Trace de Voie_diapos

TRAC DE VOIETRAC DE VOIE

Yves NOBLET / Trac de voieLe 11/11/2006 - V4.5 du 1/05/2013 1

NOTIONS FONDAMENTALESNOTIONS FONDAMENTALES



SommaireSommairePrincipes fondamentauxEfforts exercs sur le railRisques de draillement

Par monte de roue sur le rail

Par dripage de voie

Par mariage des tampons

Confort des voyageursLe dversDvers prescritInsuffisance de dvers



SommaireSommaireAcclration normaleInsuffisance admissibleAcclration verticaleVariation de dversVariation dinsuffisanceRcapitulationRelation entre I, V, RGains pendulaires possiblesLe support et ses limites



SommaireSommaireL'armement est ses limitesConsquences tracBiais cognitifsDonnes d'entreAnalyse des donnes d'entreMthodologie dtudesCritres danalyse du tracLe trac de voie graphiqueFIN



Principes fondamentauxPrincipes fondamentauxLe transport ferroviaire est un transport guid :

Il y a un support guidantIl y a des roues.

Il ny a que deux degrs de libert :AvantArrire

Il y a un trs faible coefficient de frottement (en palier, la rsistance au roulement et de lordre de 1 3 kg/t contre 20 kg/t pour un vhicule routier)

Contact rail/roue

Toute la scurit du systme est assure par le supportToute la scurit du systme est assure par le support



Principes fondamentauxPrincipes fondamentauxLe systme ferroviaire peut tre reprsent comme suit :

Caisse

Suspension secondaire

BogieSuspension primaire

Dfaut de dressagelasticit verticale du ballast

lasticit transversale du ballastlasticit

transversale du rail



Principes fondamentauxPrincipes fondamentauxPrincipaux mouvements affectant un vhicule :

GALOP

LACETS

ROULIS

TRANSLATION LATRALE

TRANSLATION VERTICALE

TRANSLATION LONGITUDINALE



Principes fondamentauxPrincipes fondamentauxLe support doit rsister aux efforts supports journellement (transversaux, verticaux, fatigue)Il doit garantir :

La scurit des voyageurs.Draillement (contact rail/roue, gomtrie de la voie)Dripage de la voie (efforts transversaux, ballast)Collision par rattrapage, nez nez ou prise en charpe (position de la voie,

dtection des mobiles)

Le confort des voyageurs et les marchandises.Acclrations subies par ceux et celles-ci (gomtrie de la voie).



Principes fondamentauxPrincipes fondamentauxLe support est constitu des rails, des traverses et du ballast.

Le rail supporte et guide le vhicule, il transmet des informations (signalisation par circuit de voie) et assure le retour du courant de traction

Les traverses rpartissent la charge, maintiennent l'cartement et assurent l'inclinaison au 1/20 me

Le ballast rpartit la charge sur la plate-forme, amortit les vibrations par frottement interne (attrition), draine les eaux de pluies et permet l'entretien facile de la gomtrie par bourrage

en prsence de circuit de voie, l'absence d'information permet de dtecter une rupture de rail.



SOLLICITATIONS DU SUPPORTSOLLICITATIONS DU SUPPORT



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le rail

Le comportement dynamique est caractrispar :

la charge verticale dynamique extrme de roue, soit:(concerne leffort dynamique vertical engendr par le passage de la roue sur un dfaut gomtrique du rail).

la charge dynamique totale deux carts types, soit:(concerne la fatigue du rail).

la charge dynamique verticale aux abouts, soit:( concerne leffort dynamique vertical engendr par le passage de la roue sur un about).

leffort transversal dynamique, soit: H. les efforts dinscription sur les files internes et externes du rail,

soit, respectivement : Yi, Ye.

Qdynmaxi

Qdyn2

Qdynabout



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railValeur extrme de la charge dynamique de roue:

QN = la charge nominale statique de roue,

QQS = la surcharge quasi-statique correspondant linfluence de la force centrifuge non compense,

Qmax = la surcharge dynamique extrme due aux masses non suspendues (essieux et bogies, globalement tout ce qui est rigidement fix aux essieux).

Qdynmaxi

=Q NQQSQmax

charge quasi-statique



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railLa charge dynamique totale deux carts types :



Qdyn = les surcharges dynamiques dues aux masses suspendues et non suspendues.

Qdyn2

=QN QQS2Qdyncart type des surcharges dynamiques des masses suspendues et non suspendues



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railLa charge dynamique verticale aux abouts :



(1+) = un coefficient amplificateur de la charge dynamique verticale labout concern.

Qdynabout

=Q N QQS 1



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railLes efforts dinscription :

Yi = Qi

= le coefficient de frottement transversal de la roue sur le rail.

Qi = leffort vertical exerc sur la file intrieure.

Ye = Yi + Fa + Fc + FinsFa = prenant en compte lacclration transversale non compense.

Fc = li leffort engendr par le couple de rotation du bogie dans la voie.

Fins= correspondant leffort dinertie transversale des masses non suspendues.



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railContact roue raillorsquune roue roule sur le rail, le contact se fait par une petite

surface de forme elliptique (~10 15 mm de grand axe). Il convient dajouter la vitesse de glissement dorigine cinmatique une autre vitesse dorigine lastique provenant des dformations de contacts qui se produisent entre la roue et le rail. La dformation dun pneu en roulement permet de reprsenter ce phnomne li aux dformation lastiques de la zone de contact.

Sens du mouvement du vhicule

V

F 2

F 1S1S2



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railLa charge Q de roue joue un rle considrable dans la fatigue

du rail. Des tudes statistiques montre que cette fatigue est fonction de Qa avec a > 2.

condition de rester dans le domaine lastique, la pression au centre de l'ellipse est donne par la formule de Hertz :

q0 =1

Q1 /3 E1 2

2/3

[ 38 11 11' 12 12' ]2 /3

, , : = Coefficints donns par les tables de HertzE , := Module d'lasticit de l'acier et son coefficient de PoissonQ := Charge de la roue1 ,1

' ,2 ,2' = Rayons de courbures principaux du rail et de la roue



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railSi le contact lieu entre le flan du rail et le boudin, lellipse est

beaucoup plus aplatie et leffort est multipli par 4.

De mme, on calcule la contrainte de cisaillement maximale situe quelques millimtres sous la surface de contact et qui est la plus dangereuse :

r : Rayon de la roue

r : Rayon de la surface transversale du rail

b : Rayon transversal du bandage

t = 85 Q1/3 1r [ 1r 1b ]1 /3



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railLes travaux du laboratoire de mcanique des solides de

lcole polytechnique de Paris ont permis de prciser ces phnomnes.

laugmentation de charge de roue a une influence dfavorable tous les niveaux mais surtout en profondeur.

Un profil de bandage de roue voisin du profil dusure est favorable.

Une diminution du diamtre des roues est plus dfavorables en surface quen profondeur.

La charge admissible diminue beaucoup plus vite pour les petits diamtres que pour les grands.



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railLe danger de ruine par dformation plastique de la surface de

roulement reste toujours infrieur au risque d'endommagement par fatigue.

Laugmentation de charge de roue a une influence dfavorable tous les niveaux mais surtout en profondeur.

Laugmentation de linertie du rail et de la rigidit du support une incidence modeste, plutt dfavorable, mais :

Les dformations alatoires permanentes sont moins importantes quavec un rail lger.

La propagation des fissures de fatigue est ralentie.Il apparat, en dfinitive, que les sollicitations les plus

dangereuses se situent vers 10 15 mm de profondeur.



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railLa surface de lellipse de contact augmente avec la dure

dapplication, les contraintes ( = F/S) seront donc dautant plus leves que la dure dapplication est courte, cest dire que la vitesse crot.

La distribution des contraintes rsiduelles varie le long du rail, elle se modifie au fur est mesure des circulations. Il en rsulte des modifications de courbure de rail en chaque point do des dfauts de linarit de courte longueur donde jouant un rle important dans laugmentation des surcharges dynamiques dues aux oscillation des masses non suspendues.



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railQualit de lacier rail :

Rsistance labrasion. Absence de fragilit. Absence de susceptibilit lauto trempe. Soudabilit. Adaptation facile la production.

Ces qualits sont naturellement contradictoires et le produit ne peut tre quun compromis.



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railRpartition des contraintes suite lapplication dune roue charge sur le rail

Ractions des attaches



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le raillasticimtrieLa contrainte est

proportionnelle au nombre de franges compt partir dune surface non sollicite ou apparaissant pendant lapplication de la charge.



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railConsquences pour le railLes efforts exercs sur le rail provoquent sont usure et lapparition

de dfauts.

