de la construction de voies de transport de l’Université technique de Munich (TUM) est la bonne adresse lorsqu’il s’agit d’effectuer des analyses de laboratoire approfondies et pratiques sur la construction de superstructures ferroviaires. Ce qui donne un sens à cet établissement saute aux yeux lors d’une visite : c’est la voie ferrée en tant que voie de transport du présent et du futur. Le professeur Stephan Freudenstein, directeur de l’unité et docteur et ingénieur diplômé, Walter Stahl, directeur adjoint du bureau d’étalonnage de la construction de voies de transport, ainsi que toute leur équipe sont fiers de cette attitude. Les nombreuses activités de recherche réalisées au centre d’essai mettent en lumière la complexité de la construction des voies de transport.

Effet analysé sur trois formes de superstructure

Chez Plasser & Theurer, nous avons décidé d’exploiter cet enthousiasme et le savoir-faire sur les chemins de fer et ses composants en faveur du projet de recherche DynlaTrack. L’objectif de la coopération avec la TUM est de prendre en compte les changements intervenus dans le cadre de la maintenance de l’infrastructure ferroviaire et de traiter le sujet sous la forme d’une dissertation scientifique. La recherche met en lumière d’une part l’influence des nouveaux types de superstructures, constituées de composants élastiques supplémentaires, sur le comportement de la superstructure de ballast, et, de l’autre, les possibilités d’optimisation des résultats des travaux par l’utilisation de la nouvelle technologie du stabilisateur dynamique de la voie (DGS).

Trois formes différentes de superstructures sont au programme au sein du projet de recherche DynlaTrack, initié par Plasser & Theurer. Il s’agit en fait des trois types de traverses les plus courantes, dotées des fixations standards, utilisées par la société « Deutsche Bahn ». Les traverses en béton précontraint de type B70, B90 et B07 (avec semelle) sont ainsi examinées. Celles-ci ne se distinguent pas seulement par leur géométrie mais également par leurs caractéristiques d’élasticité lorsqu’elles viennent à être combinées aux couches intermédiaires correspondantes. Avec la traverse en béton B07 avec semelle, une élasticité supplémentaire est apportée au système par la pose d’une semelle synthétique sur la face inférieure de la traverse. Celle-ci a notamment un effet particulièrement positif sur la répartition de la charge et a donc pour effet de réduire l’usure du ballast de la voie.

La patience, la précision et surtout la persévérance sont des traits de caractère exigés par la directrice du projet de recherche pour les structures d’essai. Sophie Feurig rassemble précisément ses qualités. Elle travaille avec ardeur à la rédaction de sa thèse et consacre, dans le cadre de ce projet, toute son attention à la stabilisation dynamique de la voie.

Essai en laboratoire, pratique et simulation se complètent mutuellement

Les défis rencontrés dans la reproduction de la réalité en laboratoire résident notamment dans le fait que le DGS avance à une vitesse continue sur la voie au sein du chantier. Étant donné que cela n’est pas possible avec la structure d’essai en laboratoire, Sophie Feurig reproduit une rampe d’influence par le biais de la commande des paramètres de la machine, correspondant précisément à l’action du passage du DGS mesuré au préalable par le bureau d’étalonnage de la construction de voies de transport dans la réalité.

Les vastes systèmes de capteurs relèvent les déformations, les accélérations et les dilatations. Entre les différentes phases d’essai, la résistance au ripage transversal est régulièrement mesurée et documentée. Les observations en laboratoire ont été précédées d’essais de terrain et des mesures complets sur la voie réelle afin de pouvoir concevoir la structure d’essai de manière très proche de la réalité avec toute la conjugaison des influences. Avant chaque variation des paramètres, la voie d’essai en laboratoire doit de nouveau être portée à son état référençable. Pour cela, du ballast neuf est ajouté à chaque fois et la géométrie de la voie rétablie, comme cela est courant dans la pratique, dans sa géométrie de voie correcte et les traverses bourrées. Cette étape est nécessaire afin de pouvoir garantir des conditions constantes à chaque variation des paramètres. Un remerciement revient également à l’entreprise de construction allemande Leonhard Weiss pour la réalisation précise et consciencieuse de cette opération.

