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Séminaire de restitution des opérations de recherche Platif et Vif Séminaire de restitution

des opérations de recherche

Platif et Vif 13 mars 2015

Le projet de voie mixte fret-LGV sur dalles béton innovante NBT

(New Balastless Track)

T. Sedran (Ifsttar), C. Masson (Alstom transport)

Séminaire de restitution des opérations de recherche Platif et Vif

• FUI n°072906053 Janvier 2007 - Mars 2014 • NBT a été co-développé en partenariat :

– Alstom: process de construction

– CEF: monitoring

– IFSTTAR: design et test de laboratoire

• MAST/MIT, MAST/LAMES

• COSYS/SII

– Railtech: design des dalles et des attaches

– RFF: maître d’ouvrage

– Vossloh-Cogifer: design des aiguillages

Le projet NBT

Projet NBT- T. Sedran, C. Masson 2


• Design – Durée de vie théorique de 100 ans

– Grande disponibilité pour du trafic mixte: LGV (360km/h) et fret (25T/axe)

– Solution acceptant des dévers

– Solution utilisable en ligne courante et avec appareils de voie

– Une solution avec une emprise au sol réduite

• Vitesse de construction élevé – Vitesse de construction à partir de 500 mètres de voie/jour/front

• Maintenance faible – Maintenance des équipements de voie similaire aux voie ballastée

– Structure ne nécessitant pas de maintenance corrective

– En cas de dommage structurel localisé, réparation aisée

Le cahier des charges de NBT



• Pas de solution « Française » en dalles béton reconnue à l’international

• Existence de la méthode de construction Appitrack d’Alstom développée pour le tramway et le métro

Contexte des voies sur dalles béton



Basé sur l’expérience routière

Dalles de voies indépendantes

• béton armé (2,5m x 0,24m)

• Insertion du système d’attache sur

la dalle, e= 0,60m

Dalles de fondation en béton

indépendantes et non armées

(2,8m x 0,30m)

Clé pour la stabilité transversale

Plateforme de 120 MPa

Le concept proposé



• Pré-dimensionnement de la structure sur la base de

l’expérience routière

• Réalisation d’une maquette à l’échelle 1 pour tester la solution

• Réalisation d’un tronçon expérimental

• Analyse du coût de cycle de vie

• Suivi du tronçon expérimental

Les étapes du projet



Pré-dimensionnement

• Basée sur des calculs aux EF (CESAR, SYSTUS)

Contrainte en traction maximale

• Prenant en compte le comportement à la fatigue du béton

• Prenant en compte le couplage

– Chargements mécaniques

– Gradients thermiques (négatifs ou positifs)

• Etude paramétrique pour déterminer les dimensions des dalles et des armatures



• Maquette à l’échelle 1

• Plateforme représentée par une couche d’élastomère

• 8 vérins (200 kN chacun, 5 Hz)


Maquette: vue générale


• Etude paramétrique numérique sous César

• Chargement: 2 essieux 200kN/roue, distance entre essieux=1,80m

• On cherche des champs de contraintes et de déplacements proches du cas plateforme semi infinie.

Modèle complet PF3 (120MPa)

Hsol=5m

Modèle avec support en élastomère

Module et épaisseur variables


Maquette : choix de l’élastomère


• Une couverture thermique alimentée par une pompe à chaleur et pilotée par ordinateur pour fournir un historique de gradients de températures représentatif


Maquette: couverture thermique


• Une instrumentation complète

– 50 thermocouples

– 40 jauges de déplacements

– 140 jauges de déformations

– 3 capteurs de force

– 6 fibres optiques


Maquette : instrumentation


2.7 m

2.7 m 4.2 m 2.7 m

Groupe1 de vérins

(Vue du dessus)

2.1 m 0.3m P=200 KN

Dalle de fondation

Dalle de voie

Rail

(Vue de face)

4.2mx2.5mx0.24m 4.2mx2.5mx0.24m

4.2mx2.7mx0.3m 2.7mx2.7mx0.3m 2.7mx2.7mx0.3m

Groupe2 de

vérins


Maquette: chargement


Maquette: chargement

profil de chargement sur NBT

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

temps (ms)

am

pli

tud

e (

kN

)

V1-V4

V5-V8

somme

chargement vu de BC3


vérins V1-V4


vérins V5-V8

4.8m2.7m0.6m 6.9m 9m



Pose de l’élastomère

Ragréage de la dalle d’essai


Maquette: construction plateforme


Maquette: construction dalles BC3

Mise en place des jauges Coulage

Coffrage



Maquette: construction dalles BC5

Amenée du béton Talochage



• Chargement statique et cyclique (10 millions de cycles à 2,5 Hz)

• validation du modèle aux EF utilisé


Maquette: chargements


• validation des fibres optiques comme outil de monitoring


Maquette: chargements


• bon comportement de la structure

• démontage facile

• validation du concept et du pré-dimensionnement

• passage au prototype


Maquette: bilan


• 2x1km de voie NBT installés près de Sérifontaine sur la ligne Serqueux-Gisors

• Construction Alstom: printemps 2013

• Mise en service: 16/12/2013


Tronçon expérimental


• Traitement du sol pour atteindre une portance de 120MPa

– Remblai sable/ciment 30cm

• Mise en place du drainage enterré

• Mise en place de la dalle de

fondation non ferraillée par

coffrage glissant


Tronçon expérimental: construction


• Installation de la dalle de voie avec le convoi APPITRACK

– Mise en place des armatures

– Mise en place de la dalle avec un coffrage

glissant

– Insertion des systèmes d’attache




– Construction manuelle « top-down »