Ceux-ci sont repris dans lIN 0285 ( EF2C33) Codification des dfauts de rails.De nombreux dfauts apparaissent aux joints sur les abouts de rail ou au niveau des trous dclisse de mme quen pleine barre.Ils peuvent tre dus, soit la fabrication, soit lutilisation. Quelques, exemples non exhaustifs, de dfaut provoqus par lutilisation :



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railFissuration horizontale des abouts



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railFissuration transversale (inclusion, flocon dhydrogne)



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railFissuration longitudinale (cong du champignon)



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railFissuration longitudinale (cong du patin)



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railUsure latrale Usure verticale



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railPatinage



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railL'usure ondulatoireL'usure ondulatoire ondes

courtes est caractrise par une succession pseudo priodique,

sur la surface de roulement, de crtes brillantes et de creux sombres. La longueur d'onde est gnralement comprise entre 3 et 8 cm.



Efforts xercs sur le railEfforts xercs sur le railL'usure ondulatoire

ondes longues est caractrise par des dnivellations de la surface de roulement, plus ou moins accentues et irrgulires par rapport un profil rectiligne idal.

La longueur d'onde varie gnralement de 8 30 cm environ.

L'usure ondulatoire ondes longues apparat prfrentiellement sur les files basses de courbes.



RISQUES DE RISQUES DE DRAILLEMENT DRAILLEMENT PAR MONTE PAR MONTE DE ROUE SUR DE ROUE SUR LE RAILLE RAIL



Risques de draillementRisques de draillementMonte de la roue sur le rail (le guidage nest plus assur)

plusieurs facteurs interviennent :

- Le profil de roue,

- Le profil de rail,

- Les frottements,

- Les suspensions,

- Les bogies,

- Langle dattaque,

- Les gauches, la qualit gomtrique de la voie,

- etc.

tudes particulires chaque domaine



Risques de draillementRisques de draillementLa roue

Le bandage des roues et conique (1/20me), celles-ci sont solidaires de leur axe commun et donc obliges au mme nombre de tours. L'essieu se comporte comme un dicne et sautocentre sur une voie en alignement en revenant dans une position mdiane, il y a donc glissement au contact roue rail et rotation de lessieu. Cette trajectoire sinusodale est appele lacet. La longueur donde L dpend du rayon r de la roue, de la diffrence s des 2 circonfrences de roulement et de langle du cne

r



Risques de draillementRisques de draillementFormule de Klingel (ant. 1890)

Pour un vhicule 2 essieux une distance l :

Lors du record de vitesse de 331 km/h (BB9004 le 29 mars 1955 sur la ligne des landes), il t constat des dformations sinusodales de la voie sur environ 500 m avec une priode denviron 22 m.

les vhicules modernes 4 essieux ont une priode variant entre 20 et 30 m.

L = 2 rsL ' = L l Ls 2



Risques de draillementRisques de draillement



Risques de draillementRisques de draillementContact rail / roueEn ngligeant le pseudo glissement et langle

dattaque, la roue transmet au rail la charge P et la pousse H; elle reoit une raction normale N laquelle correspond, sil y a glissement, un frottement f.

En crivant lquilibre de ces forces on obtient la valeur de la pousse H au-del de laquelle le draillement est susceptible de se produire.

Le rapport H sur P est appel capacit de guidage de la roue elle dpend de la charge sur la roue mais aussi de langle du boudin par rapport lhorizontale (70 la SNCF)

N

P

H

f




fN

pN

H

F

f

P

p

h

hN

/2-

h= H cos p = P sinf N = hNP N = P cosH sin f = k f N ( k coefficient de frottement)Condition de non draillement :ph f donc :P sin H cosk P cosH sin P sin k P cos H cosk H sin P sin k cos H cosk sin sin k coscosk sin

HPEn simplifiant par cos : HP

tg k 1k tg



Risques de draillementRisques de draillementex: = 70 (tg = 2.74748)

k = 0,25 (rail sec) => H < 1,480 Pk = 0,12 (rail mouill) => H < 1,976 P

H tant la force appliquer latralement sur la roue pour quelle monte sur le rail, P la charge de la roue.



Risques de draillementRisques de draillementLorsque la roue se lve (Z), la fonction dfinissant leffort transversal (H) est rapidement croissante (cong entre la table de roulement et le boudin) puis relativement constante (partie du flan du boudin) et diminue trs rapidement (cong infrieur du boudin). l'quilibre est stable dans la 1re zone, indiffrent dans la 2me puis instable dans la 3me. La zone mdiane constitue donc l'effort maximal admissible(1).

1 Voir La thorie statique du draillement dun essieu par M. Charvet (Revue Gnrale des Chemins de Fer du 3 aot 1950).

1 2 3

Z

H



Risques de draillementRisques de draillementForces mesures lors des essais d'homologation (fiche UIC 518)

Sur un bogie quip d'essieux instruments, on mesure les 8 forces suivantes (efforts exercs par les roues sur les rails):

- forces verticales: Q1_ext Q1_int Q2_ext Q2_int- forces transversales: Y1_ext Y1_int Y2_ext Y2_intindices 1 / 2 : essieu 1 / essieu 2, indices ext / int : roue extrieure / roue intrieure (en

courbe)

Y1_ext

Y1_int

Y2_ext

Y2_int

Q1_ext

Q1_int

Q2_ext

Q2_int



Risques de draillementRisques de draillementLes tudes du comit ERRI B55 ont conduit prescrire, pour prvenir tout draillement par monte de boudin sur le rail, une limite au rapport (Y1_ext / Q1_ext) de leffort transversal et vertical de la roue guidante, qui caractrise le risque de draillement. Celle-ci doit rester infrieure 0,8 (1,2 pour une circulation faible vitesse).

Pour viter le chanfreinage du rail favorisant la monte de roue dans les faibles rayons, on graisse le flan intrieur du rail extrieur diminuant ainsi le frottement f.

YQ 0,8 pour des vitesses lenteson admet Y

Q 1,2



Risques de draillementRisques de draillementLes expriences montrent que leffort

critique de dripage de voie (non stabilise) est atteint bien avant l'effort critique de draillement sauf faible vitesse, en courbe de faible rayon et de dvers important comportant un raccordement de sortie forte variation de dvers o se cumulent un dlestage de la roue guidante (fort dvers, faible vitesse), un fort angle dattaque (petit rayon) et un gauche important favorisant ces phnomnes.

EFFETS DYNAMIQUES

Roue guidante

0

Renversement d au dvers Force centrifuge

D

di

Monte sur le rail

D = dvers dans la courbe di = dvers dans le raccordement



Risques de draillementRisques de draillementDes limites de dvers (et rciproquement de variation de dvers) ont donc t dfinies en fonction du gauche en sortie de courbe et de la valeur du rayon de la courbe, les rgles du (R-100)/2.

Attention la valeur du rayon de la branche dvie dappareil cintr pos en dvers et des gauches sur litinraire dvi !

dp R1002

si g 2 mm/m

dp R1502

si g 3 mm/m

dp R2503

si g 4 mm/m



Risques de draillementRisques de draillementDe mme, on a fix le dvers maximum 180 mm pour des raisons de scurit (arrt en courbe, redmarrage o leffort de traction amplifie les phnomnes de renversement et de dlestage).

Une exprimentation (dvers 175/180) t ralise sur la ligne Dijon-Vallorbe pour saffranchir du problme en proposant des raccordements bi-pentes avec une faible variation de dvers cot courbe et une forte variation cot alignement (vitant dallonger les raccordements).

ce jour aucun dsordre na t constat.

Le mainteneur nest pas favorable sa gnralisation du fait de la ncessit dune prparation plus soigne du bourrage de ces zones risquant de ne plus tre assure (perte de comptence).

VoirVoir



Risques de draillementRisques de draillementRaccordement b Km 444,255 444,375

a1 = 2.5 D = 175 V = 140 a2 = 0.7 L = 115 R = 676 Xp = 62.50 Yp = 131.25

VARIATION DE DEVERS

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Abscisses

Dv

ers

Dvers Insuffisances

0,7 mm/m

2,5 mm/m

k = E [ 1,8 x112,5

]

y = 1k 0,7 x1752,5 k 115x



Risques de draillementRisques de draillementRaccordement C Km 444,780 444,910

(Courbe de M. Caquot)

V Km/h = 140 L = 126 D = 172 Rayon = 685

VARIATION DE DEVERS

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

126

130

Abscisses

Dv

ers

Dvers Insuffisances

y = 172S36S21890S1587600

31757969376

RetourRetour



RISQUES DE RISQUES DE DRAILLEMENT DRAILLEMENT PAR MARIAGE PAR MARIAGE DE TEMPONSDE TEMPONS



Risques de draillementRisques de draillement Le support guide les vhicules, ceux-ci sont relis par des

attelages constitus de tampons. Le trac du support doit assurer un recouvrement minimum de ceux-ci en toute occasion.



Risques de draillementRisques de draillement Pour limiter ces risques, il convient de rduire les dports

relatifs de deux vhicules en respectant une longueur minimale dalignement L entre courbe et contre-courbe.

