Expérimentations et simulations numériques de la réponse de la voie aux passages des trains

Validation des simulations numériques avec intégration temporelle directe

Sur la zone de transition de Chauconin (décrite dans la section 3.1.1), des mesures d’accélération sur traverses aux passages des trains ont été réalisées et sont présentées en 4.2.1. L’étude de ces mesures permet une première comparaison des zones de la transition entre elles. Dans la section 4.2.2, ces mesures servent ensuite de références pour valider les résultats obtenus par intégration temporelle directe sur les modèles des différentes zones de cette transition. Cette étape permet de valider le comportement du modèle et donc la méthode mise en œuvre dans ce travail. 

Mesures d’accélérations au passage des trains

Cette partie vise à décrire les mesures qui ont été réalisées sur la zone au passage des trains commerciaux. Ces mesures consistent essentiellement au relevé de l’accélération des traverses dans la transition. Les mesures d’accélération ont été effectuées dans la zone de transition adjacente à la voie sur dalle côté Strasbourg (entre le pK 20.470 et le pK 20.515), sur les deux voies de circulation. Quatre zones ont été instrumentées avec 6 accéléromètres chacune : — La voie ballastée — La zone de transition munie du tapis 2 — La zone de transition munie du tapis 1 — La voie sur dalle Dans chacune des zones, les accéléromètres ont été collés sur trois traverses consécutives à l’extérieur de chacune des files de rail, comme représenté sur la Fig. 4.4. Compte tenu de la spécificité de la zone (défauts importants et danse), une attention particulière a été portée au choix des traverses, pour s’assurer qu’aucune d’entre elles n’était danseuse. Enfin, les traverses sur lesquelles les mesures ont été effectuées sont situées en milieu de zone pour les zones avec tapis, de manière à ne pas être trop influencé par la transition elle-même. FIGURE 4.4 : A gauche : position des accéléromètres (identique pour chaque zone). A droite : photo d’un accéléromètre pendant les mesures. Les propriétés des accéléromètres utilisés sont résumées dans le tableau 4.2. Une pédale de type Honeywell est placée sur le rail en amont des capteurs de mesures pour permettre le déclenchement de l’enregistrement quand les trains passent. 106 Tableau 4.2 : Propriétés des capteurs utilisés pour les mesures au passage. Marque et modèle Unités Capacité Autres spécificités Accéléromètres ICP-PCB 602D01 m/s2 + −50g Bruit spectral à 10 Hz : 31.0 (µ m/s2 )/Hz Gamme de fréquences : 0.47 à 1000 Hz Mesure d’enfoncement Micro Epsilon mm 10 mm Capteur laser Ces mesures ayant été effectuées aux passages des circulations commerciales sur la LGV Est, plusieurs types de trains sont disponibles : TGV en US (unité simple), TGV en UM (unités multiples) ou ICE. Compte tenu du nombre disponible dans chacune de ces catégories, la population des TGV en US est retenue pour les analyses globales. Un exemple de mesures obtenues brutes et filtrées à 100 Hz (par un filtre de Butterworth d’ordre 5) est présenté sur la Fig. 4.5. FIGURE 4.5 : Accélération sur une traverse de la voie ballastée non filtrée (en bleu), et filtrée à 100 Hz (en rouge). Seize passages en unités simples sont disponibles sur la zone étudiée. Les vitesses de ces passages sont toutes sensiblement différentes. Il est possible de faire une distorsion du temps sur ces passages, selon la méthode développée dans la partie 4.3 pour les superposer mais le risque serait de masquer certains effets fréquentiels, la vitesse de circulation générant des effets dynamiques. L’analyse des signaux temporels complets sera faite sur un passage représentatif. En revanche, dans cette partie des moyennes et écarts-types des maxima sur l’ensemble des signaux sont présentés. Sur la Fig. 4.6 est représentée la correspondance entre essieux et accélérations mesurées. Le cadre rouge entoure les essieux dont l’accélération induite sera retenue pour la suite des analyses. Sur les deux voies et dans chacune des zones les valeurs maximales de ces 7 bogies sont retenues pour les 6 accéléromètres. La moyenne des ces valeurs et l’écart type sont calculés par zone et présentés dans le tableau 4.3. Les faibles écarts types calculés dans les zones (inférieurs à 10 %) montrent que la moyenne des accélérations maximales est un indicateur plutôt robuste, permettant de comparer les zones entre elles. Sur les résultats en eux-mêmes, la première constatation est que la moyenne de ces maximums d’accélération est près de 4 fois supérieure dans la transition et sur la dalle que pour la voie ballastée courante. 