La présente invention s'inscrit dans le domaine de l'installation de voies ferrées et elle
concerne en particulier une traverse pour l'installation de rails de voie ferrée.
L'exploitation de voies ferrées pose un problème qui se situe à quatre niveaux :
a) Au niveau du comportement dynamique de voie lors du passage de véhicules sur les
rails : afin de réduire les vibrations, la rigidité dynamique de la voie doit être la plus
basse possible, b) Au niveau de la stabilité de la voie, les voies ballastées classiques posent un
problème du fait de leur tassement dans le temps ; c) Au niveau de l'environnement, l'impact des vibrations et des bruits dus au tassement
de la voie et de l'augmentation de la raideur dynamique du ballast provoque des
transmissions vibratoires vers les fondations des immeubles avoisinants ; d) Au niveau de la maintenance de la voie, les tassements localisés du ballast
provoquent une déflexion locale importante de la voie, ce qui entraíne une usure plus
importante de l'infrastructure et du matériel roulant.
Le matériel roulant circulant sur la voie ferrée provoque deux impacts sur le rail, Le premier
impact est dû à la masse de l'ensemble des véhicules : 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 sur les rails et qui se transmettent vers
l'environnement.
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.
Le comportement dynamique d'une voie ferrée est déterminé par la fréquence propre de la
voie, la déflexion des rails au droit des supports et l'amortissement des vibrations des rails.
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, par celle
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 en
dessous de laquelle ne peut descendre la raideur dynamique des semelles antivibratoires
utilisées car la raideur dynamique de ces semelles est en relation directe avec leur raideur
statique et leur raideur statique ne peut être trop faible car elle influence directement la
déflexion des rails lors du passage d'un véhicule sur les rails.
Les rails de voie ferrée sont habituellement fixés sur des selles ou sur des traverses avec
interposition d'une semelle élastique ou rigide et les traverses peuvent être posées sur des
coussins élastiques avec éventuellement des chaussons de protection . Etant donné que
les déflexions tolérables pour la voie ferrée sont de l'ordre de 3 à 4 mm environ, les rigidités
statiques et dynamiques des rails sont limitées et ceci a pour conséquence que la première
fréquence de résonance des systèmes de pose connus est située au-dessus de 30 Hz
environ.
Pour limiter la déflexion des rails de voie ferrée au passage des roues d'un véhicule
circulant sur la voie, il est connu d'appliquer une précontrainte aux coussins élastiques
placées sous les traverses. Afin d'obtenir des performances d'isolation antivibratoire
optimales, la précontrainte à appliquer doit être ajustée de manière aussi précise que
possible en tenant compte des conditions d'exploitation de la voie ferrée, des
caractéristiques des éléments utilisés pour les appuis antivibratoires et des caractéristiques
des rails eux-mêmes. Le réglage de cette précontrainte sur le site est laborieux et allonge
considérablement le temps d'installation d'une voie ferrée et par conséquent le coût de
cette installation.
La présente invention vise à simplifier la pose de voies ferrées tout en assurant une
optimisation de l'isolation acoustique et antivibratoire de ces voies, notamment les voies
ferrées pour tramways, métropolitain, trains express régionaux (RER), trains à grande
vitesse (TGV) et autres trains.
A cet effet, l'invention propose une traverse pour voie ferrée, dans laquelle les dispositifs
de précontrainte devant appliquer un effort de précontrainte au coussin élastique sur
lequel doit reposer la traverse sont disposés dans des logements formés dans la traverse.
Dans ces logements, les dispositifs de précontrainte sont montés autour de tiges fixées sur
une plaque de base dans laquelle sont ménagés des logettes pour recevoir des coussins
élastiques. La plaque de base est dimensionnée en fonction de la précontrainte à réaliser.
L'ensemble peut être monté et la précontrainte réglée en usine d'après les conditions
d'exploitation de la voie et l'ensemble de la traverse peut ainsi être fourni prêt à être installé
sur une structure de support quelconque sans nécessiter de réglage de la précontrainte
sur le site, ce qui facilite considérablement l'installation de la voie ferrée.