• Installation de l’appareil de voie




• Zone de transition

– Longue de 25m

– Ballast confiné / Semelles sous traverses

– Ballast sur dalle béton / Semelles sous traverses

– Rails raidisseurs

– Evolution de la raideur des semelles sous rail


Tronçon expérimental


Bilan chantier

• Bavures BC5 se détachent facilement du BC3

• Non collage entre BC3 et BC5



Bilan chantier

• Seules 6 fissures de réflexion du joint BC5 dans le

BC3 sur l’ensemble du tronçon

• confirmation du non collage



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Tronçon expérimental: mise en service

Projet NBT- T. Sedran, C. Masson

• Mise en service: 16/12/2013


Sollicitations

climatiques (rapports météo France)

Dalle de voie

Dalle de fondation

EFFORTS

DANS LES DALLES RANGE : ± 1000 µε

UNCERTAINTY : ± 10 µε

DISTRIBUTION

VERTICALE DE LA

TEMPÉRATURE

RANGE : -30°C / +80°C

UNCERTAINTY : ± 0.5°C

DÉPLACEMENTS

RELATIFS DES

DALLES RANGE : ± 5 mm

UNCERTAINTY : ± 0.1mm

EFFORTS AU

CONTACT ROUE-

RAIL RANGE : 0 to 150kN

UNCERTAINTY : ± 0.6kN (vertical)

∆z

• Chaine de 150 capteurs

• Mesures par fibre optique


Tronçon expérimental: instrumentation


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Exemple capteurs 3 et 2 Réalisées automatiquement au passage de chaque train (4 par jour)

• Fréquence d’échantillonnage: 2000 Hz/voie

• 4 voies de mesures: +/-5g

• Déclanchement de la mesure au passage du train (trigger)

• Pré trigger de 1 s

• Post trigger de 5s

• Fichier de 12 0000 points

• Envoi par 3G sur serveur distant accès permanent aux fichiers

Mesures d’accélérations



Masse en service

50 t

Longueur hors tampons 28.900 m

Empattement

17.500 m

Empattement du bogie 2.100 m

Diamètre des roues

Ø840 mm

30


0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

-0,30 -0,20 -0,10 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

Dé

flex

ion

(m

m)

Gradient (°C/cm)

Déflexion vs Gradient

Train de 6h30

train de 8h30

train de 16h50

train de 18h55

31



• Enregistrement des gradients thermiques sur 1 an:

– de -0,3 à 0,7°C/cm

– les hypothèses de calcul (de -0,6 à 0,8°C/cm) étaient sécuritaires

• Les mesures de déformations expérimentales sont cohérentes avec les valeurs prédites par le modèle

• Pas de dégradation de la structure depuis la mise en service

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Bilan du monitoring

Projet NBT- T. Sedran, C. Masson


• Hypothèses:

– Projet type LGV ~100km

– Trafic mixte grande vitesse/fret

– Tracé incluant sections sur ouvrages (viaducs et tunnels)

– Cycle de vie analysé sur 50 ans

– Comparaison avec voie ballast et autre voie béton (type Rheda)

– Coûts de construction et de maintenance de la voie uniquement

– Taux d’actualisation (6%) et d’inflation (3%)

• Sources:

– Coûts de construction voies : ALSTOM

– Coûts de maintenance: • SETRA

• SNCF Réseau (RFF)


Analyse des coûts sur le cycle de vie


Analyse des coûts sur le cycle de vie

• Résultats CAPEX :

– Coûts construction: • NBT : + 30% par rapport à la voie ballast

• NBT < autre solution voie béton

– Gains possibles sur le génie civil grâce à une emprise moindre

– Gains possibles sur le tracé grâce à des dévers supérieurs

• Résultats OPEX :

– Coût global NBT < coût global ballast après 15-20ans de mise en service

– Gains commerciaux possibles grâce à la plus grande disponibilité de la voie



• Un partenariat fructueux de l’idée au prototype en passant par le laboratoire: de la page blanche au prototype en 7 ans

• Un bon comportement du prototype après 15 mois de circulation

• Une conception de voie optimisée de faible emprise permettant une diminution des ouvrages

• Une conception permettant une construction automatisée à très haut rendement

• Un faible besoin en maintenance

Une grande disponibilité

Un coût sur le cycle de vie réduit


Conclusions


Conclusions

• Maintenance – Les fissures peuvent être réparées sans

impact sur le trafic

– En cas de défaillance structurelle localisée :

• Les dalles peuvent être retirées (pas de renforcement continu)

• Remplacement par coulage en place ou dalle préfabriquée

– Rails et attaches: idem voie ballastée

• La stabilité géométrique devrait réduire les besoins en monitoring et l’ajustement des caténaires



Merci de votre attention Pour plus d’information: [email protected], [email protected]

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Documents

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