Formules UIC, R1 et R2 150 m, e = cartement

Exceptionnellement

L = R1R2 45R1 45R2 0,452 1,470e si 45R19 4R2R1R22 0,452 1,470e

L = 154R2R10,452 1,470e 45R1 si 45R19 4R2R1R22 0,4521,470e



Risques de draillementRisques de draillementLa condition dalignement sexprime sous la forme :

Dans le cas le plus dfavorable, e=1,470 et le terme (1,470 e) sannule.

La SNCF utilise les formules si-dessous (IN 0272) :

Le terme 0,36 au lieu de 0,45 exprime une marge de scurit prise par rapport aux rsultats des formules UIC.

45R145

R20,4521,470e0

Sinon alignement inutile

L = R1R2 45R1 45R2 0,36 si 45R1 45R20,36 valeur nominale 1L = R1R2 45R1 45R2 0,45 si 45R1 45R20,45 valeur exeptionnelle 2



Risques de draillementRisques de draillementLa formule (2) peut tre abandonne car la diffrence de

rsultat avec la formule (1) est ngligeable (max 76 mm pour R 150m), et largement intgre dans la marge de scurit .

On peut galement exprimer ces quations en fonction des flches:

Le terme 400 (0,36) au lieu de 500 (0,45) exprime une marge de scurit prise par rapport aux rsultats des formules UIC.

L = 45 f 1 f 2 f 1 f 2400f 1 f 2 si f 1 f 2 400 valeur nominaleL = 45 f 1 f 2 f 1 f 2500f 1 f 2 si f 1 f 2 500 valeur exeptionnelle

Sinon alignement inutile



Risques de draillementRisques de draillementLes alignements dfinis entre courbes et contre courbes ont pour but de mnager un recouvrement de tampons minimum de 60 mm, exceptionnellement de 25 mm, pour viter lenchevtrement synonyme de draillement. Ces formules tiennent compte des saillies au niveau des tampons, des jeux dus au matriel, de la souplesse des suspensions et du jeu entre lessieu et lcartement des rails. Une formule empirique tait utilise par lex service VBG3 (Sud Est) :

Celle-ci minore un peut lalignement par rapport la formule SNCF actuelle, 7,467 m pour 8,161 m R150 m

L = 7 10004R1 4R21000



Risques de draillementRisques de draillementImplantation des appareils de voie en trac sinueuxlIN0230 Appareils de voie unifis Conditions

dimplantation, tudes particulires, tudes spciales dtermine, en fonction des dispositions de la fiche UIC 527.1 OR (Dimension des plateaux de tampons Trac de voie des courbes en S), les rgles dimplantation :Implantation normale (tableaux impairs) qui rserve un

recouvrement de tampons de 60 mm au moins (75 mm lorsque la vitesse relative de dplacement des tampons est plus importante),

Implantation exceptionnelle (tableaux pairs) qui rserve un recouvrement de tampons de 25 mm au moins (40 mm lorsque la vitesse relative de dplacement des tampons est plus importante).



Risques de draillementRisques de draillementLes calculs tiennent compte de langle de dviation des

appareils trac scant et de la longueur des alignements inclus dans lappareil (entre JP et PRA Longueur du croisement droit). Les alignements rels entre courbe et contre-courbe sont donc en ralit plus importants que la longueur qui figure dans les tableaux.

tablis pour la vitesse de 30 km/h pratique sur voies de service et certaines zones de gare, ils concernent les cas de figure suivants :

Tableaux I et II Courbe situe cot pointe, Tableaux III et IV Courbe situe cot talon, Tableaux V et VI Appareils pointe talon, Tableaux VII et VIII Appareils talon talon, Tableaux IX et X Appareils pointe pointe.



Risques de draillementRisques de draillementA la vitesse de 40 km/h, la part dynamique intervenant dans le dcalage transversal des tampons est plus importante que pour la vitesse de 30 km/h. Il est donc ncessaire dallonger lalignement intermdiaire entre les deux courbes du trac sinueux sur les liaisons, les entres et les sorties de voies principales o la vitesse minimale de 40 km/h est prvue gnraliser dans lavenir. Cette disposition sapplique essentiellement limplantation pointe pointe de branchements tg 0,11 dviation pour laquelle lalignement intermdiaire minimal ncessaire est de 5 m.

L'angle de dviation en pointe d'appareil peut tre assimil un surcrot de flche de 40 mm pour 1 (0,13) et 20 mm pour 0,30' (S 0,167).




Formule SNCF

ALIGNEMENT ENTRE COURBE ET CONTRE COURBE

150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350360370380390400410420430440450460470480490500510520530540550560570580590600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9ALIGNEMENT (m)

RA

YO

NS

160

150

250240

230220

210

200

190

180

170

RA

YON

S



Risques de draillementRisques de draillementFormule Sud Est

150160170180190200210220230240250

0 1 2 3 4 5 6 7 8ALIGNEMENTS (m)

RA

YO

N 1

RAYON 2240

230

220

210

200

180

160

170

150

190



RISQUES DE RISQUES DE DRAILLEMENT DRAILLEMENT PAR DRIPAGEPAR DRIPAGE



Risque de draillementRisque de draillementDformation de la voie au passage dune circulation

Facteurs prendre en compte :- rigidit du chssis de voie,

travelage, type de rail, attaches,...- frottement traverse / ballast,

nature, usure, paisseur du ballast, degr de stabilisation,nature, forme et poids des traverses

- contraintes de compression dans le rail,type de rail,type de pose,variation de temprature,entretien (ouverture des joints, graissage des clisses,...)



Risque de draillement Risque de draillement Acclrations transversales t supportes par la voie,mouvements de raction induits par le support

qualit gomtrique (dfauts de dressage, de nivellement, dcartement, gauches, danse,...)

gomtrie (courbes, alignements, points de transition de trac, raccordements, appareils de voie)

mouvements du vhicule vitesse, inertie, raction de suspension



Risque de draillement Risque de draillement Dripage de voie : tudes exprimentales(1)

Des essais ont t raliss en 1952, 1955 et en 1962, 1963 sur une voie stabilise puis dconsolide par une opration de nivellement par soufflage et aprs le passage de 2000 t au moyen du wagon drailleur SNCF.

1 Voir La rsistance de la voie aux efforts transversaux exercs par le matriel roulant par M. PrudHomme (Revue Gnrale des Chemins de Fer de janvier 1967).



Risque de draillement Risque de draillement

Wagon-drailleur SNCF Ssi 443




Dtailles de fonctionnement




Influence de la charge P (essais de 1963 et 1952)



Risque de draillement Risque de draillement Enregistrement de la dformation transversale :

Dformations rsiduelles



Risque de draillement Risque de draillement On constate :

une zone AB de contre flche de sens oppos leffort H. Cette zone, plus accuse, a une amplitude plus grande lorsque les rails sont comprims.

Une deuxime zone BC o la dformation est de mme sens que H

Influence de la charge P lessieuleffort L = f(P), en tonne, a pour quation, 0,4 t prs :

L=1,24 + 0,31P Cette formule ntant quapproche, laSNCF a adopt :

ou, en kN,

Cest la formule de PrudHomme

L = 1 P3

L = 10 P3



Risque de draillement Risque de draillement Cette formule remplace celle de M. Blondel : L = 0,40 P

Rappelons quelle ne concerne quune voie dstabilise.

Fournit une valeur infrieur jamais atteinte au cours des essais

Application la dtermination de la vitesse maximale de circulation dun vhicule

Lors des essais, les efforts transversaux H exercs par les essieux du vhicule et les variations de charges verticales sont mesurs au niveau des botes dessieux. Les essais ayant montr que les efforts sexerant durant une courte dure sont sans influence, il nest pas tenu compte des oscillations de frquence suprieures 20 Hz. Il est ainsi possible de comparer tout instant les efforts H et la valeur de L.

L = 0,85 1 P3



Risque de draillement Risque de draillement Le vhicule est autoris circuler V si V+10 il

na jamais t observ defforts H > 0,85+0,28P

Pour fixer les ides, la valeur moyenne de H enregistre est 3 4 fois infrieure la valeur moyenne de rsistance de la voie de rfrence (46 kg, traverses bois, aussitt aprs soufflage) donne par 1+0,33P

H max et suprieur 3 carts types de sa valeur moyenne

0,85+0,28P est infrieure de 3 carts types la valeur moyenne de dripage de la voie de rfrence.

H2 m

Exemple de filtre pour 150 km/h



Risque de draillement Risque de draillement Principaux enseignements tirs de ces essais :

Les facteurs principaux influant sur la rsistance transversale dune voie sont le degr de compacit du ballast et lintimit de son contact avec les traverses.