L'ensemble constitué par un bloc rigide, les dispositifs de précontrainte, les coussins
élastiques et la plaque de base peut être placé dans un chausson relativement souple,
semi-rigide ou relativement rigide qui enveloppe la base et les faces latérales de la plaque
de base ainsi qu'une partie des faces latérales de la traverse. Dans une variante de mode
d'exécution, la plaque de base sur laquelle sont fixés les dispositifs de précontrainte peut
être noyée par moulage dans le fond du chausson.
Les dispositifs de précontrainte sont avantageusement constitués de dispositifs de
précontrainte active comprenant chacun un ressort de précontrainte ou un ensemble
intégré de deux ressorts ayant des raideurs différentes et disposés l'un autour de l'autre et
agencés avec des moyens de retenue de manière que chacun d'eux agisse
indépendamment l'un de l'autre lors du passage d'une roue d'un véhicule circulant sur la
voie ferrée. L'effort de précontrainte appliqué aux appuis élastiques est ajusté par un
moyen de serrage réglable en sorte que la déflexion de la voie au passage des roues des
véhicules circulant sur la voie soit tolérable dans les conditions d'exploitation prévues.
Lorsqu'une roue passe sur le rail au-dessus d'un dispositif de fixation, la précontrainte
appliquée aux appuis élastiques par l'agencement des ressorts maintient le point de
fonctionnement des appuis élastiques dans la zone de comportement quasi-linéaire de sa
courbe de déflexion. L'effort de précontrainte devient très faible lors du passage de la roue
et les déflexions statiques du rail se trouvent limitées tandis que l'isolation anti-vibratoire
voulue est assurée. Le dispositif de précontrainte active à deux ressorts assure ainsi, pour
les appuis du rail, une raideur statique apparente élevée combinée à une raideur
dynamique faible.
Les coussins élastiques disposés dans une traverse suivant l'invention sont
avantageusement choisis avec des raideurs statiques et dynamiques telles que la première
fréquence de résonance du système roue / rail / support soit située en dessous de 30 Hz
environ. Ceci assure une filtration anti-vibratoire plus performante pour amortir les ondes
vibratoires vers l'environnement. On notera à titre de comparaison que la première
fréquence de résonance d'une voie ballastée classique (système roue / rail / ballast) peut
varier de 60 à 110 Hz.
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 maítre de l'ouvrage veut assurer.
Un exemple de mode de réalisation de l'invention est décrit dans ce qui suit à l'aide des
dessins joints.
- La figure 1
- est une vue en plan d'un bloc de traverse de voie ferrée suivant l'invention;
- La figure 2
- montre une vue en élévation avec coupe longitudinale partielle suivant la ligne
II-II de la figure 1;
- La figure 3
- est une vue en plan de la plaque de base montrée sur la figure 2;
- La figure 4
- est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3 ;
- La figure 5
- illustre en coupe un exemple de mode de réalisation avantageux pour le
chausson enveloppant partiellement une traverse suivant l'invention ;
- La figure 6
- montre une vue agrandie d'un exemple de mode d'exécution du dispositif de
précontrainte intégré dans la traverse de la figure 2;
- La figure 7
- illustre une variante d'exécution du dispositif de précontrainte représenté à titre
d'exemple à la figure 6 ;
- La figure 8
- montre un exemple de courbe de mise en charge d'un coussin élastique ;
- La figure 9
- est un diagramme montrant la compression d'un exemple de ressort en
fonction du taux de charge appliqué ;
- La figure 10
- est une vue en coupe de la partie inférieure d'un bloc de traverse
suivant l'invention, dans laquelle la plaque de base se trouve noyée par
moulage dans le fond du chausson enveloppant partiellement le bloc de
traverse ;
Dans les dessins, un même signe de référence désigne un élément identique ou un
élément similaire ou équivalent. Les modes d'exécution illustrés dans ces dessins sont
donnés à titre d'exemples non limitatifs.
