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Système de support de rails pour voie ferrée en voirie Description La présente invention concerne l'installation de voies ferrées en voirie et en particulier l'installation de voies ferrées pour tramways.
L'installation de voies ferrées pour tramways en voirie pose un problème qui se situe à différents niveaux : a) Au niveau de la stabilité de la voie, les voies ballastées classiques posent un problème en voirie du fait de leur tassement dans le temps et de la destruction de la voirie dans la zone des voies ; b) Au niveau de l'environnement, l'impact des vibrations et des bruits par suite du tassement de la voirie et de l'augmentation de la raideur dynamique du ballast provoque des transmissions vibratoires vers les fondations des immeubles avoisinants ; c) Au niveau de la maintenance de la voie, les tassements localisés du ballast provoque une déflexion locale importante de la voie, ce qui entraîne une usure plus importante de l'infrastructure et du matériel roulant ;
d) Au niveau de la mise en oeuvre de la voie ferrée et du temps d'exécution et d'accès pour assurer la maintenance.
Afin de résoudre d'une manière globale le problème de l'installation d'une voie ferrée pour tramways en voirie, les inventeurs ont analysé le comportement statique et le comportement dynamique de la voie ferrée lors du passage d'un véhicule sur les rails. Une voiture circulant sur les rails produit deux impacts sur les rails.
Le premier est dû à la masse de l'ensemble des voitures de la rame : c'est la charge statique reportée sur les bogies ; le second impact est dû à la masse non suspendue du bogie : c'est cette masse qui produit les impulsions dynamiques par les roues sur les rails et ce sont ces impulsions qui se transmettent vers l'environnement.
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Globalement, les phénomènes acoustiques et vibratoires qui prennent naissance lors du passage d'une rame sur les supports des rails comprennent plusieurs composantes parmi lesquelles on peut citer : a) Une composante vibratoire constituée des ondes de chocs émises par le passage de la rame et propagées par le sol : la propagation de ces vibrations est fonction des caractéristiques intrinsèques du sol ;
b) Des bruits solidiens résultant des vibrations des constructions produites par les ondes vibratoires transmises par le sol ; c) Des bruits aériens résultant de phénomènes ondulatoires transmis directement par l'air.
La première fréquence de résonance en flexion de l'ensemble roue-rail est conditionnée par la raideur dynamique des semelles placées sous les rails et le cas échéant des coussins placés sous les selles ou les traverses. Cette fréquence de résonance est inversement proportionnelle à la performance antivibratoire du système de fixation des rails. Une fréquence de résonance basse assure une meilleure isolation antivibratoire qu'une fréquence de résonance élevée. Cependant, il y a une limite physique inférieure à cette raideur dynamique des semelles utilisées car la raideur dynamique des semelles est en relation directe avec leur raideur statique. La raideur statique des semelles ne peut être trop faible car elle influence directement la déflexion des rails lors du passage d'un véhicule sur les rails.
Des performances d'isolation antivibratoire meilleures sont obtenues en découplant la fonction de fixation et la fonction d'isolation.
Pour analyser correctement les phénomènes acoustiques et vibratoires qui prennent naissance lors du passage de voitures sur les rails, les inventeurs ont conçu un système de banc d'essai dans lequel la charge statique est découplée de l'équivalent de la masse non suspendue grâce à un ensemble de ressorts à basse fréquence de résonance. Grâce à ce système, le comportement dynamique du rail a été analysé
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par une mise en charge statique par paliers et par impulsions de chocs ou impulsions vibratoires, ce qui a permis de déterminer la fréquence propre du système de la voie, les déflexions au droit des supports et l'amortissement des vibrations du rail.
Ces analyses ont amené les inventeurs à concevoir les particularités à incorporer dans le système d'appui de voie ferrée afin d'optimiser l'isolation acoustique et antivibratoire et réduire la transmission des ondes vibratoires vers l'environnement.