Samir Omerović, expert en infrastructure, travaille en tant que partenaire du projet de Plasser & Theurer, en complément des essais en laboratoire, sur un modèle de simulation numérique. Avec l’aide de la méthode des éléments discrets (MED) et des techniques informatiques modernes, il peut reconstituer le matériel hétérogène constituant le ballast avec sa structure de particules discontinues. Les connaissances tirées de la pratique et du laboratoire servent à calibrer son modèle de calcul. Des calculs de simulation doivent également être réalisés au bureau d’étalonnage de la construction de voies de transport afin de fournir une base et à des fins de validation des résultats des essais. Cette démarche ouvre des perspectives élargies dans une reproduction simulée de l’essai en laboratoire.

L’analyse détaillée des résultats offre un large potentiel : la recherche fondamentale permet de mieux comprendre la complexité de la voie dans la superstructure élastique. Par l’apport de nouveaux matériaux et leur influence sur les paramètres de travail, les limites de performance de cette infrastructure sont sans cesse repoussées. Et cela n’enthousiasme pas seulement les spécialistes !

Que fait précisément le DGS ?

Les travaux sur la superstructure, concrètement le relevage, le dressage et le bourrage, permettent de détendre la structure du ballast. L’effet secondaire en est la réduction de la résistance au ripage transversal de la voie. Le DGS contrarie cet effet. En raison des mouvements horizontaux agissant sur la voie combinés à une charge verticale, un déplacement de la structure des grains est opéré. Cela encourage l’ « opération de nidation » artificielle de l’armement de la voie dans le lit de ballast. La consolidation qui en résulte du lit de ballast augmente la résistance au ripage transversal de l’armement de la voie. Dans la pratique, ce procédé permet de réduire les portions de ligne à circulation ralentie, qui seraient sinon nécessaires, et augmente la disponibilité de l’infrastructure ferroviaire.

Le DGS a été développé dès la fin des années 1970 et est devenu un élément ancré de l’entretien des voies dans de larges régions du monde. Les modifications des matériaux constituant la superstructure et les nouvelles possibilités de commandes du DGS ont apporté l’impulsion pour analyser les paramètres éprouvés en laboratoire.

Faits sur la structure d’essai du DynlaTrack

Coupe transversale courante de la Deutsche Bahn

• Rails de 6 m
• 9 traverses
• 19 t. de ballast
• 3 formes de superstructure : traverses B70/B07 avec semelle /B90
• Essai avec des traverses dotées de semelles élastiques
• Variation de la charge verticale et de la fréquence apportées par le DGS
• Mesures de la résistance au ripage transversal

Déroulement d’un essai en laboratoire

• Mise en place de la voie : Pose du ballast de base et compactage, lever l’armement de la voie, ballaster, relever et dresser, établir la coupe transversale du lit de ballast
• Montage des instruments de mesure : Jauge de déformation, capteur de déplacement inductif, pierres de mesure du ballast uni-axiales et tri-axiales à différentes profondeurs, capteurs d’accélération sur la traverse
• Mesure de la résistance au ripage transversal après bourrage
• Stabilisation dynamique de la voie
• Mesure de la résistance au ripage transversal après intervention du DGS
• Appliquer sur la voie le vérin de charge roulante via le vérin de pression
• Simuler 100 000 t. de charge avec un vérin de pression
• Mesure de la résistance au ripage transversal après 100 000 t. de charge
• 1,4 M. de t. de charge supplémentaire avec le cylindre de pression
• Mesure de la résistance au ripage transversal après au total 1,5 M. t. de charge
• Dépose des installations de mesure
• Excaver l’armement de la voie et remise en place de la voie