Un exemple de traverse de voie ferrée suivant l'invention est représenté aux figures 1 et 2.
La traverse illustrée à titre d'exemple est une traverse du type bibloc et les dessins
montrent l'un des blocs 1 de cette traverse. Une telle traverse est constituée de deux blocs
1, généralement en béton armé, reliés entre eux par une entretoise 2 en acier qui s'étend
transversalement à la direction longitudinale de la voie ferrée, chaque bloc étant destiné à
porter un rail de voie ferrée (non représenté). Il est entendu cependant que l'invention est
également applicable à une traverse du type monobloc destinée à porter les deux rails
d'une voie ferrée.
Le bloc de traverse 1 montré sur les figures 1 et 2 est constitué d'un ensemble comprenant
un bloc rigide 11, des coussins élastiques 12, une plaque de base 13 et des dispositifs de
précontrainte 17 logés dans le bloc rigide et fixés sur la plaque de base de manière à
appliquer un effort de précontrainte réglable sur les coussins élastiques. Dans l'exemple
illustré, la plaque de base 13 est elle-même disposée sur le fond d'un chausson 14 souple
ou semi-rigide qui enveloppe la base et les faces latérales de la plaque de base 13 et une
partie des faces latérales du bloc rigide 11. Le bloc rigide 11 présente ici des faces
latérales qui convergent mutuellement vers le haut. Il comporte quatre ouvertures verticales
16 qui traversent le bloc rigide de part en part et servent chacune de logement pour un
dispositif de précontrainte active 17. Un seul dispositif de précontrainte est représenté
schématiquement sur la figure 2. Chaque dispositif de précontrainte active est monté
autour d'une tige 15 fixée à son extrémité inférieure sur la plaque de base 13. Les
dispositifs de précontrainte active sont décrits en détails plus loin. La longueur des tiges 15
dépend de la hauteur de la traverse. Sur la face supérieure du bloc rigide, une coiffe de
protection 18 couvre l'ouverture du logement 16 de chaque dispositif de précontrainte
active.
La plaque de base est constituée d'acier, de matière synthétique ou autre. Ses dimensions
sont choisies en fonction de la précontrainte à appliquer aux coussins élastiques. Elle est
représentée en particulier aux figures 3 et 4 sur lesquelles on voit quatre logettes 22
recevant chacune un coussin élastique 12 et on voit également quatre tiges filetées 15 qui
s'étendent pratiquement verticalement au-dessus de la plaque de base et servent au
montage de quatre dispositifs de précontrainte active 17 dans les logements prévus à cet
effet dans le bloc rigide 11 précité. Le signe de référence 21 désigne des orifices destinés
à l'évacuation de l'air et des eaux éventuellement.
Dans l'ensemble 1 suivant l'invention, les coussins élastiques 12 ont des dimensions
choisies en fonction de la fréquence propre de la voie et des rigidités statiques et
dynamiques appropriées pour réaliser les performances antivibratoires souhaitées en
tenant compte des charges par essieu prévues. Les coussins élastiques sont
avantageusement choisis avec des raideurs statiques et dynamiques telles que la première
fréquence de résonance du système roue / rail / support soit située en dessous de 30 Hz
environ. Ceci assure une filtration anti-vibratoire plus performante 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.
Venant se placer entre les coussins élastiques et le ballast ou la structure de support de la
voie ferrée, la plaque de base favorise le chargement uniforme des coussins élastiques lors
du passage d'une voiture sur les rails et améliore leur comportement antivibratoire. Les
vibrations du rail lors du passage d'une voiture sur les rails se trouvent ainsi amorties en un
laps de temps très court, ce qui évite la production de résonances entre les rails et la
voiture, qui sont non seulement gênantes pour le confort des voyageurs mais sont
également nuisibles pour le matériel roulant et pour la stabilité des rails.