Le passage rpt des trains constitue le moyen de compactage le plus efficace par lintensit des efforts verticaux appliqus et des vibrations provoques.La rsistance transversale crot sensiblement comme le logarithme du tonnage support avec, toutefois, une asymptote suprieure.Les petits dplacements latraux de la voie ne se font pas par glissement des traverses sur le lit de ballast mais par dplacement de ses lments sur une certaine paisseur.



Risque de draillement Risque de draillement La rduction de rsistance transversale provoque par les oprations dentretien conduisant relever ou riper la voie, est sensible. Le soufflage entrane une rduction un peu plus importante que le bourrage mcanique mais la diffrence nest pas suffisante pour justifier son abandon.

Le taux de compression des LRS ninflue pas sensiblement sur la rsistance transversale de la voie, mais lorsque leffort transversal critique est atteint, les dformations prennent une plus grande amplitude. Do, en t, linterdiction deffectuer des oprations dentretien susceptible de diminuer la rsistance de la voie.

La grosseur des lments de ballast (30/60 ou 20/40) nest pas trs significative contrairement une voie non charge o les banquettes jouent alors un rle important.



Risque de draillement Risque de draillement Le serrage des attaches a une influence pratiquement nulle sur la rsistance dune voie charge.

linertie du rail joue un rle plus important, mais la rsistance latrale nest pas laspect le plus important dans le choix dun profil de rail.

Les voies stabilises sur traverses en bton ont une rsistance plus importante que les voies sur traverses en bois (~20%). Cette diffrence tombe ~10% aprs soufflage.

~75% de la rsistance maximale est obtenue aprs le passage de 100 000 t sur traverses en bois et 20 000 t sur traverses en bton.



Risque de draillement Risque de draillement En courbe la rsistance sous charge nest pas modifie, mme

lorsque les rails sont en compression (R>750 m bois, 500 m bton) attention toutefois aux rayons plus faibles.

En cas de LRS, se rfrer imprativement aux rfrentiels LRS notamment lIN 2915 Conditions darmement et de trac pour la cration de LRS



CONFORT DES CONFORT DES VOYAGEURSVOYAGEURS



Confort des voyageursConfort des voyageursLes clients voyagent assis ...

Mais ils peuvent circuler ou voyager debout !

Acclrations subies (m/s):acclrations verticales,acclrations transversales,acclrations angulaires,acclrations longitudinales.

Mais il faut aussi tenir compte des variations dacclration ou jerk (m/s3) caractrisant les raccordements.



Confort des voyageursConfort des voyageursIl sagit de limiter des valeurs acceptables les acclrations transversales, verticales et alatoires

Le voyageur assis est sensible aux acclrations alatoires.

Pour le voyageur debout ce sont les valeurs d'acclration quasistatiques (constantes) rsultant, soit en vertical des rayons de changement de pente, soit en transversal de la force centrifuge non compense, et la vitesse avec laquelle ces acclrations sont appliques, qui crent une impression dsagrable.



Confort des voyageursConfort des voyageursDans le plan transversal, on peut admettre des valeurs plus leves

que dans le plan vertical. En effet, les actions physiologiques des acclrations continues ou

trs basses frquences agissent dans le plan vertical au niveau viscral et peuvent assez rapidement provoquer des nauses (cintose), surtout si elles sont diriges vers le haut;

Dans le plan transversal ce sont des problmes d'quilibre qui interviennent. Le voyageur est dispos accepter des acclrations transversales quasi statiques (constantes) relativement grandes lorsqu'il se tient debout, condition que les acclrations alatoires soient faibles.



Confort des voyageursConfort des voyageursDes tudes empiriques ont t ralises pour fixer lordre de grandeur des acclrations auxquelles les voyageurs peuvent sadapter (inconsciemment dans les raccordements)

Les rsultats constats sont repris dans le tableau ci-dessous.

Confort Valeurs de t en m/s2

pour un voyageur d t /dt assis debout en m/s3

Trs bien 1 0,85 0,30 Bien 1,2 1 0,45 Acceptable 1,4 1,2 0,70 Acceptable exceptionnellement 1,5 1,4 0,85



Confort des voyageursConfort des voyageursLa SNCF a choisi de limiter les acclrations transversales quasi statiques (constantes) :

En fait, les valeurs recommandes actuelles dinsuffisance limitent lacclration transversale.

t = 0,15 g etdtdt

= 0,10 g / s soit t = 0,159,81 = 1,4715 m /s2

t = 0,98m /s2 pour les trains de 2me catgorie I = 150mm

t = 1,05m /s2 pour les trains de 3me catgorie I = 160mm

et envaleur recommande: tr = 0,1359,81= 1,3243m /s2



Confort des voyageursConfort des voyageursLa gomtrie du support devra donc garantir le non dpassement de ces limites en fonction de la vitesse des trains lempruntant.

Elle se caractrise par :

ses rayons (en plan horizontal et vertical)

le sur-haussement dun rail par rapport lautre (dvers)

des courbes de raccord entre alignement et courbe et les effets dynamiques associs.



Le dversLe dversCalcul du dvers dquilibre D (Formule fondamentale)

cos = 1 sin2 = 1 D2e2 = 1 180215002 = 0,98561

e

D

mV 2

R

mgtg =

mV 2R

mg= V

2

Rg= Decos

1 V m/ s=V km/h1000

3600=

V km /h3,6

Dmm=e cos V km /h

2

3,62 Rm g=

1500e cos V 2

12,969,81R= 11,798 V

2

R



Dvers prescritDvers prescritRappels historiques

Avant les annes 1930, le surhaussement S est calcul de diffrentes faons suivant les rseaux:

Sur lEst, S = 12V/R en donnant V la valeur 20 + 2Vi / 3, Vi tant la vitesse maximum autorise.

Au Chemin de fer du Nord, S = C/R, C tant un coefficient variable en fonction des lignes ou portions de ligne et de la vitesse des trains qui les parcourent. C peut prendre les valeurs suivantes: 120,110,100, 90, 75, 60, 50, 40, 30, 20, avec S 0,15 m. On notera que pour les valeurs de C 30, 45, 60, 75, les

vitesses respectives sont 50, 60, 70, 80. Peut tre est-ce l la raison dun coefficient de dvers multiple de 15?



Dvers prescritDvers prescrit Au PLM, S = 2V/3R, V tant la vitesse maximum autorise.

Mais par le fait de laugmentation constante de la puissance des machines et, par suite, du poids et de la vitesse des trains, lexprience a montr que, sur les lignes frquentes par des trains marche rapides, exposs subir en courbe des ractions, il y avait intrt accentuer le dvers afin damliorer le confort des voyageurs. Dans ce but il a t mis lessai sur les principales lignes grandes vitesses une nouvelle formule qui donne partir de 80 km/h environ un dvers suprieur celui de la formule ci-dessus. Les rsultats ayant t satisfaisants elle a t gnralise.



Dvers prescritDvers prescrit

Sur Paris - Nice, la vitesse fixe pour le calcul du dvers tait de 140 km/h sur les parcours ne comportant pas de courbes de rayon infrieur 1200 m, 130 km/h sur les parcours ne comportant pas de courbes de rayon infrieur 900 m

Sur Paris - Clermont - Vichy, la vitesse retenue tait de 130 km/h sur les parcours ne comportant pas de courbes de rayon infrieur 900 m

V 78 km/h

V 120 km/h

V 120 km/h

Jusqu 25 km/h les voies seront poses en principe sans dvers

Cette formule se raccorde la prcdente la vitesse de 78,333 km/h

Cette formule se raccorde la prcdente la vitesse de 120 km/h

S = 1,6 V45R

S = 2,4 V70R

S = V25R



Dvers prescritDvers prescritOn remarquera quil nest fait aucune mention de linsuffisance de

dvers. Celle-ci calcule avec les limites de lpoque nous donne:

V 130 km/h, d = 160 mm, R = 900 m, I = 61,5 mm

V 140 km/h, d = 140 mm, R = 1200 m, I = 52,7 mm

Ce qui confirme que laugmentation des performances du rseau cest faite par laugmentation de linsuffisance de dvers impliquant une qualit gomtrique accrue, et donc un entretien plus performant, pour ne pas ce faire au dtriment du confort des voyageurs.



Dvers prescritDvers prescritLhtrognit des vitesses pratiques et des types de train circulant sur une mme section de ligne conduit fixer un dvers pratique infrieur au dvers dquilibre (impossible mettre en place pour toutes les vitesses pratiques) En vue dhomogniser les contraintes subies par la voie et la fatigue entre rail bas et rail haut et ainsi doptimiser lentretien de celle-ci, la valeur du dvers pratique tient compte de limportance relative des trafics voyageurs et marchandise et de la dispersion des vitesses pratiques. Le dvers pratique ou dvers prescrit est calcul au moyen dun coefficient constant sur la section de ligne considre, le coefficient C (multiple de 15), proportionnellement la courbure. Celui-ci est adapt en fonction des dsordres constats en voie par ltablissement. Toutefois, une exception la rgle de proportionnalit dvers/courbure et tolre en passant dun coefficient de dvers un autre par un raccordement en dvers tabli avec un gauche de 0,5 mm/m.