107 Expérimentations et simulations numériques de la réponse de la voie aux passages des trains. Validation expérimentale et analyses du comportement dynamique FIGURE 4.6 : Visualisation de l’influence de chaque essieu sur un signal d’accélération sur traverse. Tableau 4.3 : Moyennes et écart types des valeurs maximales des pics d’accélérations sous les 7 bogies choisis (voir Fig. 4.6), pour 16 passages de TGV sur la voie 1 et 34 passage pour la voie 2. Voie Ballastée ZT Tapis 2 ZT Tapis 1 Voie sur dalle Moyenne (m/s2 ) 2.7 8.0 7.2 7.8 Écart Type (m/s2 ) 0.2 0.7 0.6 1.5 Avec ce simple indicateur, la génération de défaut à la transition entre voie ballastée et zone munie de tapis peut s’expliquer : une multiplication des accélérations par 4 sur seulement quelques traverses va engendrer du tassement différentiel. En revanche, la comparaison de ces maximums ne permet pas d’expliquer les défauts dans la transition elle-même, ni ceux qui peuvent apparaître entre zone de transition et dalle. Pour cela, il est nécessaire d’approfondir l’analyse des signaux. En particulier, le contenu fréquentiel des accélérations mesurées peut permettre d’identifier certains facteurs prépondérants. La densité spectrale de puissance est calculée à chaque accéléromètre et pour chaque passage de TGV sur les deux voies. La Fig. 4.7 rappelle le lien entre caractéristiques géométriques et fréquence en fonction de la vitesse, comme cela a été présenté en section 1.1.2. Les longueurs caractéristiques qui sont représentés sur la Figure 4.7 sont : — Pour les caractéristiques du TGV : — La longueur d’une voiture voyageur (18.7 m) — La longueur d’une motrice (14 m) — L’espacement entre 2 bogies (6.3 m) — L’espacement entre 2 essieux (3 m) — Le demi espacement entre 2 essieux (1.5 m) — L’espacement entre 2 traverses (0.6 m) pour les caractéristiques de la voie Lors des mesures in-situ, les trains circulaient à 230 km/h environ (courbe rouge) sur la Fig. 4.7. Les valeurs des fréquences d’excitation associées aux différentes longueurs caractéristiques du train sont recensées dans le tableau 4.4. La Fig. 4.8 présente les densités spectrales de puissance moyennées sur l’ensemble des 16 passages de TGV en US et sur l’ensemble des 6 accéléromètres. Sur les quatre zones, le pic principal se trouve 108 FIGURE 4.7 : Fréquences d’excitation en fonction de la longueur d’onde et de la vitesse de circulation des trains (adapté de [F. H. Müller-Boruttau and N. Breitsamer, 2004]). Tableau 4.4 : Fréquences excitées à une vitesse de passage de 230 km/h. L (m) f (Hz) 18.7 3.42 14 4.56 6.3 10.14 3 21.29 1.5 42.59 0.6 106.48 à 21 Hz. Cette valeur est présente dans le tableau qui liste les fréquences liées aux caractéristiques géométriques, (tableau 4.4), il s’agit de l’écartement des essieux d’un bogie (3 m) à une vitesse de 230 km/h environ. Cette fréquence concentre le maximum d’énergie pour toutes les zones, ce qui paraît assez cohérent puisque les essieux assurent le contact du train sur le rail. L’énergie associée à ces pics diffère d’une zone à l’autre. La Fig. 4.8 présente les densités spectrales de puissance à la même échelle pour toutes les zones. Celle pour laquelle l’énergie associée au passage des essieux est la plus faible est la zone de voie ballastée courante. Cette énergie est multipliée par 4 dans la zone munie du tapis 2 et par 5 dans la zone avec tapis 1. Les niveaux d’énergie mesurée dans la zone de voie sur dalle sont équivalents à ceux dans les zones de tapis. La structure spécifique de la transition induit dans des niveaux d’énergie, au moins dans les traverses, bien supérieurs à ceux mesurés sur la voie ballastée. La conséquence peut 109 Expérimentations et simulations numériques de la réponse de la voie aux passages des trains. Validation expérimentale et analyses du comportement dynamique être une dégradation accrue du ballast dans la zone de transition puisque l’énergie sous les traverses va être très supérieure. L’amplitude de l’accélération dans le ballast est, en effet, directement liée à sa dégradation [Karrech, 2007].