Dans une traverse de voie ferrée suivant l'invention, les dispositifs de précontrainte sont
donc intégrés dans les traverses et la précontrainte peut ainsi être réglée en usine d'après
les conditions d'exploitation de la voie à installer de sorte que l'ensemble peut ainsi être
fourni prêt à être installé sur une structure de support quelconque sans plus nécessiter de
réglage de la précontrainte sur le site, ce qui facilite considérablement l'installation de la
voie ferrée.
Les dispositifs de précontrainte active sont avantageusement des dispositifs comprenant
chacun au moins un ressort de précontrainte avec un moyen de serrage réglable. Un
exemple de mode de réalisation est représenté à plus grande échelle à la figure 6. Ce
dispositif de précontrainte 17 comprend un ensemble intégré de deux ressorts 31 et 33
montés autour d'une tige 15 fixée à la plaque de base. Le premier ressort 31 est choisi
avec une rigidité plus faible que celle du deuxième ressort 33 qui est disposé autour du
premier. Le ressort 31 est plus court que le ressort 33 et son extrémité inférieure repose sur
une rondelle de support 32. Son extrémité supérieure supporte une coiffe 34 servant au
mouvement de rappel du ressort de plus grande rigidité. La coiffe 34 supporte l'extrémité
inférieure du ressort 33. L'extrémité supérieure du ressort 33 coopère avec une rondelle de
butée isolée 36 qui, à son tour, coopère avec un écrou de serrage 37 vissé sur l'extrémité
filetée de la tige 15. La rondelle isolée 36 donne une isolation complémentaire pour une
gamme de fréquences. L'anneau circulaire 38 disposé autour de la tige 15 limite le
déplacement latéral de la traverse par rapport au chausson. Une coiffe de protection 18
couvre l'ouverture du logement 16 de chaque dispositif de précontrainte.
L'effort de précontrainte appliqué aux coussins élastiques 12 est réglé à l'aide de l'écrou 37.
Avec cet agencement, les deux ressorts agissent indépendamment l'un de l'autre.
Lorsqu'une roue passe sur le dispositif de support, le ressort 33 est complètement exempt
de précontrainte et il ne contribue pas à la raideur dynamique de l'ensemble roue + rail +
système de fixation. Seul le ressort 31 applique un faible effort de précontrainte lorsqu'une
roue passe sur le rail.
La figure 7 montre une variante d'exécution du dispositif de précontrainte active décrit plus
haut. Ce mode de réalisation diffère de celui de la figure 6 en ce que la rondelle de
support 32 présente un double épaulement en lieu et place d'une coiffe appuyant sur le
premier ressort 31. La rondelle de support 32 supporte l'extrémité inférieure du ressort 33,
l'épaulement supérieur de la rondelle supportant le ressort 31. La surface inférieure de la
rondelle de butée 36 présente un épaulement 35 qui coopère avec l'extrémité supérieure
du ressort 31. Dans cet agencement, le ressort 33 est libre lors du passage des roues d'un
véhicule sur la voie. Ce mode de réalisation permet d'avoir un diamètre plus petit pour
l'agencement des deux ressorts.
La traverse de voie ferrée suivant l'invention plus haut à titre d'exemple comprend donc
des dispositifs de précontrainte active comportant chacun deux étages élastiques avec
ressorts. Il est à noter que ce dispositif de précontrainte active est réglé pour que se
trouve appliquée aux coussins élastiques 12 une précontrainte importante (de l'ordre de
10 kN) et cette précontrainte est choisie de manière que les coussins élastiques travaillent
de manière continue dans la zone quasi-linéaire de leur courbe de déflexion. En effet,
étant donné que la charge réelle appliquée sur un appui du rail lors du passage d'une roue
de véhicule sur le rail est quasiment statique et rapide, il importe d'éviter que le point de
fonctionnement des coussins élastiques 12 ne passe chaque fois dans la zone non-linéaire
de leur courbe de déflexion.