Dvers prescritDvers prescritAujourdhui, le dvers prescrit est calcul au moyen du coefficient C

reprenant la formule des Chemins de fer du Nord.

Pour des raisons techniques (arrt en courbes, dmarrage) le dvers prescrit est limit 160mm en valeur recommande et 180mm en limite exceptionnelle

d mm =1000C

Rm = 0,02C f 10 m



Insuffisance de dversInsuffisance de dversLe dvers prescrit d tant infrieur au dvers dquilibre D pour les circulations rapides, il subsiste une force centrifuge non compense proportionnelle la diffrence entre ces deux dvers. Cette diffrence est appele insuffisance de dvers ou insuffisance tout court.

Imm= Dmm-dmm

pour un dvers prescrit nul, linsuffisance est maximale. lacclration transversale peut donc tre calcule au niveau du rail, en fonction de I, R et V :

le terme tant le coefficient de transformation des km/h en m/s pour obtenir en m/s partir de V en km/h (voir quation 1 p 84)

D = 11,8 V2

R I = 11,8V

2

Rd

= V2

Ret I = 11,8V

2

R = I

11,83.62= I

152,928soit I

1531

3,62

VoirVoir



Acclration normaleAcclration normaleCalcul de lacclration normal une courbe

RetourRetour

Y

X

V

VX

VY

R

a

a = Vt = R = VtR

, V x = Vsin , V y = VcosL ' acclration normale est la drive de la vitessepar rapport au tempssi y = f u et u = g x alors y ' = f ' ug ' x

soit f u = Vcos et g x = VtR

y =VsinVR

et x =VcosVR

et v = x2 y2

v = V 4R2 sin2V 4R2 cos2 v = V 2R sin2cos2v =

V 2

R



Insuffisance admissibleInsuffisance admissible

nous venons de voir que

Or, au niveau des voyageurs, les mouvements du vhicule dus l'crasement des suspensions extrieures courbe provoquent une acclration supplmentaire qui se traduit par une insuffisance ressentie plus importante, fonction du coefficient de souplesse s des vhicules.

s = ~0,4 pour les voitures corail

s = ~0,25 pour les automoteurs

s = ~0,2 pour les TGV

t=I

152,928

VoirVoir



Insuffisance admissibleInsuffisance admissibleCoefficient de souplesse s :

Lorsqu'un vhicule est plac larrt sur une voie en dvers, dont le plan de roulement fait un angle avec l'horizontale, sa caisse s'incline sur ses suspensions et fait un angle avec la perpendiculaire au plan de roulement. On appelle coefficient de souplesse s du vhicule, le rapport:

s=s=~ 0,4 voiturecorail , 0,25 automoteurs ,0,2 TGV

RetourRetour



Insuffisance admissibleInsuffisance admissibleDonc, au niveau du voyageur :

On dmontre de mme que pour les 3me catgorie :

t=I 10,4152,928

0,15 g I1,4715152,9281,4

= 160,7 soit 160mm

t =I 10,4152,928

0,135g I1,3243152,9281,4

=144,66 soit 150mm

I1,4715152,9281,25

= 180,03 soit 180 mm

I1,3243152,9281,25

= 162,01 soit 160 mm



Insuffisance admissibleInsuffisance admissiblePour les trains de 1re catgorie, de charge lessieu plus importante (22,5t contre 17t 3me cat.), afin de rester dans une plage defforts dans le rail comparable ceux des catgories prcdentes, on limite linsuffisance admissible :

F =m = m I152,928

I 3mecat17152,928

=I 1re cat22,5

152,928

I 1recat =I 3me cat17

22,5=

1801722,5

= 136 soit 130mmexeptionnelle

I 1recat =I 3me cat17

22,5=

1601722,5

= 120,8 soit 110mmrecommande



Acclration verticaleAcclration verticaleIl en est de mme pour lacclration verticale

Celle-ci est limite : Lignes classiques : 0,22 m/s en valeur normale et 0,31 m/s en valeur

exceptionnelle. Lignes nouvelles (v < 0,05 g) : En creux 0,45 m/s en valeur normale et 0,50 m/s en valeur

exceptionnelle. En bosse 0,45 m/s et 0,60 m/s.

Ces limites sont choisies en prenant en considration le confort de marche et lventualit dune plate-forme de la voie non stabilise. Sur les lignes o les voyageurs sont susceptibles de voyager debout, il est recommand de ne pas dpasser 0,1 m/s.



Acclration verticaleAcclration verticale

Rcapitulation :

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

0, 22 / 0,350730 0,350,31 / 0,248905 0,250, 45 / 0,171468 0,170,50 / 0,154321 0,150,60 / 0,128601 0,13

m s R V soit Vm s R V soit Vm s R V soit Vm s R V soit Vm s R V soit V

= = = = = = = = = =

= V2

R R = V

2

3,62



Variation de dversVariation de dversLa roue s'accommodant mal des marches descalier, le sur-haussement dun rail par rapport lautre ne peut se faire que progressivement.

La zone de voie dans laquelle seffectue la prise de dvers sappelle raccordement progressif (RP)

Malgr tout, la prise de dvers en raccordement provoque des ractions des ressorts de suspension entranant des oscillations nuisibles au confort et au matriel. Afin de limiter lamplitude de celles-ci et de raccourcir leur temps damortissement, la vitesse relative de monte de la roue extrieur courbe par rapport la roue intrieur ne doit pas tre trop importante.



Variation de dversVariation de dversCette vitesse ascensionnelle Va est le produit de la vitesse V du vhicule par la rampe de dvers.

Va

d

L

VV a = V tg =

V dL



Variation de dversVariation de dversAu dbut du sicle dernier (1907 1908 ?) la compagnie du Nord a ralis, au sujet des pentes relatives des rails, des expriences trs intressantes, en augmentant progressivement la vitesse jusqu des limites o lon ne ressentait pas encore de secousse ni de dplacement.

4,9 8,2 9,7Longueur de la pente (m) 12,1 5 7,35Vitesse maximum (km/h) 81 45 40

0,397 0,369 0,3880,11 0,10 0,108

Pente relative des deux files (mm/m)

Vitesse de torsion Va (km/h)Vitesse de torsion Va (m/s)



Variation de dversVariation de dversDans ces expriences, on a pu apprcier un lger mouvement ondulatoire de grande amplitude. Afin dattnuer le plus possible ce mouvement oscillatoire et rendre insensible lentre en courbe, il suffit que:

M. Hallade, dans son article de la revue Gnrale des Chemins de Fer N 4 davril 1908 (p 264) prconisait :

pV a = 0,157 ou pmm/m=157V

p mm /m =175V

exeptionnellement 380V



Variation de dversVariation de dversAujourdhui, la vitesse de monte dune roue par rapport lautre dans le plan vertical, lors de la prise de dvers dun vhicule est limite 50 mm/s, exceptionnellement 60mm/s (contrainte matriel) ce qui correspond peut prs une rotation de 2/s (1909152 pour e = 1500 mm).

d t

= 50 mm/ s et d t

= d l

V3,6

d l

3,650V

=180V

en mm/m

d t

= 60 mm/ s et d t

= d l

V3,6

d l

3,660V

=216V

en mm/m



Variation de dversVariation de dversNous avons vu que le dvers pratique est toujours infrieur au dvers dquilibre, la diffrence tant appele insuffisance de dvers.

De mme que le dvers prescrit varie dans les raccordements, linsuffisance rsultante variera galement dans ceux-ci, engendrant des variations dacclration transversales.

Celles-ci, nous lavons vu prcdemment, tant limites par le confort des voyageurs 0,10 g/s.



Variation dinsuffisanceVariation dinsuffisanceLa variation dinsuffisance ou variation dacclration transversale subie par le voyageur est en fait compose de lacclration due au rayon de la courbe (plan horizontal) et de lacclration due la rotation de prise de dvers (plan vertical). En ngligeant le coefficient de souplesse, on peut crire :

hv0,10 g ou1

152,928 I t

d t

0,981 I t

d t

150,022 mm/s

Pour tenir compte des diffrents type de circulation ,on retient 125 mm /s comme limite recommande d t

50 mm/s I t

75 mm/s en valeur recommande

d t

60 mm/s I t

90 mm/ s en valeur exeptionnelle



Variation dinsuffisanceVariation dinsuffisanceDans les zones dappareils de voie (20m de part et dautre, ce qui correspond peu prs l'empattement des bogies dune voiture corail), fortement arme o des chocs existent invitablement afin davoir un trac de voie plus compact, la variation dinsuffisance par rapport au temps admissible est plus importante :

I t

125 mm/s en valeur recommande

I t

150 mm/s en valeur exeptionnelle



Variation dinsuffisanceVariation dinsuffisance

Dans le cas o il nest pas fait usage de raccordements progressifs (absence de variation de dvers par exemple), la discontinuit dinsuffisance ne devra pas dpasser:

en voie principale

Conditions normales : 50 mm

conditions exceptionnelles : 75 mm

en pointe et talon dappareils de voie.

