Modélisations stationnaires des voies ferrées : comportement et dégradation du ballast

par Thibault Badinier

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Habibou Maitournam.

Soutenue le 12-12-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (laboratoire) , École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut des Sciences de la mécanique et Applications industrielles (laboratoire) .

Le président du jury était Ali Daouadji.

Le jury était composé de Habibou Maitournam, Siegfried Maiolino, Bernard Jacob, Andrei Constantinescu, Thi Mac-Lan Nguyen-Tajan.

Les rapporteurs étaient Frédéric Roger.


  • Résumé

    Le développement récent du transport ferroviaire a conduit à une forte augmentation du trafic durant la dernière décennie, augmentation qui devrait sepoursuivre dans la décennie à venir avec les futurs développements de ce mode de transport. L'augmentation du trafic se traduit pour l'infrastructure par une augmentation des sollicitations subies par les voies ferrées. La qualité des voies ferrées est garante de la performance du mode de transport ferroviaire,mais également de la sécurité des matériels roulants et des usagers de l'infrastructure. Conserver la qualité du réseau ferré est donc une priorité pour les gestionnaires d'infrastructures ferroviaires. Le ballast ferroviaire a pour rôle de répartir les efforts induits par la circulation des trains et d'assurer la bonne géométrie de l'infrastructure. La surveillance de la dégradation du ballast est donc primordiale pour assurer la qualité del'infrastructure.L'objectif de cette thèse est de proposer un outil numérique permettant d'anticiper la dégradation et le comportement d'une infrastructure ferroviaire sous trafic. Cet outil doit permettre de simuler efficacement lecomportement du ballast ferroviaire sous un grand nombre de cycles de chargements mobiles.Une première partie détaille la composition des infrastructures ferroviaires, précise les rôles du ballast et identifie les grandes lignes de son comportement.Il est fait le choix d'utiliser une méthode de représentation du ballast par élément fini et un modèle de comportement élastoplastique. Le ballast est alors traité comme un géomatériau continu répondant à des lois de comportementélastoplastique.Dans une seconde partie, les bases de la modélisation élastoplastique sont rappelées. Puis, plusieurs modèles de comportement issus de la littérature et comportant des éléments intéressants sont identifiés et étudiés.Dans une troisième partie, un nouveau modèle de comportement frottant compactant est proposé. Il est composé d’un critère nouveau et d'une loi d'écoulement originale. Enfin, le modèle est complété par la prise encompte, de la dégradation du matériau via une diminution de l'angle de frottement interne.Dans une quatrième partie, les méthodes stationnaires sont rappelées. Ces méthodes sont spécifiquement développées pour la modélisation des problèmes incluant des charges en mouvement. Les différents algorithmes sont implémentés àl'aide d'un code de calcul développé dans le logiciel Matlab et à l'aide du logiciel d'éléments finis COMSOL Multiphysics. En particulier, la méthode stationnaire à double échelle de temps, qui est un développement nouveau, permet la modélisation rapide d'un grand nombre de cycles de chargements et la prise en compte des effets d'usure du matériau.Dans une dernière partie, les deux principaux modèles tridimensionnels utilisés sont présentés. Sur un faible nombre de cycles de chargements, divers résultats sont établis selon les différents modèles de comportement utilisé. Sur un très grand nombre de cycles de chargements, les résultats obtenus montrent l'évolution des déformations irréversibles de la structure et de la dégradation du matériau.

  • Titre traduit

    Steady-states modelling of railways : ballast behaviour and ballast wear


  • Résumé

    Recent development in rail transportation has led traffic increasing during last decade, an increase which should continue in next decade due to the future developments of railway transport. Traffic growing induces infrastructure's solicitation increasing. Railways quality is warrant of rail transport performance, but also ensure security of the rolling stock and safety of the infrastructure users. Maintaining quality of the rail network is major priority for railway infrastructure managers. Purpose of rail ballast is to distribute load of the moving trains and to ensure track geometry. Monitoring of ballast degradation is therefore essential to ensure the quality of the infrastructure.The aim of this thesis is to develop a numerical tool to anticipate the degradation and behaviour of a railway infrastructure under traffic. This tool is intended to effectively simulate the behaviour of railway ballast under numerous mobile loads cycles.A first part details the composition of railway infrastructures, specifies roles of the ballast and identifies the main lines of its behaviour.Choice is made to use finite element method to represent the ballast and an elastic-plastic behaviour model. The ballast is then treated as a continuous geomaterial responding to elastic-plastic behaviour. Therefore, in a second part, the basics of elastic-plastic modelling are exposed. Then, several existing behaviours models which present interesting elements are identified and studied.In a third part, a new behaviour model, called "frottant-compactant" is presented. It is composed with a new criterion and an original flow rule. Finally, the model is completed by taking account of materials degradation via internal friction angle decreasing.In a fourth part, the steady-states methods are exposed. These methods are specifically developed for modelling problems including moving loads. Different algorithms are implemented using Matlab coding software and using the finites elements method software COMSOL Multiphysics. Principally, the double time-scale steady-state method, newly developed, allow rapid modelling of numerous loading cycles and representation of material wear effects.In a final part, the two three-dimensional models used are presented. On a few loading cycles, various results are established depending on different behaviour models. On a very large number of load cycles, the results obtained show the evolution of plastic strains in the structure and the degradation of the material.


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