Dans le système de support de voie ferrée en voirie, suivant l'invention, les rails sont fixés sur une dalle radier en béton armé préfabriquée ou coulée sur place, mise en place sur un lit de sable stabilisé posé sur le fond de coffre du site et, de chaque côté extérieur de la voie est placée une dalle ou poutre de voirie préfabriquée scellée à un bord latéral de la dalle radier. Entre les rails de la voie est placée une dalle de revêtement préfabriquée en béton armé. Dans le but de désolidariser les rails de la voirie et de ne pas neutraliser le comportement dynamique des rails, chaque rail est séparé des dalles de béton de voirie par des éléments de séparation qui isolent le rail de la dalle avoisinante.
Ces éléments de séparation, constitués d'éléments préfabriqués ou d'un produit de remplissage étanche et souple, sont choisis de manière que les rigidités statique et dynamique de l'ensemble soient inférieures à celles des semelles placées sous les patins des rails. Les rails se trouvent ainsi totalement indépendants de la voirie, ce qui a pour conséquence de réduire considérablement la transmission des vibrations vers les fondations des immeubles avoisinants en même temps qu'est assurée une étanchéité le long des rails.
Un système dans lequel le rail est enrobé d'un matériau résilient très compact pour lui conférer une meilleure résistance mécanique aux dilatations et aux efforts engendrés par la circulation des voitures sur le rail ne présente pas les caractéristiques statiques et dynamiques requises pour assurer une isolation antivibratoire efficace et, dès lors, la transmission des ondes vibratoires vers les fondations des immeubles avoisinants est dans ce cas maximale.
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Les rails peuvent être fixés sur la dalle radier de différentes manières : par l'intermédiaire de selles ou de traverses ou encore en pose directe sur la dalle radier.
Sous le patin de chaque rail est habituellement interposée une semelle antivibratoire.
En dessous de chaque selle ou traverse est souvent et de préférence placé un coussin antivibratoire.
Les semelles anti-vibratoires sont choisies avec des raideurs statiques et dynamiques telles que la première fréquence de résonance du système roue-rail-support soit située en dessous de 60 Hz environ. Ceci assure un filtre anti-vibratoire plus performant pour amortir les ondes vibratoires vers l'environnement. A titre de comparaison, la première fréquence de résonance d'une voie ballastée classique (système roue-rail-ballast) peut varier de 60 à 110 Hz. Une isolation antivibratoire performante est obtenue avec des dispositifs anti-vibratoires réalisés de manière que la rigidité statique soit inférieure à 2x 107 N/m et que la rigidité dynamique soit inférieure à 4x1 07 N/m.
Pour limiter la déflexion du rail lors du passage des roues à une valeur tolérable de 1 à 2 mm, il faut choisir pour les semelles ou les appuis antivibratoires des raideurs statiques et dynamiques telles que les appuis successifs le long de chaque rail soient alternativement un appui relativement rigide et un appui relativement souple.
Cette alternance des raideurs le long de la voie a pour conséquences avantageuses : a) une fréquence de résonance plus basse qu'avec un système à raideur uniforme ; b) un amortissement amélioré des ondes de chocs ; c) une réduction des vibrations transmises dans le sol ; d) une limitation de la déflexion statique des rails lors du passage des roues ; e) une flexion des rails plus courte, ce qui entraîne une réduction du rayonnement acoustique ; f) l'absence de superposition des vibrations dues aux deux roues d'un bogie.
D'autre part, pour réduire encore la première fréquence de résonance et améliorer encore davantage les performances d'isolation antivibratoire, les dispositifs de
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fixation des rails comprennent avantageusement des moyens de fixation réglables appliquant un effort de précontrainte réglable aux semelles antivibratoires. Des moyens de précontrainte peuvent également être prévus en cas de pose directe des rails sur la dalle radier afin d'appliquer un effort de précontrainte à l'âme des rails.
