L'usure ondulatoire des rails associée aux vibrations de torsion des essieux de métro a été mise en évidence il y a près d'un demi siècle. L'utilisation d'absorbeurs dynamiques comme solution potentielle à ce problème a été suggérée pour la première fois dans le projet américain du TCRP "Rail Corrugation Mitigation in Transit" en 1998. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet européén "Wheel-rail CORRUGATION in Urban transport", a pour objectif de concevoir un absorbeur dynamique et d'étudier son influence sur la réduction de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion. Dans le cadre de ce travail, d'autres types d'usure ondulatoire ont également été traités par des absorbeurs dynamiques. Les trois premiers chapitres de cette thèse sont dédiés à la description des différents types d'usure ondulatoire et à la présentation des méthodes de prédiction. La méthode de dimensionnement des absorbeurs dynamiques est présentée au chapitre 4, ainsi que quelques perspectives de leur efficacité à réduire l'usure ondulatoire. Dans le chapitre 5, un tronçon réel du RER parisien a été étudié. D'une part les prédictions obtenues par différentes méthodes ont été comparées aux mesures sur site. D'autre part, le bénéfice résultant de l'utilisation d'un absorbeur dynamique a été étudié numériquement. Dans le chapitre 6, le cas de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion a été étudié spécifiquement. Un absorbeur dynamique a été développé pour réduire ce type d'usure ondulatoire. Son efficacité a été évaluée théoriquement et numériquement, avec un modèle multi-corps flexible du véhicule et de la voie. Dans le chapitre 7, un absorbeur dynamique visant à réduire les vibrations de torsion d'un essieu de métro à échelle réduite a été construit au laboratoire. Son efficacité a été validée expérimentalement en reproduisant les conditions d'apparition des vibrations de torsion de l'essieu sur le banc d'essais du Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'INRETS. La correspondance entre les prédictions d'usure à échelle réduite et à échelle réelle a été établie. Une demande de brevet a été déposée par le Laboratoire des Structures Actives pour ce système (N° 06120344.4).

Ce travail réalisé dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société ALSTOM Transport porte sur l'étude de la dégradation des voies ferrées urbaines. Les composantes de voie retenus pour cette étude sont le rail et la dalle de voie en béton. Concernant le rail, différents problèmes sont abordés : contact roue - rail, usure du rail, usure ondulatoire du rail, et fatigue de contact de roulement (RCF) du rail. Un outil numérique avec des interfaces graphiques, nommé CONUS, est développé pour le problème de contact roue - rail et le problème d'usure du rail. Des théories classiques (Hertz, Kalker, Archard, etc.) sont implantées dans cet outil. La méthode stationnaire est implantée dans un code de calcul par éléments finis pour étudier l'état asymptotique de l'acier du rail sous le chargement répété des trains. Ceci nous permet de prédire les régimes de RCF du rail. La mécanique de l'endommagement est utilisée pour prédire la fatigue du matériau béton. Le formalisme de Marigo couplé avec le modèle d'endommagement de Mazars permet de modéliser la dégradation progressive de la rigidité du matériau sous chargement cyclique. Une campagne d'essais de fatigue du béton en flexion a été réalisée. Elle a pour but de valider le modèle théorique et d'identifier les paramètres du matériau. Le dimensionnement d'une dalle de voie en béton a fait l'objet d'une application de cette méthode. Le modèle de réseau de poutres (lattice model) a été utilisé pour étudier la propagation des fissures dans les structures en béton. Ce modèle a été implanté dans le logiciel de calcul par éléments finis, CESAR-LCPC. Les résultats numériques (propagation de fissures) obtenus pour les structures simples sous chargement statique sont en tout point comparables avec les résultats d'essais expérimentaux. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier la fissuration sous chargement de fatigue. Pour cela un modèle d'endommagement simple modélisant la dégradation des éléments "poutres" s'est avéré suffisant pour décrire la cinématique de propagation des fissures

