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Voie ferrée à couches multiples hétérogènes en matériaux composites La présente invention concerne la voie ferrée et est relative à sa superstructure.
La voie de chemin de fer dans sa forme classique date d'il y a environ cent cinquant ans, c'est-à-dire depuis les débuts des chemins de fer.
Les besoins et les exigences des chemins de fer à l'égard de la voie ont évolué, surtout en fonction du dé-. veloppement du poids des véhicules, de la charge par essieu et de l'augmentation des vitesses.
Les cent cinquante ans d'exploitation de la voie ferrée classique ont permis d'accumuler une expérience importante en ce qui concerne les qualités, mais surtout en ce qui concerne les inconvénients de la forme classique de la voie. D'après cette expérience on peut distinguer les deux groupes d'éléments, qui déterminent la qualité de la voie : - les caractéristiques élastiques et la rigidité ver- ticale de la voie, qui interviennent dans l'inter- action de la voie et des véhicules et qui déterminent les sollicitations dynamiques ; - le comportement des éléments de la voie et la stabi- lité de sa forme pendant la période d'exploitation de la voie ainsi que les problèmes d'entretien.
Le comportement dynamique de la voie et les sollicitations exercées sur ses différents éléments sont déterminés, d'une part, par les caractéristiques des-véhi-
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cules et, d'autre part, par la rigidité verticale de la voie et sa masse.
L'utilisation dans la superstructure : ferroviaire des éléments en béton (traverses) a mis en évidence l'importance de la rigidité verticale de la voie, exprimée normalement par le coefficient d'appui des rails. C'est à partir de ce moment que l'on observe le développement des attaches élastiques des rails, qui doivent compenser l'élasticité des traverses en bois supprimées.
Dans la voie classique la rigidité verticale de la voie est déterminée surtout par les caractéristiques du ballast et de la plate-forme. Elle est exprimée par le coefficient de réaction c (kg/m3). Pour le ballast seul ce coefficient varie entre 50 kg/cm3 et 80 kg/cm3. Pour le ballast reposant sur la plate-forme-elle même caractérisée par c = l0 kg/cm3-le coefficient global de réaction est de 26,67 kg/cm3 à 33,33 kg/cm3.
Du point de vue des caractéristiques élastiques de la voie et de sa rigidité verticale, la voie classique correspond bien aux besoins du trafic moderne, bien que certaines fréquences des vibrations soient mal absorbées dans le cas des lignes à grandes vitesses.
C'est plutôt dans le domaine du comportement des éléments de la voie, de sa stabilité et des problèmes d'entretien, qu'on peut observer une mauvaise adaptation de la voie classique au développement du trafic et qu'il se présente d'importants inconvénients.
En effet, un des problèmes les plus importants de l'exploitation de la voie sont les déformations résiduelles et permanentes de la plateforme et du ballast, d'où- résulte la dégradation progressive de l'état de la voie, ¯
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nécessitant les travaux d'entretien. esr-nconvénient & :
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sont en progression avec le développement du traffic, surtout avec l'augmentation des charges et des vitesses. C'est en particulier l'élément de la vitesse, qui met en cause la qualité de la voie classique.
La géométrie de la voie classique est directement sensible à toute les déformations de la plateforme et du ballast, surtout aux déformations locales du ballast. Le seul élément de continuité, qui est susceptible de répartir les effets de ces déformations, est le rail.
La rigidité du rail n'est pas suffisante et les déformations de la plateforme et du ballast provoquent la dégradation de la géométrie de la voie.
Depuis plus de vingt ans les différentes conceptions d'une voie non-classique ou non-conventionnelle sont étudiées et essayées. Le principe de ces conceptions consiste dans les deux éléments suivants : - l'élimination du ballast ; - l'application d'une dalle continue en béton armé ou en béton précontraint.
D'après ces conceptions l'élimination du ballast permet d'éviter tous les inconvénients de son mauvais comportement et surtout de son instabilité. En plus, l'application d'une dalle continue permet de répartir les sollicitations ou pressions sur la plate-forme de façon à réduire les valeurs maxima des pression, réduire les déformations tangentielles dans le milieu meuble de la plate-forme et diminuer le nombre des cycles, grâce à la répartition plus uniforme des charges.