L'invention est décrite plus en détails dans ce qui suit à l'aide des dessins dans lesquels :
La figure 1 illustre la transmission des ondes acoustiques et vibratoires à partir d'une voie ferrée de tramway vers les immeubles avoisinants ;
La figure 2 est une vue en coupe transversale d'un tronçon de voie ferrée en voirie, installé avec une forme de réalisation du système de support de rails suivant l'invention ;
La figure 3 représente, à échelle agrandie, une variante d'exécution d'un détail de la figure 2 ;
La figure 4 est une vue en coupe semblable à celle de la figure 2, mais illustrant une deuxième forme de réalisation du système de support de rails suivant l'invention ;
La figure 5 illustre une troisième forme de réalisation du système de support de rails suivant l'invention ;
La figure 6 illustre un exemple de dispositif de fixation de rail ;
La figure 7 illustre une quatrième forme de réalisation du système de support de rails suivant l'invention ;
La figure 8 illustre un dispositif de mise en précontrainte d'un rail dans le système de support suivant l'invention ; Dans les dessins, une même référence désigne un élément identique ou un élément similaire ou équivalent.
Se reportant à la figure 1, on voit illustrée la transmission des ondes acoustiques et vibratoires qui sont engendrées lors du passage d'un tramway sur une voie ferrée en voirie. Les ondes vibratoires A se propagent par le sol et sont engendrées par les
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chocs des roues des voitures du tramway sur les rails. Les bruits solidiens B résultent des vibrations des constructions avoisinantes recevant les ondes vibratoires A transmises par le sol. Les ondes C sont des bruits aériens résultant de phénomènes ondulatoires transmis directement par l'air. Le système d'appui de voie ferrée suivant l'invention vise à réduire à un minimum la transmission de ces phénomènes ondulatoires.
Sur la figure 2 sont représentés deux rails 11 d'une voie ferrée pour tramway posée conformément à l'invention. Dans cet exemple de mode de réalisation, chacun des rails 11 est fixé sur des traverses 13 avec interposition d'une semelle antivibratoire 12 qui peut être relativement rigide ou souple en fonction des charges prévues par essieu. Les traverses 13 des deux rails sont ancrées dans une dalle radier 15 en béton armé, préfabriquée ou coulée sur le site. A cet effet, la dalle radier présente des cuvettes pour recevoir la partie inférieure des traverses. La dalle radier 15 repose sur une couche de sable stabilisé 17 posée sur le fond de coffre (sol) 19.
Sur la couche de sable stabilisé 17 est de préférence posée une couche drainante 16 destinée à drainer les infiltrations d'eau vers des tuyaux drainants 18 disposés à intervalles le long de la voie avec un diamètre et un écartement qui sont fonction de la situation géographique de la voirie.
Le long des côtés extérieurs des rails 11 s'étendent des poutres de voirie 21 qui reposent partiellement sur les traverses 13 des deux rails et sont scellées aux bords latéraux 23 de la dalle radier 15. Entre les rails 11 est disposée une dalle de voirie préfabriquée 22 qui repose sur des appuis de réglage de niveau 24 constitués d'appuis résilients très rigide ou d'appuis antivibratoires définis selon l'environnement et la circulation prévue sur la voirie. Une fourrure de fermeture longitudinale 26 en béton coulé est insérée sous les bords latéraux de la dalle 22.
Les espaces entre les rails 11 et les dalles de voirie 21 et 22 sont remplis par des éléments de séparation 25 préfabriqués ou constitués d'un produit de remplissage étanche et souple dont les rigidités statique et dynamique sont choisies en fonction de la semelle antivibratoire sous le rail.
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Plus spécifiquement, les rigidités statique et dynamique des éléments de séparation 25 sont choisies de manière que les rigidités statique et dynamique de l'ensemble du support soient inférieures à celles des semelles placées sous les rails. Les rails se trouvent ainsi totalement indépendants de la voirie, ce qui a pour conséquence de réduire considérablement la transmission des vibrations vers les fondations des immeubles avoisinants en même temps qu'est assurée une étanchéité le long des rails.
La figure 3 montre, à échelle agrandie, une variante d'exécution pour les éléments de séparation 25 qui séparent les rails des dalles de voirie. Dans ce mode d'exécution, les deux éléments de séparation enveloppent le patin d'un rail 11, chaque élément présentant une partie inférieure 251 qui s'étend sous une partie au moins du patin. Les parties inférieures des deux éléments 25 sont jointives suivant des faces 252 qui s'étendent dans un plan oblique par rapport à la base du patin du rail 11.