Pour réduire davantage la déflexion du rail lors du passage des roues d'un véhicule
circulant sur la voie, il est avantageux de choisir pour les coussins élastiques des raideurs
statiques et dynamiques telles que les appuis successifs le long de la voie ferrée soient
alternativement un appui relativement rigide et un appui relativement souple. Pour une
déflexion statique donnée du rail, l'alternance des raideurs le long de la voie assure une
fréquence de résonance plus basse qu'avec un système classique à raideur uniforme. Il en
résulte un amortissement amélioré des ondes de chocs, une réduction des vibrations
transmises dans le sol, une limitation de la déflexion statique des rails lors du passage des
roues et une flexion des rails plus courte, ce qui entraíne une réduction du rayonnement
acoustique.
Afin d'obtenir une isolation antivibratoire performante, une voie ferrée doit être réalisée de
manière que la rigidité statique d'un coussin élastique soit inférieure à 5×106 N/m et que sa
rigidité dynamique soit inférieure à 7×106 N/m. Il faut également que la déflexion de la voie
lors du passage des roues d'un véhicule soit limitée à une valeur de l'ordre de 3 à 4 mm.
Tenant compte des charges par essieu variant de 90 à 240 kN environ, l'écartement des
traverses et la rigidité statique des appuis sont adaptés en fonction des charges et du type
de rail utilisé.
Les performances d'isolation acoustique et antivibratoire d'une voie ferrée fixée sur des
traverses suivant l'invention sont liées à une combinaison optimale des caractéristiques
des éléments intervenant dans ta réalisation des dispositifs anti-vibratoires. Un avantage
de la traverse suivant l'invention est que les performances d'isolation acoustique et anti-vibratoire
voulues pour une installation de voie ferrée peuvent être ajustées en usine, ce
qui réduit considérablement le temps d'installation d'une voie ferrée et le coût de cette
installation.
La réalisation d'une traverse suivant l'invention se fait dès lors sur la base de l'étude
technique du tracé de la voie ferrée au niveau de l'impact vibratoire sur l'environnement et
des structures environnantes. Après avoir calculé la fréquence propre du système de pose
de la voie, on détermine la rigidité dynamique à obtenir. Le choix du produit pour les
coussins élastiques 12 se fait en fonction de ses caractéristiques statiques et dynamiques
et des dimensions des coussins élastiques. On relève les déformations du coussin
élastique pour différents taux de charge par essieu et, sur la courbe de mise en charge,
on choisit un taux de charge minimum et un taux de charge maximum. Par exemple, sur la
courbe de mise en charge de la figure 8 on voit qu'un taux de charge minimum de
0,25 N/mm2 donne une déflexion de 5,5 mm et qu'un taux de charge maximum de
0,3 N/mm2 donne une déflexion de 7,5 mm. On règle ensuite la précontrainte de manière
à réduire la déflexion des coussins élastiques de manière à limiter la déflexion de la voie
ferrée à une valeur comprise entre 3 et 4 mm, par exemple lors du passage d'une roue de
véhicule.
Dans le dispositif de précontrainte active 17 illustré aux figures 6 et 7, la précontrainte est
appliquée par le ressort 33 et elle est réglée par l'écrou de serrage 37. La raideur
dynamique du ressort 33 est donc déterminée en fonction de l'effort de précontrainte à
réaliser. En prenant, par exemple, des charges par essieu se situant entre 100 kN et
120 kN et des déflexions de 5,5 mm et 7,5 mm obtenues avec des coussin élastiques 12
ayant une surface d'environ 100.000 mm2, il faut que la précontrainte soit réglée de
manière que la déflexion de la voie sous charge soit limitée par exemple à 3 mm. La
précontrainte appliquée doit donc correspondre à une charge produisant une déflexion
comprise entre 2,5 mm et 4,5 mm. Avec un ressort 33 ayant une compressibilité telle que
représentée par la courbe de la figure 9, par exemple, un taux de charge de précontrainte
de 0,15 N/mm2 produit une compression de 1 mm. Cette précontrainte est tout à fait
satisfaisante car, lors du passage des roues d'un véhicule, le ressort 33 se trouve découplé
et il n'intervient plus dans la rigidité dynamique du système d'appui. Ce dispositif de
précontrainte active assure ainsi des conditions de fonctionnement optimales sur appuis
anti-vibratoires, c'est-à-dire une rigidité dynamique très faible tout en limitant la déflexion
des rails qu'il est prévu de fixer sur les traverses à la valeur tolérée d'environ 3 mm par
exemple.