L'élimination du ballast et l'application d'une structure continue permet-comme le prouvent les essais-de
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résoudre le problème de la stabilité-de-la géométriede la voie. Mais, contrairement à la-voie classique,
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le problème de l'élasticité de la voie présente dans ce cas plusieurs difficultés.
La déformabilité élastique de la voie est, dans le cas de différentes solutions essayées, assurée par les attaches des rails et par les déformations de la plateforme. Or la déformabilité de la plate-forme est diminuée par la réduction des pressions exercées sur cette plate-forme et par la rigidité importante de la dalle en béton armé. Afin que la voie ne soit pas trop rigide, afin que le coefficient d'appui du rail ne soit pas excessivement élevé, il est nécessaire d'introduire dans la superstructure un élément élastique supplémentaire. Dans les solutions connues de la voie non-classique la perte de l'élasticité du ballast et la diminution de la déformabilité de la plateforme sont équilibrées ou compensées par le système des semelles élastiques dans les fixations des rails.
Un des inconvénients importants de ce système est le coût élevé des fixations.
L'analyse dynamique de la voie non-conventionnelle, dont les rails sont fixés directement à la dalle en béton armé, permet de constater que la grande déformabilité des attaches des rails fait diminuer la fréquence propre des vibrations de l'ensemble rail-roue, ce qui peut mener-en dépit de l'objectif initial-à l'augmentation des sollicitations dynamiques.
L'expérience montre, que-malgré les attaches élastiques-la concentration locale des contraintes dans la dalle dépasse parfois la résistance du béton. La grande rigidité de la dalle ainsi que la faible résistance du béton à la traction sont parfois ¯les raisons d'une fissuration, qui apparaît-surtout aux environsou autour des fixations des rails. On essaye d'y re-
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médier en appliquant la mise en précontrainte de la dalle ou bien en utilisant les traverses en béton précontraint posées sur la dalle continue en béton armé.
Les deux solutions provoquent des frais supplémentaires.
En plus, l'utilisation des traverses en béton posées sur la dalle augmente l'épaisseur de la voie.
Afin de remédier à ces inconvénients de nature aussi bien technique qu'économique, il faut utiliser la superstructure, qui satisfait aux conditions suivantes : 1. Elle se caractérise par une rigidité flexionnelle, permettant de répartir les pressions sur la plateforme de façon à les réduire et à limiter-sinon éliminerles déformations permanentes de la plate-forme.
2. Elle est munie d'une couche déformable et ductile, qui assure les déformations verticales comparables avec celles du ballast, ou bien elle comprend une couche du ballast modifié se caractérisant par la stabilité de sa structure et de sa forme et d'une rigidité flexionnelle.
3. Elle se caractérise par la résistance locale à la traction élevée, surtout à l'endroit de fixation des attaches des rails.
La voie ferrée selon l'invention est une voie, dont la superstructure est constituée d'un élément intégral et solide. La structure interne de cette construction est renforcée de façon quasi uniforme et isothrope par une armature discontinue, dispersée dans la masse du matériau de la construction. La construction de la voie suivant l'invention contient les deux-étages élas- tiques
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- au niveau des attaches des rails, - en dessous d'élément porteur de la voie, selon le schéma annexé.
Eléments Caractéristiques élastiques rail (1) E J Module d'élasticité x module d'inertie attaches (2) k coefficient de rigidité verticale. dalle (3) E J Module d'élasticité x module d'inertie couche élastique (4) c, EJ coefficient de réaction, module d'élasticité x module d'inertie. plate-forme (5) c coefficient de réaction.
La construction de la voie ferrée suivant l'invention constitue un élément continu dans le sens de la longueur de la voie, composé d'au moins deux couches superposées en matériaux solides, dont le module d'élasticité est différent pour chaque couche, suite à l'hétérogénéité des matrices différentes appliquées.
