Modélisation et analyse mécanique d’une voie ferrée sur dalle renforcée par des liaisons spécifiques et sous sollicitation dynamique

Modelisation and mechanical analysis of a railway on a slab reinforced by specific elements with a dynamic load

• Auteur / Autrice : Benjamin Claudet
• Direction : Denis Duhamel, Gilles Foret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 10/03/2023
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Balmès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Duhamel, Jean-Mathieu Mencik, Oualid Limam, Christine Funfschilling, Bertrand Findinier, Gilles Forêt, Tien Hoang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Mathieu Mencik, Oualid Limam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eurotunnel

Analyse numérique

Matériaux -- Fatigue

Entretien et réparations

Voies ferrées

Mots clés libres

Dynamique ferroviaire

Modélisation et analyse mécanique

Renforcement de structure

Veillissement en fatigue

Railway dynamic

Modeling and mechanical analysis

Structure reinforcement

Fatigue ageing

Résumé

Depuis sa mise en service en 1993, le Tunnel sous la Manche est constitué d'une voie ferrée faisant partie des plus chargées au niveau mondial. Ce chargement est la cause d'une usure par fatigue observée sur certains supports de la voie. Pour éviter la propagation des endommagements, il est nécessaire de traiter rapidement les zones endommagées. Le remplacement des supports endommagés étant une opération délicate et coûteuse, nous avons étudié le traitement des voies endommagées par une solution alternative consistant à renforcer la voie au niveau des zones endommagées. Dans le cadre d'une collaboration avec Getlink, l'objectif de la thèse était alors de démontrer l'intérêt de la solution proposée par la simulation du comportement de la voie renforcée.Cette simulation nécessite de connaître le chargement appliqué par les trains sur la voie. Aussi, dans la première partie de la thèse, nous avons développé un système permettant de mesurer ce chargement. Le système proposé repose sur des mesures de la déformation longitudinale du rail au passage des trains. À partir de ces mesures, le chargement est calculé par la résolution d'un problème inverse. Après validation numérique de la méthode de calcul, un prototype a été installé en tunnel. Les essais effectués ont permis de valider la méthode proposée pour la mesure de l'effort statique appliqué par chaque roue.Dans la seconde partie de la thèse, deux outils ont été proposés pour étudier le comportement de voies endommagées ou renforcées. Le premier outil, baptisé Euroanalyse, la réponse d'une voie représentée de manière simplifiée est calculée analytiquement. Cet outil permet de calculer efficacement le chargement global perçu par chacun des supports de la voie. Pour obtenir des résultats plus précis, nous avons proposé une méthode numérique baptisée méthode WFE zone de transition. Dans celle-ci, la structure étudiée est divisée en trois zones : deux zones semi-infinies et périodique -- zones saines -- et une zone centrale quelconque. En combinant des équations WFE et FEM, la méthode proposée permet alors de calculer efficacement le comportement de structures infinies. Le calcul de la réponse de la structure infinie est alors effectué en combinant les équations de la méthode WFE régissant le comportant des zones périodiques à l'équation d'équilibre dynamique de la zone centrale.Dans la fin de cette partie, les deux outils développés ont été validés par comparaison avec différents résultats analytiques et numériques.Dans la dernière partie de la thèse, les comportements de voies saine, endommagées et traitées par différentes stratégies ont été simulés à l'aide des outils développés. La comparaison des résultats obtenus pour une voie saine avec des résultats expérimentaux permet de valider la modélisation choisie. L'étude de voies endommagées a alors permis de mieux comprendre l'endommagement de la voie et sa dynamique de propagation. Enfin, les résultats obtenus pour les voies traitées ont démontré l'intérêt du renforcement local de la voie pour le traitement des zones endommagées.

Since its opening in 1993, the Channel Tunnel has been of one most loaded railway track in the world. As a result, wear has been observed in the track supports. In order to avoid damage propoagation, one as to treat damaged areas quickly. The replacement of damaged track supports is a delicate and costly operation. Thus, we were interested in treating the damaged track with an alternative solution consisting in reinforcing the track in the damaged areas.The knowledge of the load applied by the train to the rail is necessary to simulate the track response. Therefore, in the first part of this thesis, a system has been proposed to measure this load. This system is based on the measurement of the rail longitdinal strain as the trains pass. From these measurements, the load is calculated by solving an inverse problem. After a numerical validation of the calculation method, a prototype was installed in a tunnel. The trials carried out allowed to validate the proposed method for the measurement of the static load applied by each wheel of the train.In the second part of the thesis, two tools has been developped to study the dynamic behavior of damaged or reinforced tracks. The first tool, named Euroanalysis, is based on the analytical resolution of the response of a track which is represented in a simplified way. This tool allows an efficient calculation of the load supported by each of supports. To obtain more refined results, we proposed a numerical method called transition zone WFE method. In this method, the studied structure is divided into three zones: two semi-infinite and periodic zones -- healthy zones -- and an arbitrary central zone. By combining WFE and FEM equations, the proposed method allows an efficent computation of the behavior of infinite structures. At the end of this part, the two developed tools have been validated by comparison with different analytical and numerical results.In the last part of the thesis, the developed tools were used to compute the behavior of healthy, damaged and tracks treated using different strategies. The chosen modeling was validated by comparing the results obtained for a healthy track with experimental results. The study of damaged track allowed to better understand the damage of the track and its propagation dynamics. Finally, the results obtained for different treated tracks demonstrate the interest of local reinforcement of the track for the treatment of damaged tracks.