100 mm

40 km/h sur VP, un rayon de 250 m sans dvers gnre un I de 75,52 mm et impose donc des RP !



RcapitulationRcapitulationLimites admissibles pour les circulations voyageurs sur lignes classiques, en voie courante correctement arme

Vitesses (km/h) V 160 160 < V 200 200 < V 220

Type de circulation Catgorie Il Catgorie

III Catgorie

Il Catgorie

III TGV

recommand 160 160 160 160 160 Dvers (mm)

exceptionnel. 180 180 180 180 180

recommand 150 160 Insuffisance de dvers (mm) exceptionnel. 160 180

150 160 160

recommand 75 75 75 75 65 I/t (mm/s)

exceptionnel. 90 90 90 90 75

recommand 180/V 180/V 180/V 180/V 180/V D/L (mm/m)

exceptionnel. 216/V 216/V 216/V 216/V 216/V



Relation entre I, V, RRelation entre I, V, RCe graphique montre

linfluence de chacun des 3 facteurs sur les 2 autres

d = 0 (dvers pratique)I = insuffisance de dvers (0-260)R = rayon de la courbe (400-2000) INSUFFISANCES

RAYONS

VIT

ESS

ES



Gains pendulaires possiblesGains pendulaires possibles dI c = 11,8

V c2

Ret dI p = 11,8

V p2

R

V c = R d I c11,8 et V p = R d I p11,8Soit, pour les valeurs nominales retenues en france : d=160 I c=160 I p=260

V c = 320R11,8 = 320 R11,8 et V p = 420R11,8 = 420 R11,8Pourcentage maximal d'augmentation de vitesse par rapport la vitesse initiale :

V pV cV c

=420320 R11,8

320 R11,8

= 420320320

= 0,145644% soit 15%

Vc: Vitesse des trains classiques (km/h) Vp: Vitesse des trains pendulaires (km/h)R: Rayon de la courbe considre (m) d: Dvers prescrit dans la courbe considre (mm)Ic: Insuffisance de dvers trains classiques (mm) Ip: trains pendulaires (mm)



IMPACT DE IMPACT DE LARMEMENT LARMEMENT SUR LE TRACSUR LE TRAC



Le support et ses limitesLe support et ses limitesLes acclrations transversales et verticales, en fonction de la masse lessieu des vhicules produisent des efforts dans le rails et donc la voie.

La rptition de ceux-ci, au gr des circulations, gnre une fatigue dans le rail et la voie proportionnelle au cube de la vitesse engendrant des dfauts pouvant provoquer la rupture du rail.

On donc t conduit imposer des limites aux efforts subits par la voie en fonction de son armement. Limiter les forces appliques au rail revient limiter lacclration associe et, par voie de consquence, linsuffisance de dvers (proportionnelle au coefficient 1/152,928 prs).



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesIl a donc t tabli des catgories de circulation en fonction des effets produits.

Les matriels conventionnels sont classs en 3 catgoriesdfinies par la lettre TSR2 / S7A du 6/08/81

Catgorie I :Trains FRET dsigns ME (messageries) et MA (marchandises).

Catgorie II :Trains FRET dsigns MV160 et MVGV,

Trains Voyageurs composs de locomotive(s) + voitures,rames automotrices autres que celles homologues en catgorieIII.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesCatgorie III : Rames automotrices avec caractristiques particulires (centre de

gravit peu lev, faible coefficient de souplesse, masse lessieu et masses non suspendues rduites),

lments automoteurs thermiques et autorails.

Nota: Ces catgories sont galement dfinies dans la fiche UIC 518.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesPour les circulations FRET, la classification des lignes ou

sections de lignes, du point de vue de la voie (fiche UIC 700), est fonction de la masse maximale lessieu du wagon charg. Elle est reprsente par les lettres A, B, C, D et E.

charge A : 16 t lessieu,

charge B : 18 t lessieu,

charge C : 20 t lessieu,

charge D : 22,5 t lessieu,

chargeE : 25 t lessieu (rserv),

pour les wagons respectant les caractristiques de base de la classification.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesProjet de fiche UIC 700

P est la charge lessieu, p la charge lessieu par mtre (rpartition des bogies)

A P = 16 t p = 5.0 t/m D2 P = 22.5 t p = 6.4 t/m

B1 P = 18 t p = 5.0 t/m D3 P = 22.5 t p = 7.2 t/m

B2 P = 18 t p = 6.4 t/m D4 P = 22.5 t p = 8.0 t/m

C2 P = 20 t p = 6.4 t/m E4 P = 25 t p = 8.0 t/m

C3 P = 20 t p = 7.2 t/m E5 P = 25 t p = 8.8 t/m

C4 P = 20 t p = 8.0 t/m



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesClassification DEMAUX

A partir des annes 40, laccroissement de la vitesse des trains et laugmentation des charges lessieu ont conduit le chemin de fer un renforcement de sa superstructure. Cette adaptation, progressive, fut marque par une rglementation des machines vapeur et des tenders propre chacun des anciens rseaux existants. Ceux-ci disposaient alors chacun de leurs propres rgles adaptes, bien sr, aux besoins rgionaux et leur situation propre (ncessit dexploitation, armement, caractristiques des machines, ge et tat dentretien des voies). Linterpntration entre les rseaux des machines vapeur et des tenders, la cration de la SNCF ont donc fait apparatre la ncessit dunifier ces rgles.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesune commission fut cre portant le nom de commission de circulation des machines, dite commissionDemaux; cette dernire avait alors pour mission dtablir une mthode homogne de classement des machines et des tenders. Le but de ce groupe de travail tait au final de faciliter la circulation des diffrents matriels sur le futur rseau national; la commission , tout en tenant compte de lamlioration progressive de la qualit de la voie, a ainsi gnralis sur lensemble de la SNCF les rgles de circulation des machines et tenders en ne considrant que les rgles les plus librales ayant une pratique courante et prolonge sur une ou plusieurs rgions.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesChacune des rgions travaillant avec ses propres rgles de

circulation souvent construites de faon empirique, leur rseau respectif prsentant la plus grande htrognit en ce qui concerne larmement des voies et le matriel roulant, La commission se proposa donc de classer en groupes dune part les voies comparables et dautre part les machines comparables en fonction de coefficients dterminer afin deffectuer les assimilations ncessaires.

La commission dcida donc, compte tenu du grand nombre de paramtres caractristiques pour la voie, de ne les comparer entre elles quau moyen du terme:

IV

L

I : moment dinertie du rail, considr demi usure verticale, par rapport laxe neutre horizontal.

V :ordonne de la fibre la plus loigne, par rapport ce mme axe neutre.L : espacement entre axes des traverses les plus cartes.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesEn mcanique, pour un systme de points matriels Pi de

surface Si, le moment dinertie par rapport un axe est dfini par la formule:

o di est la distance de Si laxe.

IV

LVAxe neutre

L

I

I =i

S i d i2

Exemple :Rail U 50, 50,88 kg/mS = 6482 mmI = 2023 cm4I/V = 248,8 cm3



Larmement et ses limitesLarmement et ses limites Poids du rail(Kg/m) Type de rail

Rail demi usure Rail limite dusureusure verticale

(mm)I/V

(mm3)usure verticale

(mm)I/V

(mm3)30,475 30 k Est 4 117 436 8 10542030,772 13 5 117 000 10 l09 00033,400 17 5 142 000 10 130 00034,200 PLM 5 140 300 9 126 10036,495 36 K Std S40 5 141 000 11 124 00036,495 36 K StD S13 5 141 500 11 122 40036,900 II 5 146 000 10 132 00037,800 !!a 5 154 000 10 133 00039,250 PM 6 146 500 13 125 30040,950 S 41 a 172 000 16 142 00041,000 16 5 184 000 10 164 00041,348 G 33 6 168 000 12 128 00045,050 l6a 7 201 000 15 162 00046,040 46 k Est 8 181 889 16 152 73346,256 46 k Std S33 - U33 8 180 800 16 147 00046,256 46 k Std S12 - SB 9 194 000 16 162 00047,824 LP 8 197 500 16 157 00048,890 S 49 8 195 000 16 176 00050,568 50 k Std S36 U36 U50 8 223 900 16 180 80055,695 55 k Std S11 9 237 000 18 189 10055,695 55 k Std S39 U39 U55 9 235 100 18 203 00060,34 UIC60 (ex U80) 10 305 470 20 215 458



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesCe coefficient ne correspond qu la rsistance du rail, pour les

efforts verticaux; il nglige la fatigue des joints, du ballast et de la plate-forme, linfluence des courbes, ltat dentretien de la voie. Mais il prsente lavantage dtre simple.

