Modélisation des effets vibratoires et des surcharges dynamiques du trafic ferroviaire

A Numerical Model to Predict Train Induced Vibrations and Dynamic Overloads

• Auteur / Autrice : Riccardo Ferrara
• Direction : Franck Jourdan, Giovanni Leonardi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et génie civil
• Date : Soutenance le 21/05/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2 en cotutelle avec Università degli studi mediterranea (Reggio de Calabre, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et de génie civil (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Jourdan, Giovanni Leonardi, Alfonso Vulcano, Roberto Tomasicchio, Francesco Macchione
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alfonso Vulcano, Roberto Tomasicchio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mach, Nombre de

Trains à grande vitesse

Ballast (chemins de fer)

Infrastructures ferroviaires

Transports ferroviaires

Mots clés libres

Vitesse critique

Force de contact

Péage ferroviaire

Traverse

Receptance

Tassement du ballast

Critical speed

Railway toll

Contact-force

Receptance

Sensitivity analysis

Ballast settlement

Résumé

Durant les cinquante dernières années le développement technologique du train et des infrastructures ferroviaires ainsi que la rapide augmentation des vitesses en ligne ont provoqué une forte augmentation du besoin d'outils numériques pour la conception des infrastructures et des véhicules. Les principaux objectifs de mes travaux de recherche sont de deux ordres : d'une part contribuer à faire progresser les méthodes numériques en développant un outil rapide et simple, capable de simuler les principaux comportements physiques et d'autre par étudier, comprendre et décrire deux phénomènes particuliers: la vitesse critique et le tassement du ballast. La thèse est composée de deux parties. Dans la première partie on montre le modèle numérique adopté pour simuler le système véhicule/infrastructure. Les innovations fondamentales introduites dans cette partie de la thèse résident dans le modèle de liaison entre les attaches et le rail, et dans le nouvel algorithme proposé pour résoudre la non linéarité du problème. En effet, afin de rendre plus rapide la résolution, la méthode du point fixe a été couplée avec la méthode de Newton Raphson. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la présentation des résultats numériques obtenus. Enfin, les résultats des simulations ont été utilisés pour la compréhension et la description de l'origine de la vitesse critique et des effets du train sur le tassement du ballast. La vitesse critique peut être définie comme une certaine valeur de vitesse qui provoque un fort incrément des vibrations et des déplacements verticaux et latéraux de l'infrastructure. Ce phénomène a été étudié par plusieurs équipes et a été attribué à un effet de résonance comparable au phénomène aérodynamique du mur du son: «Mach effect». Le train produit des vagues de déformation sur l'infrastructure; la vitesse de ces vagues, nommée «vitesse de Rayleigh», dépend principalement des caractéristiques du ballast et du sol. En effet même si l'effet «Mach» est physiquement plausible pour ces conditions, les trains n'atteignent pas, pour le moment, ces vitesses. Néanmoins des résultats expérimentaux ont permis l'observation du phénomène de la vitesse critique pour des trains roulant à la vitesse de 135 km/h (nombre Mach proche à 0.4). Donc, pour le moment, il n'y a ni estimation exacte ni explication physique de la vitesse critique dans l'intervalle inférieur à la vitesse de Rayleigh. Dans cette thèse une nouvelle explication a été proposée. La masse du train et les suspensions ont une influence non négligeable qui modifie la réponse du système véhicule/infrastructure en termes de modes de vibration. Pour cette raison, il est nécessaire de lier les fréquences d'excitation, et donc la vitesse du train, avec les modes de vibration du système couplé. Des comparaisons entre les analyses modales du système couplé et la déflexion de la traverse en fonction de la vitesse du train ont été menées. Lorsque la vitesse du train, qui excite le système suite aux passage des traverses, rejoint la valeur critique, un phénomène de résonance s'observe. La deuxième étude développée concerne les coûts des entretiens liés au tassement du ballast. Le but est de trouver une fonction de coûts liés aux caractéristiques et aux variables du véhicule, et de proposer une nouvelle méthode pour calculer la partie du péage ferroviaire lié au tassement du ballast (50 % environ du coût total). En calculant la déflection du ballast grâce au modèle présenté dans cette thèse, il est possible d'évaluer l'effet de chaque véhicule sur le tassement. Une fois calculé le coût total d'un certain type de ligne, lié à une certain seuil d'intervention (somme des intervention des bourrages plus la substitution total du ballast), il est possible d'évaluer le coût de chaque passage de train et de le lier à toutes le variables du modèle.

A numerical model to predict train induced vibrations is presented. The dynamic computation considers mutual interactions in vehicle/track coupled system by means of a finite and discrete elements method. The vehicle is modeled by 7 bi-dimensional rigid elements representing: the body, the two boogies and the four wheels. The railway is discretized as finite Timoshenko beam elements. Axial deformation is assumed insignificant. The substructure is made-up of: rail-pads, sleepers, ballast, and background. Rail-pads are modeled as spring/damper couples without mass and sleepers are modeled as rigid elements. The rail-sleeper contact is assumed extended to a connection-area, rather than a single point assumption. To model this area many spring/damper couples are disposed along the length of sleepers. The ballast is modeled as blocks of mass made-up of rigid elements, connected to sleeper by spring/damper couples. To allow the transmission of vibrations in longitudinal direction too, spring/damper couples connect ballast elements horizontally.The dynamic interaction between the wheel-sets and the rail is accomplished by using the non-linear Hertzian model with hysteresis damping. The rail defects and the case of out-of-round wheels are considered too.A modal analysis of supporting structure is done to validate the substructure model comparing it to experimental data.Comparisons between numerical results of our model, experimental data and numerical results of others literature models are done on contact-force, rail accelerations and sleepers accelerations to validate the coupled vehicle/track system.Moreover a modal analysis of the coupled vehicle/track system is done to analyze the relationship between resonance frequencies, train velocities and ballast displacements.A sensitivity analysis is done to evaluate the variables more affecting the maintenance costs. The parameters more conditioning the ballast maintenance costs are the ballast modulus and the train mass.The effects of train velocity on the ballast displacements are analyzed in relationship with substructure properties. A new formulation to evaluate the railway toll connected to ballast wear is introduced.A new interpretation of the critical velocity in the range 100-300 km/h is proposed.