De cette manière, la laitance qui se produit lors de la coulée de béton lors de la mise en place des dalles de voirie 22 entre les rails de la voie ne peut s'infiltrer et remonter dans l'interstice entre les faces coopérantes 252, ce qui évite la formation d'un pont de béton qui transmettrait les vibrations du rail vers les fondations comme cela se produit lorsque les faces d'extrémité de la partie inférieure sont verticales. De plus, la jonction parfaite entre les parties inférieures des éléments de séparation sous le patin du rail stabilise l'assise du rail.
Dans un mode de réalisation avantageux, les appuis successifs le long de la voie ferrée sont réalisés de manière à constituer alternativement un appui relativement rigide et un appui relativement souple. Les avantages de ce mode de réalisation ont été exposés ci-avant.
Comme indiqué plus haut, les rails peuvent être fixés de différentes manières selon l'encombrement ou la technique souhaitée dans l'application envisagée ou encore selon le degré de protection de l'environnement que le maître de l'ouvrage veut assurer.
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La figure 4 illustre un cas où le rail 11 est fixé sur des selles 33 scellées dans la dalle radier 15 à l'aide d'un mortier d'époxy. Sur chaque selle, le rail repose sur une semelle antivibratoire 12 relativement rigide ou souple. La référence 31 désigne un dispositif de fixation de rail à éclisses. Sur le sable stabilisé 17 sont disposées, à titre d'exemple, une couche drainante 35 et un tapis d'isolation antivibratoire 37.
La figure 5 illustre un cas où le rail 11 est également fixé sur des selles 43 mais où celles-ci se trouvent fixées à la dalle radier 15 au moyen de boulons. La dalle de voirie 22 repose ici sur des appuis de mise à niveau 24 qui peuvent être rigides ou être constitués d'une matière antivibratoire. On notera qu'un coussin antivibratoire peut être interposé entre chaque selle et la dalle radier.
La figure 6 montre en particulier un exemple d'attache 47 pour fixer le patin d'un rail 11 sur une selle 43 avec une coiffe de protection 48 pour l'attache. Le patin du rail repose sur une semelle antivibratoire 12.
La figure 7 illustre la fixation d'un rail 11 sur une selle 43 qui elle-même est fixée à la dalle radier 15 au moyen d'un dispositif de fixation réglable 41 appliquant une précontrainte réglable à la semelle antivibratoire 42 disposée sous la selle 43. Ce dispositif de fixation assure une isolation antivibratoire à basse fréquence de résonance. Le dispositif de fixation illustré comprend un ressort de précontrainte 45 maintenu entre deux rondelles de butée autour d'une tige filetée 44. Le ressort 45 est comprimé par l'écrou de serrage 46 qui ajuste l'effort de précontrainte. Le dispositif de fixation peut aussi comporter deux ressorts ayant des rigidités différentes et maintenus entre deux rondelles autour de la tige filetée 44, les ressorts étant comprimés par l'écrou de serrage 46 qui ajuste l'effort de précontrainte.
La figure 8 illustre un agencement maintenant localement l'âme du rail 11 et lui appliquant une précontrainte réglable qui confère à la voie un comportement statique et dynamique assurant une isolation parfaite des vibrations. L'agencement de
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précontrainte comprend une tige filetée 51 traversant l'âme du rail 11 et s'étendant entre deux butées résilientes 53 appliquées contre les faces latérales d'une rainure 14 ménagée dans la dalle radier 15. Des ressorts 52 sont disposés autour des extrémités de la tige 51 et sont serrés de manière réglable contre les butées résilientes 53 par des écrous 54. L'âme du rail est maintenue entre deux écrous 56 calés sur la tige 51. Le réglage des écrous 54 et 56 ajuste la précontrainte appliquée au rail.
Après réglage des écrous, la rainure 14 est remplie d'une matière de remplissage dont les caractéristiques sont déterminées en fonction de la raideur de la semelle antivibratoire 12 sur laquelle repose le rail 11 et en fonction de la précontrainte appliquée au rail. Les caractéristiques des ressorts 52 sont choisies en fonction des charges par essieu et de la largeur de la rainure 14.