De mme la commission imposa de comparer les machines partir du terme suivant:

k P L2V 2

1000 E

K fait intervenir le rle des bissels et des bogies.K=0.5 0.6 en cas de prsence de bogie.K=0.7 0.8 en cas de prsence de bissel.K=1 en cas dabsence de bogie ou bissel.

P: masse totale maximum de la machine.L: sa longueur hors tampons.E: son empattement total.V: la vitesse limite praticable sur chaque ligne par la machine. Le coefficient 1/1000 nintervient que pour la commodit des calculs

V tient compte des effets dynamiques

P et L/E caractrisent la machine



Le travail de la commission a ainsi conduit aux rgles de circulation ci-contre

Voies

Armement

Valeur de

lvI

(en mm)

Numrosdes

groupes devoies et demachines

Machines vapeurautorises circuler

Massemaximumde lessieu

le pluslourd

Valeurmaximumde

EVPLK

1000

22P en

tonnes,L & E enmtres, Ven km/h

Trs lger 100 140 1 17 T 3500

Lger 141 179 2 18 T 5500

Moyen 180 235 3 20 T 9300

Fort 236 350 4 21 T 6 15500

Trs fort Plus de350 5 23 T 19000



Larmement et ses limitesLarmement et ses limites

Aujourdhui encore le classement DEMAUX compare entre eux les divers types d'armement de la voie au moyen du rapport I/VL (dfini ci avant) qui caractrise le travail du rail la flexion sous charge verticale.Cinq groupes sont dfinis, pour lesquels une relation est tablie entre : Pour les circulations voyageurs, le rapport I/VL de larmement de la voie, la masse l'essieu maximale des engins moteurs, la vitesse maximale admise, l'insuffisance de dvers maximale admise.

Le type de rail, de traverses et le travelage influent galement sparment sur ces paramtres.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesCirculations FRET: le rapport I/VL de larmement de la voie, le type de rail (Vignole ou Double Champignon, masse au

mtre),lespacement maximal des traverses, la charge l'essieu des wagons,

le tonnage moyen mensuel FRET,l'insuffisance de dvers maximale admise.la vitesse maximale admise,

Des restrictions trac sont galement prendre en compte en cas de rail Double Champignon (DC) pour la circulation des trains en charge D.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesTextes de base dfinissant les relations armement / vitesse / insuffisance de dvers pour les circulations de catgories II et III

Trains de voyageurs (catgories II et III)Le rfrentiel IN 2542 (ex CG EF 1 C 2 n1 du 25/08/81)donne les

conditions techniques respecter pour relever la vitesse limite des trains de voyageursjusqu 200 km/h.

La lettre VTV/VPR/EF1C2 du 28/04/1988 et le mmento joint la lettre VTV/EF 2 C 10/n837 du 11/08/1988 tendent lapplication du rfrentiel IN2542 jusqu 220 km/h pour la circulation des TGV.

Le tableau ci-aprs rcapitule les conditions de circulation lies larmement de la voie contenues dans ces textes:



Larmement et ses limitesLarmement et ses limites Armement Rail Vignole Catgorie II Catgorie III

Gro

upe

Dem

aux

I/V

L ra

il u

(mm

2 )

Rai

l min

i (kg

/m)

type

de

trave

rse

(1)

Esp

ace

axes

trav

erse

s (m

)

Mas

se E

ssie

u lo

c m

axi (

t)

V m

axi (

km/h

)

I (m

m) n

or /

m

ax

Mas

se E

ssie

u m

axi (

t)

V m

axi (

km/h

)

I (m

m) n

or /

max

5me > 350 LRS50 kg

TBAou TB

0.60 22,5 200160

150150

150160

NP 220160(2)

160160

160180

4me 350301

LRS U33(+ faible % de

BN 18m)

TBATB

0.600.58

2020

160160

150150

160160

NP 160160

46 kgLRS ou BN 18m

TBAou TB

0.60 2121,6

135115

150150

160160

NP 135



Larmement et ses limitesLarmement et ses limites Armement Rail Vignole Catgorie II Catgorie III

Gro

upe

Dem

aux

I/V

L ra

il u

(mm2

)

Rai

l min

i (kg

/m)

type

de

trave

rse

(1)

Esp

ace

axes

trav

erse

s (m

)

Mas

se E

ssie

u lo

c m

axi (

t)

V m

axi (

km/h

)

I (m

m) n

or /

m

ax

Mas

se E

ssie

u m

axi (

t)

V m

axi (

km/h

)

I (m

m) n

or /

max

4me 300/236 NP NP NP 21,6 115 NP 150 NP 115 NP 1603me 235/180 NP NP NP 20 95 NP 140 NP 100 NP 1502me 179/141 NP NP NP 18 85 NP 120 NP 90 NP 1301er 140/100 NP NP NP 17 70 NP 80 NP 80 NP 125

(1) Voir tableau suivant pour le type de TBA utilisable(2) 200 km/h dans le futur rfrentielNP = non prcis, mais sachant que, pour le type de rail et lespacement maxi des traverses, les conditions indiques sont bases sur le type de pose de lpoque qui tait fonction du groupe Demaux.Dautre part, pour la masse lessieu des trains de catgorie III, la consigne de 1981 considre la masse lessieu des autorails de lpoque.




Armement Rail DC Catgorie II Catgorie III G

roup

e D

emau

x

I/VL

rail

u (m

m2 )

Rai

l min

i (kg

/m)

type

de

trav

erse

s (1

)

Esp

ace

axes

trav

erse

s (m

)

Mas

se E

ssie

u lo

c m

axi

(t) Vite

sse

max

i (km

/h)

Insu

ffis

ance

dv

ers

(mm

) n

or/m

ax

Mas

se E

ssie

u m

axi (

t)

Vite

sse

max

i (km

/h)

Insu

ffis

ance

dv

ers

(mm

) n

or/m

ax

4me 300/236 NP NP NP 21,6 100 130 140 NP 110 140 150

3me 235/180 NP NP NP 20 90 110 130 NP 95 130 1402me 179/141 NP NP NP 18 80 100 110 NP 85 110 1201er 140/100 NP NP NP 17 60 70 75 NP 70 80 100

Les valeurs maximales dinsuffisance de dvers ne peuvent tre appliques que dans la demi-partie suprieure de la plage Demaux concerne.Nota: Sur ces groupes, moyennant laccord de la Direction de lEquipement, les valeurs du tableau rail Vignole

pouvaient toutefois tre appliques au rail DC sous certaines conditions.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesinsuffisances de dvers limites applicables aux trains de la catgorie I

GroupesDemaux Insuffisance de dvers limite (en mm)

Charge C(20 t / essieu)

Charge D(22.5 t / essieu)

Charge E(25 t / essieu)

3, 4 et 5 Nor110Max130

Nor110

Max130

Nor110 (1)

Max130 (1)

2 110 120 100 110 75 sur VSinterdit sur VP

1 75 8075 / rail DCinterdit / rail

Vignoleinterdit

VS: voie de service, VP: voie principaleSur rail DC, appliquer les valeurs normales.(1) I < 75 mm sur le groupe 3, la vitesse max tant de 30 km/h



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesvitesses possibles en fonction des traverses :

TRAVERSES V 140 140 < V 160 V > 160VAX U20 Autoris Interdit

VAX U21 Autoris Interdit(1)

VAX U31 Autoris

VAX U41 AutorisMonobloc U31

et U41 Autoris

Bois AutorisMixit Bois /

VAX U20 Autoris Interdi (1) Interdit

Mixit Bois /VAX U21ou Bois /

Monobloc U31

Autoris Interdit

(1) drogation possible pour les circulations de catgorie III. admis uniquement sur pose existante



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesUn autre classement des lignes existe galement. Il sagit de la classification UIC.

La classification des voies de lignes est tablie sur la base d'un trafic fictif Tf2 dont l'expression est la suivante :

Tv dsigne le tonnage journalier voyageurs exprim en tonnes brutes remorques,Tm dsigne le tonnage journalier marchandises exprim en tonnes brutes remorques,Tt dsigne le tonnage journalier des engins de traction exprim en tonnes(1)

Km est un coefficient qui vaudra normalement 1,15 et pour les voies supportant un trafic prpondrant d'essieux de 20 tonnes, 1,30(2)

Kt est un coefficient gal 1,40(2)

Tf2 = S T vK mT mK tT t



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesS est un coefficient de qualit de la voie qui pourra prendre des valeurs

suivantes :

1) On comprendra en principe dans le tonnage des engins de traction Tt les automotrices voyageurs dont la charge par essieu est suprieure 17 tonnes, les autres tant comprises dans le tonnage voyageurs Tv.

