Amélioration des règles de calcul des conditions de circulation des matériels roulants ferroviaires

par Maryam El moueddeb

Projet de thèse en Mécanique des solides

Sous la direction de François Louf.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences , en partenariat avec LMT - Laboratoire de mécanique et de technologie (laboratoire) , Secteur Structures et Systèmes (equipe de recherche) et de Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (référent) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    Le réseau ferré national (RFN), constitué des lignes de chemin de fer et des infrastructures ferroviaires du territoire français, est propriété de SNCF Réseau qui est en charge de son exploitation et de sa maintenance. Dans le but d'assurer la sécurité des circulations et de limiter la fatigue de la voie ferrée, SNCF Réseau réalise plusieurs vérifications avant d'établir les conditions de circulation d'un matériel roulant sur tout ou une partie du RFN (comme la vitesse maximale admissible pour différentes classes de matériels roulant) qui sont fonction du type de l'armement de la voie ferrée, soit le système {rail/traverse}. Les règles de calcul des conditions de circulation actuellement utilisées par SNCF Réseau sont issues des travaux de la commission Demaux qui ont permis de dégager cinq groupes de voies en fonction du type de rail et de la traverse, de l'espacement maximal entre les traverses et de la distance entre la fibre neutre et la fibre la plus éloignée à demi-usure du rail. Aussi, la charge maximale à l'essieu du matériel roulant et les efforts verticaux et transversaux appliqués aux armements de la voie sont des paramètres essentiels pour connaitre la vitesse de circulation admise. En combinant le classement des voies avec le classement des matériels roulants, il est possible de définir les conditions de circulation des matériels roulants sur tout le réseau, en toute sécurité, et en limitant la fatigue des voies. Au fil du temps, le retour d'expérience a fortement intégré la démarche d'admission des matériels roulants. Les abaques qui en découlent peuvent donc être compliqués à interpréter. Bien que ces règles soient en adéquation avec le besoin au sein de SNCF Réseau, une justification scientifique de la démarche en cours est nécessaire pour faire face à l'interopérabilité européenne. Ceci a donc motivé le lancement de ce projet de recherche pour justifier et redéfinir les règles actuelles de calcul des conditions de circulation en se penchant particulièrement sur l'évaluation de la fatigue structurelle dans le rail. Le travail de la thèse s'inscrit dans la thématique d'améliorer et de mettre à jour les conditions de circulation des matériels roulants et ainsi de participer à l'évolution des performances du réseau ferroviaire. L'objectif visé est de proposer un outil numérique qui prédise l'état de fatigue dans le rail et à l'aide duquel de nouvelles règles de calcul des conditions de circulation peuvent être extraites. L'outil englobe : – un modèle éléments finis léger pour la prédiction du comportement vertical et transversal de la voie ; – un modèle multi-corps du véhicule combiné à des défauts de géométrie de la voie permettant de calculer le chargement dynamique du véhicule sur la voie ; – une partie post-traitement qui permet d'évaluer la fatigue structurelle dans la section du rail. Le recours à des modèles plus complexes ou des données d'essais est important pour une bonne estimation des paramètres tels la rigidité et l'amortissement. Ainsi, l'étude permettra la définition de règles de calcul pour les conditions de circulation associées à une justification scientifique rigoureuse et l'utilisation de la simulation numérique comme outil majeur pour faire évoluer ces règles qui seront exploitées par les entreprises ferroviaires.

  • Titre traduit

    Improvement of computation rules for rolling stocks admission on the railway network


  • Résumé

    The national railway network in France covers tens of thousands of kilometers of track and is owned by SNCF Réseau which is in charge of its operation and maintenance. In order to ensure security, SNCF Réseau carries out many examinations before authorizing a railway vehicle to run on a track. They are known as computation rules for traffic conditions (i.e. vehicle's speed) and they depend on the system {rail/ sleeper} including the maximum speed limit. The current rules used by SNCF Réseau are based on the Demaux commission's work which led to form five groups of tracks that depend on the rail and sleeper types, the maximum spacing between sleepers and the distance between the neutral axis and the furthest axis at half wear of the rail. Also, the maximum railway vehicle's axle load as well as the vertical and lateral forces applied on the track are very important to estimate the allowed vehicle speed. The combination of tracks classification with vehicles classification allows to define traffic conditions while respecting security and avoiding track fatigue issues. Over time, feedbacks became a part of traffic conditions definition. Hence, the technical baselines can be difficult to interpret. Even though the methodology is suited for the experts in SNCF Réseau, scientific explanation of the current rules is necessary to deal with railway interoperability. This has led to the present phd work. The idea is to justify and redefine the rules for traffic conditions based on structural fatigue in the rail. This PHD thesis is an opportunity to enhance the computation rules for traffic conditions and to participate in the railway infrastructure development. The aim is to propose a numerical tool that enables the prediction of the rail fatigue. The tool includes: - a lightweight finite element model for the prediction of the vertical and lateral behaviour of the railway track. - a multi-body model of the vehicle combined with geometrical defects of the track in order to compute the vehicle's dynamic loads. - A post-processing section which allows to evaluate structural fatigue in the rail section. The use of more complex models or experimental data is important for a good estimation of the models' parameters as stiffness or damping values. In this way, the study will allow the definition of computation rules for traffic conditions based on a rigorous scientific justification and the use of numerical simulation as a major tool to enhance the current rules that could be exploited by railway companies.