La couche inférieure 4 est une couche élastique, dont le module d'élasticité en compression ne dépasse pas 250 N/mm2. Elle est réalisée sur base de la matrice ductile, ce qui lui permet de suivre les déformations et de s'adapter aux défauts éventuels de la plate-forme 5, sans provoquer des efforts internes important et surtout sans risquer la rupture interne de la couche.
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La couche élastique 4, réalisée par exemple en ballast préstabilisé, constitue l'appui pour les autres couches 3 et éléments de la superstructure de la voie. Son épaisseur est choisie en fonction du module d'élasticité, de façon à assurer la valeur du coefficient de réaction c inférieur à 100 kg/cm3. Cette épaisseur n'est pas inférieure à 5 cm et en principe ne dépasse pas 15 cm.
Tout en étant un matériau ductile cette couche en ballast préstabilisé 4 reste un corps solide et, vu la continuité de sa structure, se caractérise par une certaine rigidité à la flexion, ce qui lui permet d'atténuer, sinon d'éliminer, les effets d'un dégat local accidentel dans la plate-forme 5, dû par exemple au défaut du drainage.
Selon l'invention l'autre ou les autres couches 3 de la construction de la voie sont réalisées en matériau composite à matrice fragile-tel que béton à liant hydraulique ou béton avec ajoute de cendres volantes - renforcée par l'armature discontinue, pour assurer surtout la répartition des efforts et des réactions dûs au trafic, de façon à éviter les concentrations des contraintes dans les éléments de la structure multicouche ainsi que les déformations résiduelles de la couche élastique et de la plate-forme. Cette armature discontinue atténue la fragilité de la matrice.
Le renforcement de la couche de répartition 3 par l'incorporation de l'armature discontinue rend cette couche plus résistante, ce qui permet de réduire ses dimensions par rapport aux dalles en béton armé et précontraint, ce qui contribue à l'élasticité de ladite couche et à la réduction du coefficient de rigidité verticale de la voie.
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Grâce à la déformabilité verticale de la structure de la voie sous la charge des véhicules, on peut éviter l'utilisation d'éléments de fixation des rails très développés et coûteux en utilisant les fixations élastiques 2 telles que utilisées pour les traverses en béton.
Un des éléments importants de la construction de la voie ferrée suivant l'invention est l'introduction de l'armature discontinue dans toutes les parties de la construction continue.
Cette armature contribue à la ductilité des matériaux et augmente la résistance locale à la traction de ces matériaux. Elle améliore aussi l'absorbtion des fréquences et empêche la propagation des vibrations dans la structure.
L'armature discontinue est constituée d'éléments de nature métallique, organique ou minérale. L'élancement des éléments de l'armature discontinue, c'est-àdire le rapport de la plus petite dimension de la section transversale à la longueur, est supérieur à 30.
La longueur des éléments ne dépasse pas les deux diamètres de plus gros granulats.
Dans le cas des lignes au trafic lourd la couche supérieure de répartition est aussi renforcée, dans les parties les plus chargées, par l'armature classique continue, qui reprend les moments fléchissants dûs au trafic.
Dans les cas, où la voie ferrée est posée sur des sols très faibles, qui peuvent provoquer des tassements importants, la couche de répartition supérieure continue 3 peut être remplacée par une structure discrète, ce qui faciliterait les travaux ayant pour but de relever
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la voie. Dans ce cas la composition du ballast préstabilisé 4 sera adaptée à augmenter la ductilité de la couche élastique, et une couche inférieure mince de 5 cm à matrice sur base de liant hydraulique sera appli-
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'0 quée.
L'hétérogénéité des couches superposées constituant la structure de la voie suivant l'invention permet de réunir les avantages de la voie classique ballastée tels que l'élasticité de la voie et son comportement dynamique, et d'y ajouter ceux de la voie non-conventionnelle non-ballastée et notamment la stabilité de la géométrie de la voie et la réduction des frais d'en- tretien.
Exemple :
La superstructure d'une voie ferrée suivant l'invention est composée de deux couches : - la couche de répartition, réalisée en un matériau composite à matrice fragile sur base de liant hydrau- lique ; - la couche élastique réalisée en ballast préstabilisé, matériau composite dont la matrice ductile est réalisée elle-même sur base d'un liant hydrocarboné modifié.