2) Km et Kt sont des coefficients tenant compte la fois de la charge et de l'agressivit des essieux actuels.




Le coefficient S pourra avoir une mme valeur entre les deux extrmits d'un mme tronon de ligne mme s'il existe, sur ce tronon, une ou plusieurs fractions sur lesquelles, pour des raisons diverses (trac notamment), la vitesse des trains est infrieure celle qui est pratique sur le reste du tronon.Ce coefficient pourra mme avoir la mme valeur pour un ensemble de tronons d'une mme ligne et correspondre la vitesse maximale pratique sur ces tronons.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesLes voies des lignes sont classes, selon la valeur de leur trafic fictif, en neuf groupes(3) suivant les seuils ci-aprs

Groupe 1 Tf2 > 120 000Groupe 2 120 000 Tf2 > 85 000Groupe 3 85 000 Tf2 > 50 000Groupe 4 50 000 Tf2 > 28 000Groupe 5 28 000 Tf2 > 14 000Groupe 6 14 000 Tf2 > 7 000Groupe 7 7 000 Tf2 > 3 500Groupe 8 3 500 Tf2 > 1 500Groupe 9 1 500 Tf2

3) Les 7e, 8e et 9e groupes sont scinds selon qu'ils comportent (AV) ou non (SV) des lignes parcourues par des circulations "voyageurs"



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesLe trafic fictif est dtermin pour chacune des deux voies

d'une ligne ou d'un tronon de ligne double voie, mais les deux voies seront en gnral regroupes sous un mme classement (en principe celui de la voie la plus charge).

Sur les lignes plus de deux voies, les voies dites "bis" pourront tre classes dans un groupe diffrent.Le trafic fictif est calcul par tronon de ligne d'une longueur minimale de l'ordre de 50 km, sauf justification particulire (par exemple, tronc commun plusieurs lignes sur une faible longueur).Le groupe UIC sert notamment dterminer le dimensionnement des structures, larmement et aussi lentretien.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesLes Longs Rails Souds (LRS)

Dautres limites de trac sont imposes par larmement , les limites de rayon dues aux contraintes lies laugmentation de temprature dans les longs rails souds.

Ces limites sont traites dans lIN 2915.

celle-ci reprend, en fonction de larmement, rail, planch, attaches, du dfaut de dressage et du groupe UIC de la ligne les rayons minimaux autoriss associs au profil de banquette de ballast.



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesExemple pour un dfaut de dressage de 14 mm, V > 80 km/h des

groupes UIC 1 6 et 7AV 9AV

Profils de rails46 E 2 50 E 6 / 50 E 1 60 E 1

Rayon minimal de pose en mtres lorsque la voie est ballasteau profil

Cla

sse

detra

vers

es

Trav

elag

eTr

/km

Plei

n

Ren

forc

Plei

n

Ren

forc

Plei

n

Ren

forc

Classe 4 1666t/km 500 300 500350 (monobloc)300m (bibloc) 500m

400 (monobloc)300 (bibloc)



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesLes rayons minimaux ont t fixs la suite de calculs de stabilit

de la voie. La valeur du rayon minimal autoris pour la pose des LRS dpend :du profil de rail,du type de traverse et pour les traverses bton de la classe dfinie avec

une distinction entre les traverses monoblocs et les traverses bibloc.du profil de ballast,de la valeur du dfaut de dressage ponctuel mesur sur base de 10 m

(paramtre de dressage suivant normes de gomtrie IN2640 et IN1895).

du travelage.



10 20 30 40 50 60 70 80 9010

011

012

013

014

015

016

017

018

019

020

021

022

023

024

025

026

027

028

029

030

031

032

033

034

035

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650Comparaison Insuffisance limites de dformation - Insuffisance limites de confort

I dripage 17 t/essieux I dripage 22,5 t/essieux I confortVITESSES

INSU

FFIS

ANCE

S

Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesInsuffisances limites

de dformations (pose sur traverses btons)

I mm 5002250

Ptonnes 1,5V km/h

Trains classiquesTGV



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesDiagramme R=f(V) pour

Inominal trains automoteurs, TGV et pendulaires (260)

Pour les vitesses leve, la condition de scurit prime sur la condition de confort, cest pourquoi linsuffisance admissible diminue avec les vitesses importantes.

Au del de 260 km/h, le pendulaire nest plus du tout pertinent.

100

110 12

013

0 140

150 16

017

0 180

190 20

021

0 220

230 24

025

0 260

270 28

029

0 300

310 32

033

0 340

350

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Conditions de confort et de scurit(calcul pour P 17t et d nominal 160/180)

I 65 I 75 I 80I 100 I 110 I 160I 260 Pendulaire Scurit

VITESSES

RAY

ON

S



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesCe qui donne pour les normes TGV voyageurs :

Vitesse (km/h) V 230 270 300 320 350Coefficient de ligne(RP) K 390 000 576 000 720 000 850000 1 100 000Dvers (mm) d = K /R Limite maximale d 180 180 180 180 180Insuffisance de dvers (mm)Limite normaleLimite exceptionnelle

I

110140

100130

80100

7590

6580

Variation d'insuffisance dedvers (mm/s)Limite normaleLimite exceptionnelle

I/t

30

50

Variation de dvers (mm/m)

Limite normale

Limite exceptionnelle

d/L

180/V216/V



Larmement et ses limitesLarmement et ses limitesInterdpendance signalisationLors d'tudes de relvement de vitesse sur une voie dont l'ge des rails est antrieur ou gal 1965, compte tenu de la forte prsence de carbone lie aux mthode d'laboration de l'acier et du manque de fiabilit des contrles de sant interne lors de la fabrication avant cette priode, si la signalisation n'est pas assure par circuit de voie (ex : compteur d'essieux) ou si elle l'est par circuit de voie mono rail, du fait de la non possibilit de dtection des cassures de rail, l'augmentation de vitesse ne sera pas accorde.



LES TUDES LES TUDES DE TRACDE TRAC



Consquences tracConsquences tractudier un trac de voie, cest

calculer une gomtrie et une position de la voie en tenant compte de ses constituants en fonction des ses environnants.

nous sommes en prsence dun systme. situation donne, la meilleure solution nest pas forcment laddition des meilleures solutions de chacun de ses lments

Armement

Armement

Go

mt

rieG

om

trie

PositionPosition

EnvironnantsEnvironnantsTrac =Espace g , p , a dg dp da



Consquences tracConsquences tracNous venons de voir que la gomtrie du support est directement responsable des effets dynamiques affectant celui-ci ainsi que le vhicule.

Le rayon, le dvers ainsi que leurs variations sont borns par les effets indirects quils induisent sur le confort des voyageurs, sur la voie ou sur les vhicules.

La vitesse, par les acclrations quelle gnre, est le premier facteur dterminant dans une tude de trac. Elle doit tre imprativement connue (ou adapte) pour les diffrentes catgories de train susceptibles demprunter litinraire calcul mais aussi suivant larmement retenu et le type de pose envisag.



Consquences tracConsquences tracLes tudes de trac de voie ne peuvent tre conduites que par une approche systmique :

APPROCHE ANALYTIQUE APPROCHE SYSTMIQUE

Isole : se concentre sur les lments Relie : se concentre sur les interactionsentre les lments.Considre la nature des interactions. Considre les effets des interactionsS'appuie sur la prcision des dtails. S'appuie sur la perception globale.

Modifie une variable la fois. Modifie des groupes de variablessimultanment.Indpendante de la dure : lesphnomnes considrs sont rversibles. Intgre la dure et l'irrversibilit.

La validation des faits se ralise par lapreuve exprimentale dans le cadre d'unethorie.

La validation des faits se ralise parcomparaison du fonctionnement du modleavec la ralit.



Consquences tracConsquences trac

APPROCHE ANALYTIQUE APPROCHE SYSTMIQUE

Modles prcis et dtaills, maisdifficilement utilisables dans l'action(exemple : modles conomtriques).

Modles insuffisamment rigoureux pourservir de base de connaissances, maisutilisables dans la dcision et l'action(exemple : modles du Club de Rome).

Approche efficace lorsque les interactionssont linaires et faibles.

Approche efficace lorsque les interactionssont non linaires et fortes.

Conduit un enseignement par discipline(juxta-disciplinaire).

Conduit un enseignementpluridisciplinaire.

Conduit une action programme dansson dtail. Conduit une action par objectifs.

Connaissance des dtails, buts mal dfinis. Connaissance des buts, dtails flous.



Consquences tracConsquences tracEn effet, un trac na de sens que par rapport ses environnants immdiats dont les principaux sont :

Le matriel considr (catgorie de train).La catnaire et lnergie lectrique.La signalisation (darrt, despacement, dindication de

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