Thèse soutenue

Modélisations stationnaires des voies ferrées : comportement et dégradation du ballast

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Auteur / Autrice : Thibault Badinier
Direction : Habibou Maitournam
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des solides
Date : Soutenance le 12/12/2018
Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles - Institut des Sciences de la mécanique et Applications industrielles
établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1741 -....)
Jury : Président / Présidente : Ali Daouadji
Examinateurs / Examinatrices : Habibou Maitournam, Siegfried Maiolino, Bernard Jacob, Andrei Constantinescu, Thi Mac-Lan Nguyen-Tajan
Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Roger

Mots clés

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Résumé

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Le développement récent du transport ferroviaire a conduit à une forte augmentation du trafic durant la dernière décennie, augmentation qui devrait sepoursuivre dans la décennie à venir avec les futurs développements de ce mode de transport. L'augmentation du trafic se traduit pour l'infrastructure par une augmentation des sollicitations subies par les voies ferrées. La qualité des voies ferrées est garante de la performance du mode de transport ferroviaire,mais également de la sécurité des matériels roulants et des usagers de l'infrastructure. Conserver la qualité du réseau ferré est donc une priorité pour les gestionnaires d'infrastructures ferroviaires. Le ballast ferroviaire a pour rôle de répartir les efforts induits par la circulation des trains et d'assurer la bonne géométrie de l'infrastructure. La surveillance de la dégradation du ballast est donc primordiale pour assurer la qualité del'infrastructure.L'objectif de cette thèse est de proposer un outil numérique permettant d'anticiper la dégradation et le comportement d'une infrastructure ferroviaire sous trafic. Cet outil doit permettre de simuler efficacement lecomportement du ballast ferroviaire sous un grand nombre de cycles de chargements mobiles.Une première partie détaille la composition des infrastructures ferroviaires, précise les rôles du ballast et identifie les grandes lignes de son comportement.Il est fait le choix d'utiliser une méthode de représentation du ballast par élément fini et un modèle de comportement élastoplastique. Le ballast est alors traité comme un géomatériau continu répondant à des lois de comportementélastoplastique.Dans une seconde partie, les bases de la modélisation élastoplastique sont rappelées. Puis, plusieurs modèles de comportement issus de la littérature et comportant des éléments intéressants sont identifiés et étudiés.Dans une troisième partie, un nouveau modèle de comportement frottant compactant est proposé. Il est composé d’un critère nouveau et d'une loi d'écoulement originale. Enfin, le modèle est complété par la prise encompte, de la dégradation du matériau via une diminution de l'angle de frottement interne.Dans une quatrième partie, les méthodes stationnaires sont rappelées. Ces méthodes sont spécifiquement développées pour la modélisation des problèmes incluant des charges en mouvement. Les différents algorithmes sont implémentés àl'aide d'un code de calcul développé dans le logiciel Matlab et à l'aide du logiciel d'éléments finis COMSOL Multiphysics. En particulier, la méthode stationnaire à double échelle de temps, qui est un développement nouveau, permet la modélisation rapide d'un grand nombre de cycles de chargements et la prise en compte des effets d'usure du matériau.Dans une dernière partie, les deux principaux modèles tridimensionnels utilisés sont présentés. Sur un faible nombre de cycles de chargements, divers résultats sont établis selon les différents modèles de comportement utilisé. Sur un très grand nombre de cycles de chargements, les résultats obtenus montrent l'évolution des déformations irréversibles de la structure et de la dégradation du matériau.