Les deux couches sont renforcées de l'armature discon- tinue métallique mais de section transversale différente pour chaque couche.
Les dimensions de la sections transversale de la couche de répartition est de 0,14 m x 2,40 m.
Les contraintes maximales dans la couche de répartition dues aux charges, correspondant à 25 T/essieu, ne dé- passent pas 25 % de la résistance statique du matériau composite de la couche. Elles sont aussi inférieures
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à 35 % de la résistance de ce matériau à la fatigue.
Est donc assuré un coefficient de sécurité de 4,0 en ce qui concerne les charges exceptionnelles et de 3,0 en ce qui concerne la fatigue, ce qui élimine le danger d'apparition de fissures lors de l'exploitation de la voie.
La couche inférieure élastique a une épaisseur de 10cm et son module d'élasticité en compression est de 50 N/mm2. Le coefficient global de réaction c concernant la couche élastique et la plate-forme) est égal à 23 kg/cm3.
La voie est équipée de rails UIC-60 fixés à la dalle de répartition à l'aide d'attaches, dont le coefficient de rigidité verticale est de 150.000 N/mm (pour une attache). Avec la couche en ballast préstabilisé ces attaches assurent le coefficient d'appui des rails U=295 N/mm2.
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The present invention relates to the railway and relates to its superstructure.
The railroad in its classic form dates from around one hundred and fifty years ago, that is to say from the beginnings of the railways.
The needs and requirements of the railways with respect to the track have evolved, especially depending on the. development of vehicle weights, axle load and increased speeds.
One hundred and fifty years of operation of the classic railroad have allowed to accumulate an important experience as regards qualities, but especially as regards the disadvantages of the classic form of the track. From this experience we can distinguish the two groups of elements, which determine the quality of the track: - the elastic characteristics and the vertical rigidity of the track, which intervene in the interaction of the track and vehicles and which determine dynamic loads; - the behavior of track elements and the stability of its shape during the operating period of the track as well as maintenance problems.
The dynamic behavior of the track and the stresses exerted on its various elements are determined, on the one hand, by the characteristics of the vehicles.
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cules and, on the other hand, by the vertical rigidity of the track and its mass.
The use in the railway superstructure of concrete elements (sleepers) has highlighted the importance of the vertical stiffness of the track, normally expressed by the support coefficient of the rails. It is from this moment that we observe the development of the elastic fasteners of the rails, which must compensate for the elasticity of the removed wooden sleepers.
In the conventional track the vertical rigidity of the track is determined mainly by the characteristics of the ballast and the platform. It is expressed by the reaction coefficient c (kg / m3). For the ballast only this coefficient varies between 50 kg / cm3 and 80 kg / cm3. For the ballast resting on the platform itself characterized by c = 10 kg / cm3-the overall reaction coefficient is from 26.67 kg / cm3 to 33.33 kg / cm3.
From the point of view of the elastic characteristics of the track and its vertical rigidity, the conventional track corresponds well to the needs of modern traffic, although certain frequencies of vibrations are poorly absorbed in the case of high speed lines.
It is rather in the area of the behavior of the elements of the track, its stability and maintenance problems, that one can observe a poor adaptation of the conventional track to the development of traffic and that there are significant disadvantages.
Indeed, one of the most important problems of the operation of the track are the residual and permanent deformations of the platform and the ballast, from where- results the progressive deterioration of the state of the track, ¯
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requiring maintenance work. drawback &:
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are increasing with the development of traffic, especially with the increase in loads and speeds. It is in particular the element of speed, which calls into question the quality of the classic route.
The geometry of the conventional track is directly sensitive to all deformations of the platform and the ballast, especially to local deformations of the ballast. The only element of continuity, which is likely to distribute the effects of these deformations, is the rail.
The rail stiffness is not sufficient and the deformations of the platform and the ballast cause the geometry of the track to deteriorate.
