Analyse numérique de la réponse dynamique de structures ferroviaires. Application à la réduction des désordres géométriques induits dans les couches de ballast des Lignes à Grande Vitesse. - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Numerical analysis of the dynamic response of railway tracks. Application to the reduction of geometrical disorders induced into ballast layers of High-Speed Lines.

Analyse numérique de la réponse dynamique de structures ferroviaires. Application à la réduction des désordres géométriques induits dans les couches de ballast des Lignes à Grande Vitesse.

Résumé

The repeating train passages on High Speed Lines leads to progressive geometrical disorders of the ballast layers. These disorders are observed to increase in severity as a function of the train speed. Former studies have shown that a possible cause for these disorders was the development of high vertical accelerations in the ballast layer induced by High Speed Trains. These high accelerations may indeed disrupt the granular assembly. The objective of the present work is twofold: evaluate acceleration as a function of speed and of the railway track parameters and search for construction solutions that make it possible to mitigate the magnitude of acceleration. To accomplish this, a semi-analytical tool dedicated to the computation of the reversible dynamic response of railway structures was developed based on continuum mechanics (ViscoRail) and compared to in situ measurements. The time required to compute the acceleration fields is small using this tool. Therefore this tool is utilized in the sensitivity analysis of the response with respect to speed of the moving loads and to the numerous other railway track parameters. The negative effect of speed on acceleration is proved. This work also shows that an increase of the Young modulus of the sub-ballast layer and of the moment of inertia of the rails may be considered to decrease the accelerations computed at high speed to an “acceptable” level. A decrease of the rail-ballast contact stiffness may also be considered for this purpose. These results lead to the proposal of construction solutions able to reduce acceleration and thus possibly the geometrical disorders. An example of solution incorporating a bituminous sub-ballast layer is analyzed taking advantage of the modeling capability of ViscoRail to account for viscoelastic constitutive laws such as the Huet-Sayegh model. Triaxial tests and 2D discrete element simulations of granular specimens resting on flexible pads of different stiffness also showed that the reversible behavior, at the macroscopic scale, of such specimens could reasonably be modeled by a continuum elastic law (anisotropic). This law is nonetheless non intrinsic since its parameters depend on the flexible medium on which rest the specimens. These analyses validate a posteriori the continuum approach considered in ViscoRail. Finally, the detrimental effect of vertical downward acceleration on the stability of ballast layers is revisited based on Limit Analysis. However, this approach also suggests considering the change in the load distribution due to changes of the railway construction parameters. A more global conclusion on the efficiency of the proposed solutions would have to be done combining ViscoRail and Limit Analysis.
La circulation répétée des trains sur Lignes à Grande Vitesse entraîne une détérioration géométrique progressive des couches de ballast, dont on constate un accroissement de sévérité en fonction de la vitesse d’exploitation. Les études réalisées par le passé ont montré qu’une cause possible de ces désordres était la génération de fortes accélérations verticales dans la couche de ballast au passage des Trains à Grande Vitesse, pouvant désorganiser l’ensemble granulaire. Les finalités de ce travail sont doubles : quantifier les accélérations en section courante en fonction de la vitesse des véhicules et des paramètres de voie et rechercher des dispositions constructives permettant d’en réduire l’intensité. Pour cela, un outil semi-analytique de calcul de la réponse dynamique réversible des structures ferroviaires a été développé sur la base d’une approche continue (ViscoRail) et confronté à des mesures in situ. Ce code permet un accès rapide aux champs d’accélération et est utilisé pour l’étude de sensibilité de la réponse des voies vis-à-vis de la vitesse des charges roulantes et des paramètres de conception. Le rôle défavorable de la vitesse sur les accélérations est confirmé. Nos travaux montrent qu’une augmentation du module de la couche sous-ballast, de l’inertie du rail ainsi que la réduction de la rigidité du contact rail/ballast sont susceptibles de ramener les accélérations calculées à des vitesses élevées à une limite jugée « acceptable ». Ces résultats débouchent sur la proposition de dispositions constructives capables de réduire les accélérations et donc potentiellement les désordres géométriques. Un exemple de disposition avec sous-couche en grave-bitume est illustré en exploitant les potentialités de prise en compte de loi viscoélastique de type Huet-Sayegh dans ViscoRail. Des essais triaxiaux ainsi que des simulations 2D par éléments discrets modélisant des échantillons granulaires reposant sur des supports de rigidités différentes ont également permis de montrer que le comportement réversible macroscopique de tels échantillons pouvait être raisonnablement modélisé par une loi élastique (anisotrope) de milieu continu, mais non intrinsèque, les paramètres de cette loi dépendant de la rigidité du support. Ces analyses justifient a posteriori l’approche continue retenue dans ViscoRail. Enfin, une analyse basée sur le Calcul à la Rupture permet de revenir sur l’effet défavorable des accélérations dirigées vers le bas sur la stabilité des couches de ballast. Mais l’approche suggère également de prêter attention aux changements de répartition des charges d’essieux induites lors de modifications des paramètres de conception des voies. Un jugement plus global sur l’efficacité des solutions proposées ci-dessus serait à apporter en combinant ViscoRail et Analyse Limite.
Fichier principal
Vignette du fichier
Thèse_Antoine_Martin.pdf (7.73 Mo) Télécharger le fichier

Dates et versions

tel-01178920 , version 1 (21-07-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01178920 , version 1

Citer

Antoine Martin. Analyse numérique de la réponse dynamique de structures ferroviaires. Application à la réduction des désordres géométriques induits dans les couches de ballast des Lignes à Grande Vitesse.. Génie civil. Ecole Centrale de Nantes (ECN), 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01178920⟩
339 Consultations
1720 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More