L'étude ferroviaire présentée dans ce mémoire traite de trois types de dégradations de profils des roues et des rails en service. Comme tous les solides devant assurer une liaison par contact, les roues et les rails ferroviaires sont affectés par des dégradations telles que l'usure et la fatigue. Dans un premier temps, on s'intéresse à l'usure régulière des profils des roues et des rails. Ce type d'usure influence en particulier la stabilité des véhicules, donc le confort et la sécurité. Nous exposons notre modèle de simulation numérique de l'usure transverse des profils ; sa validation étant assurée par des applications à des profils mesurés sur le réseau S.N.C.F. Nous abordons ensuite le phénomène d'usure irrégulière longitudinale des roues à grande vitesse. Nous traitons cette partie avec de nouvelles hypothèses sur un mécanisme d'apparition d'ondulations. L'origine de ce phénomène est due au couplage, à travers le contact, de la dynamique transversale des bogies et de la torsion de l'axe des essieux. En nous appuyant sur deux modèles de simulations numériques, nous montrons la validité des hypothèses et nous mettons en évidence le mécanisme d'usure irrégulière longitudinale des roues. La dernière partie est consacrée à la fatigue des rails soumis au contact roulant, on y étudie une forme particulière appelée le Head Checking. Une première phase, basée sur l'étude des efforts de contact dus au comportement en courbes de certains véhicules ferroviaires, nous permet d'isoler les caractéristiques du système véhicule-voie les plus contraignantes. Une seconde étape consiste à étudier les conditions d'amorçage des fissures par deux approches : le critère de Dang Van et la mécanique de l'endommagement. Les résultats obtenus nous permettent de proposer des dispositions qui semblent appropriées à la lutte contre le Head Checking.

Depuis plus d'un siècle, l’usure ondulatoire représente un des problèmes de maintenance les plus important pour les réseaux ferroviaires. Celle-ci est à l’origine d’émissions sonores incommodantes pour le voisinage et de vibrations structurelles pouvant réduire la durée de vie des infrastructures et matériels ferroviaires. Ce phénomène périodique présent à la surface des rails est intimement lié à la dynamique du contact roue-rail qui résulte des paramètres régissant le frottement, la dynamique du train et de la voie… Afin de mieux appréhender les conditions menant à l’apparition de l’usure ondulation, un modèle numérique a été proposé pour compenser l’impossibilité d’instrumenter localement et de façon fiable un contact roue-rail dynamiquement. Tout d'abord, un outil approprié a été choisi pour modéliser la dynamique du contact roue-rail afin de reproduire numérique de l’usure ondulatoire des voies rectilignes. Le code d'éléments finis dynamique implicite Abaqus a été choisi pour instrumenter numériquement localement le contact roue-rail. Ainsi, tant l'origine que l'évolution de l’usure ondulatoire dans des phases transitoires (accélération / décélération) sont étudiées. Une étude de sensibilité a été menée pour mettre en évidence la sensibilité de l’usure ondulatoire apparaissant dans des conditions transitoires au passage d’une ou plusieurs roues ainsi que d’un défaut géométrique présent à la surface du rail. Des conditions dynamiques locales d’adhérence-glissement (stick-slip), liées à la dynamique de la roue et du rail couplés par le contact, est identifié comme origine de l’usure ondulatoire des voies rectilignes dans des conditions transitoires. Deuxièmement, les résultats obtenues avec le modèles précédent ont mis en évidence une décroissance de l’amplitude de l’usure ondulatoire reproduire numérique en fonction du nombre de roue passant sur le rail. Ce résultat semble être en contradiction avec les observations de rails réels. Ce problème est lié à la difficulté de gérer la dynamique de contact, et tout particulièrement dans le cas où il y a des impacts locaux, dans les modèles éléments finis classiques tels que ceux implémentés dans Abaqus. Pour palier ce problème, une méthode de masser redistribuée a été implémentée dans Abaqus et utilisée sur le cas précédent. Les résultats montrent un accroissement plus réaliste de l’usure ondulatoire en fonction du nombre de roues. / For more than a century, rail corrugation has been exposed as one of the most serious problems experienced in railway networks. It also comes with a series of problems for maintenance, such as rolling noises and structural vibrations that can reduce lifetime of both train and track. This periodical phenomenon on rail surface is closely linked to wheel-rail contact dynamic, which depends on friction, train dynamics… To better understand corrugation birth conditions, a numerical model is suggested to complement the experimental limitations and to instrument a wheel-rail contact both locally and dynamically. At first, an appropriate tool was chosen to create the dynamic wheel-rail contact model to reproduce straight-track corrugation, also called “short-pitch” corrugation. The implicit dynamic finite element code Abaqus was chosen to investigate the dynamic local contact conditions. Both the origin and the evolution of straight-track corrugation under transient conditions (acceleration / deceleration) are studied. The parametrical sensibility of corrugation is thus investigated both with single/multiple wheel passing(s) and with geometric defect. A stick-slip phenomenon, linked to both wheel and rail dynamics coupled through the contact, is identified as the root of straight-track corrugation under transient conditions. Secondly, results obtained with the previous model have highlighted a quick decrease of corrugation amplitude with the increase of wheel passings over the rail. This last result seems to be in contradiction with reality. This problem comes from the difficulty to reliably manage contact dynamics, and particularly with local impacts, with the use of classical finite element models such as the one implemented in Abaqus. To compensate for this lack, a mass redistribution method is implemented in Abaqus and used with the previous case. The results show a more realistic corrugation growth according to the number of wheel passings.