For more than twenty years the different conceptions of a non-classical or unconventional route have been studied and tested. The principle of these designs consists of the following two elements: - elimination of the ballast; - the application of a continuous slab of reinforced concrete or prestressed concrete.
According to these conceptions the elimination of the ballast makes it possible to avoid all the disadvantages of its bad behavior and especially of its instability. In addition, the application of a continuous slab makes it possible to distribute the stresses or pressures on the platform so as to reduce the maximum values of the pressures, reduce the tangential deformations in the movable environment of the platform and reduce the number cycles, thanks to the more uniform distribution of loads.
The elimination of the ballast and the application of a continuous structure allows - as the tests prove -
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solve the problem of track-geometry stability. But, unlike the classic way,
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the problem of the elasticity of the track in this case presents several difficulties.
The elastic deformability of the track is, in the case of different solutions tested, ensured by the rail attachments and by the deformations of the platform. However, the deformability of the platform is reduced by the reduction of the pressures exerted on this platform and by the high rigidity of the reinforced concrete slab. So that the track is not too rigid, so that the rail support coefficient is not excessively high, it is necessary to introduce an additional elastic element into the superstructure. In the known solutions of the non-conventional way the loss of the elasticity of the ballast and the reduction in the deformability of the platform are balanced or compensated by the system of elastic soles in the rail fastenings.
One of the major drawbacks of this system is the high cost of the fasteners.
The dynamic analysis of the unconventional track, whose rails are fixed directly to the reinforced concrete slab, shows that the great deformability of the rail fasteners reduces the natural frequency of vibrations of the rail-wheel assembly, which can lead - despite the initial objective - to an increase in dynamic loads.
Experience shows that, despite the elastic fasteners, the local concentration of stresses in the slab sometimes exceeds the resistance of the concrete. The high rigidity of the slab as well as the low tensile strength of the concrete are sometimes ¯the reasons for cracking, which appears-especially around or around the rail fasteners. We are trying to
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mediate by applying the prestressing of the slab or by using the prestressed concrete sleepers laid on the continuous reinforced concrete slab.
Both solutions incur additional costs.
In addition, the use of concrete sleepers placed on the slab increases the thickness of the track.
In order to remedy these drawbacks of both technical and economic nature, the superstructure must be used, which meets the following conditions: 1. It is characterized by bending rigidity, allowing the pressures to be distributed on the platform so as to reduce them and to limit-if not eliminate permanent deformations of the platform.
2. It is provided with a deformable and ductile layer, which ensures the vertical deformations comparable with those of the ballast, or else it comprises a layer of the modified ballast characterized by the stability of its structure and its shape and a rigidity. inflectional.
3. It is characterized by the high local tensile strength, especially where the rail fasteners are attached.
The railroad track according to the invention is a track, the superstructure of which consists of an integral and solid element. The internal structure of this construction is reinforced in an almost uniform and isothropic manner by a discontinuous reinforcement, dispersed in the mass of the construction material. The construction of the track according to the invention contains the elastic two-storeys
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- at the level of the rail attachments, - below the track carrying element, according to the appended diagram.
Elements Elastic characteristics rail (1) E J Modulus of elasticity x module of inertia fasteners (2) k coefficient of vertical rigidity. slab (3) E J Modulus of elasticity x modulus of inertia elastic layer (4) c, EJ coefficient of reaction, modulus of elasticity x modulus of inertia. platform (5) c reaction coefficient.
The construction of the railway track according to the invention constitutes a continuous element along the length of the track, composed of at least two superposed layers of solid materials, the elastic modulus of which is different for each layer, following the heterogeneity of the different matrices applied.
The lower layer 4 is an elastic layer, the modulus of elasticity of which in compression does not exceed 250 N / mm2. It is carried out on the basis of the ductile matrix, which allows it to follow the deformations and to adapt to possible defects of the platform 5, without causing significant internal forces and above all without risking the internal rupture of the layer.
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The elastic layer 4, made for example of pre-stabilized ballast, constitutes the support for the other layers 3 and elements of the track superstructure. Its thickness is chosen according to the modulus of elasticity, so as to ensure the value of the reaction coefficient c less than 100 kg / cm3. This thickness is not less than 5 cm and in principle does not exceed 15 cm.