Dans le mode de réalisation illustré à titre d'exemple aux figures 1 et 2, l'ensemble suivant
l'invention est disposé sur le fond d'un chausson 14 qui enveloppe la base et les faces
latérales de la plaque de base 13 et une partie des faces latérales du bloc rigide 11. Le
chausson peut être réalisé dans différents modes d'exécution. Il peut être réalisé avec un
profil quelconque choisi en fonction de la traverse et de manière à assurer le meilleur
serrage possible autour de la traverse tout en permettant une introduction facile de la
traverse ainsi qu'une extraction aisée de la traverse pour remplacement ou entretien. Le
chausson est fait d'une matière relativement souple, semi-rigide ou relativement rigide, par
exemple un élastomère, La raideur dynamique du chausson est choisie pour être
supérieure à celle des appuis élastiques de la traverse. L'accrochage des parois latérales
à la traverse se fait par un moyen quelconque, par exemple par cerclage.
Un mode de réalisation avantageux pour le chausson est illustré en coupe à la figure 5.
Le chausson 14 comprend un fond 23 et une paroi latérale 24 qui se rattache au fond 23 et
est pliée pratiquement verticalement. La paroi latérale est formée de manière que seule sa
partie supérieure enserre le bloc rigide 11. Le serrage est effectué par une surface de
contact périphérique relativement réduite 25 à l'extrémité de la paroi latérale. Ceci diminue
le frottement entre le corps de la traverse et le chausson et facilite l'introduction et
l'extraction du corps de la traverse. Entre le chausson 14 et le bloc rigide 11 et en dessous
de la plage de contact périphérique 25 est avantageusement prévu un cordon périphérique
27 retenu dans une entaille 26 formée dans la surface intérieure de la paroi latérale 24 du
chausson. Le cordon périphérique 27 a une raideur dynamique prédéterminée et améliore
le taux d'amortissement latéral et vertical des vibrations du bloc rigide de la traverse. Ce
cordon périphérique 27 est avantageusement constitué d'une matière élastique. La surface
extérieure de la paroi latérale 24 du chausson présente une rainure 28 agencée pour
recevoir une bride ou un ruban 29 assurant un cerclage périphérique du chausson. Le
cerclage périphérique renforce le serrage du chausson sur le bloc rigide de la traverse le
long du bord extérieur du chausson et accroít l'étanchéité du dispositif tout en laissant au
corps de la traverse suffisamment de liberté pour favoriser l'amortissement des vibrations.
Le ruban 29 permet également l'identification immédiate du chausson, notamment quant à
la nature des appuis élastiques incorporés dans la traverse. Ceci revêt une grande
importance dans les systèmes de pose avec raideurs dynamiques alternées le long de la
voie ferrée.
La figure 10 illustre une variante de mode de réalisation dans lequel la plaque de base 13
de la figure 1 est noyée par moulage dans le fond 23 du chausson 14. La plaque de base
porte des axes filetés 19 qui émergent de la face supérieure du fond du chausson et sur
lesquels se fixent les tiges 15 autour desquelles sont montés les dispositifs de
précontrainte. Les dispositifs de précontrainte active logés dans le bloc rigide 11 ont été
décrits plus haut.