While being a ductile material, this pre-stabilized ballast layer 4 remains a solid body and, given the continuity of its structure, is characterized by a certain flexural rigidity, which allows it to attenuate, if not eliminate, the effects accidental local damage in platform 5, due for example to lack of drainage.
According to the invention the other or the other layers 3 of the construction of the track are made of composite material with a fragile matrix - such as concrete with hydraulic binder or concrete with the addition of fly ash - reinforced by the discontinuous reinforcement, to ensure above all the distribution of stresses and reactions due to traffic, so as to avoid stress concentrations in the elements of the multilayer structure as well as residual deformations of the elastic layer and of the platform. This discontinuous reinforcement reduces the fragility of the matrix.
The reinforcement of the distribution layer 3 by the incorporation of the discontinuous reinforcement makes this layer more resistant, which makes it possible to reduce its dimensions compared to the reinforced and prestressed concrete slabs, which contributes to the elasticity of said layer. and reducing the vertical stiffness coefficient of the track.
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Thanks to the vertical deformability of the track structure under the load of the vehicles, it is possible to avoid the use of fastening elements of the highly developed and expensive rails by using the elastic fasteners 2 as used for the concrete sleepers.
One of the important elements of the construction of the railroad track according to the invention is the introduction of the discontinuous reinforcement in all the parts of the continuous construction.
This reinforcement contributes to the ductility of the materials and increases the local tensile strength of these materials. It also improves the absorption of frequencies and prevents the propagation of vibrations in the structure.
The discontinuous reinforcement is made up of elements of a metallic, organic or mineral nature. The slenderness of the elements of the discontinuous reinforcement, i.e. the ratio of the smallest dimension of the cross section to the length, is greater than 30.
The length of the elements does not exceed the two diameters of larger aggregates.
In the case of heavy traffic lines, the upper distribution layer is also reinforced, in the most loaded parts, by the classic continuous reinforcement, which takes up the bending moments due to traffic.
In cases where the railroad is laid on very weak soils, which can cause significant settlement, the continuous upper distribution layer 3 can be replaced by a discrete structure, which would facilitate work aimed at raising
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the way. In this case the composition of the pre-stabilized ballast 4 will be adapted to increase the ductility of the elastic layer, and a thin lower layer of 5 cm with matrix on the basis of hydraulic binder will be applied.
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'0 quée.
The heterogeneity of the superimposed layers constituting the structure of the track according to the invention makes it possible to combine the advantages of the conventional ballasted track such as the elasticity of the track and its dynamic behavior, and to add those of the non-track conventional non-ballasted and in particular the stability of the track geometry and the reduction of maintenance costs.
Example:
The superstructure of a railroad track according to the invention is composed of two layers: - the distribution layer, made of a composite material with a fragile matrix on the basis of a hydraulic binder; - the elastic layer made of pre-stabilized ballast, a composite material whose ductile matrix is itself produced on the basis of a modified hydrocarbon binder.
The two layers are reinforced with the metallic discontinuous reinforcement but with a different cross section for each layer.
The dimensions of the cross section of the distribution layer is 0.14 mx 2.40 m.
The maximum stresses in the distribution layer due to the loads, corresponding to 25 T / axle, do not exceed 25% of the static resistance of the composite material of the layer. They are also inferior
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35% of the material's resistance to fatigue.
A safety factor of 4.0 is therefore ensured for exceptional loads and 3.0 for fatigue, which eliminates the risk of cracks appearing during track operation.
The elastic lower layer has a thickness of 10 cm and its modulus of elasticity in compression is 50 N / mm2. The overall reaction coefficient c for the elastic layer and the platform) is 23 kg / cm3.
The track is equipped with UIC-60 rails fixed to the distribution slab using fasteners, whose vertical stiffness coefficient is 150,000 N / mm (for a fastener). With the pre-stabilized ballast layer these fasteners ensure the support coefficient of the rails U = 295 N / mm2.