Ce travail réalisé dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société ALSTOM Transport porte sur l'étude de la dégradation des voies ferrées urbaines. Les composantes de voie retenus pour cette étude sont le rail et la dalle de voie en béton. Concernant le rail, différents problèmes sont abordés : contact roue – rail, usure du rail, usure ondulatoire du rail, et fatigue de contact de roulement (RCF) du rail. Un outil numérique avec des interfaces graphiques, nommé CONUS, est développé pour le problème de contact roue – rail et le problème d'usure du rail. Des théories classiques (Hertz, Kalker, Archard, etc.) sont implantées dans cet outil. La méthode stationnaire est implantée dans un code de calcul par éléments finis pour étudier l'état asymptotique de l'acier du rail sous le chargement répété des trains. Ceci nous permet de prédire les régimes de RCF du rail. La mécanique de l'endommagement est utilisée pour prédire la fatigue du matériau béton. Le formalisme de Marigo couplé avec le modèle d'endommagement de Mazars permet de modéliser la dégradation progressive de la rigidité du matériau sous chargement cyclique. Une campagne d'essais de fatigue du béton en flexion a été réalisée. Elle a pour but de valider le modèle théorique et d'identifier les paramètres du matériau. Le dimensionnement d'une dalle de voie en béton a fait l'objet d'une application de cette méthode. Le modèle de réseau de poutres (lattice model) a été utilisé pour étudier la propagation des fissures dans les structures en béton. Ce modèle a été implanté dans le logiciel de calcul par éléments finis, CESAR-LCPC. Les résultats numériques (propagation de fissures) obtenus pour les structures simples sous chargement statique sont en tout point comparables avec les résultats d'essais expérimentaux. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier la fissuration sous chargement de fatigue. Pour cela un modèle d'endommagement simple modélisant la dégradation des éléments «poutres» s'est avéré suffisant pour décrire la cinématique de propagation des fissures / This work is part of the collaboration between the laboratory Navier (UMR ENPC /IFSTTAR/ CNRS) and ALSTOM Transport company (TGS/Trackway). It focuses on the study of the degradation of urban railways. The components of track considered in this study are the rail and the concrete slab. Regarding the rail, different problems are discussed : wheel – rail contact, rail wear, rail corrugation and rolling contact fatigue (RCF). A numerical tool with graphical interfaces, called CONUS, is developed to predict the behaviour of the wheel - rail contact, the rail wear, and the rail corrugation problems. Classical theories (Hertz, Kalker, Archard, etc...) are implemented in this tool. The stationary method is implemented in a finite element software to study the asymptotic state of the rail steel under repeated loading of trains.The damage mechanics is used to predict the fatigue life of concrete. Marigo's formalism coupled with Mazars' damage model is used to predict the gradual degradation of material stiffness under cyclic loading. A campaign of fatigue tests for concrete in bending was conducted. It aims at validating the theoretical model and identifying material parameters. We applied this method in order to design the concrete slabs of urban railway. The lattice model was used to study the crack propagation in concrete structures. This model was implemented in the finite element software, CESAR-LCPC. The numerical results obtained for simple structures under static loading are consistent with the results of laboratory experiments. This model was then used to study the crack propagation under fatigue loading. For that purpose, a simple damage model of degradation of the "beams" elements describes the kinematics of crack propagation with a satisfying accuracy

L'usure ondulatoire des rails associée aux vibrations de torsion des essieux de métro a été mise en évidence il y a près d'un demi siècle. L'utilisation d'absorbeurs dynamiques comme solution potentielle à ce problème a été suggérée pour la première fois dans le projet américain du TCRP "Rail Corrugation Mitigation in Transit" en 1998. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet européén "Wheel-rail CORRUGATION in Urban transport", a pour objectif de concevoir un absorbeur dynamique et d'étudier son influence sur la réduction de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion. Dans le cadre de ce travail, d'autres types d'usure ondulatoire ont également été traités par des absorbeurs dynamiques.<p><p>Les trois premiers chapitres de cette thèse sont dédiés à la description des différents types d'usure ondulatoire et à la présentation des méthodes de prédiction. La méthode de dimensionnement des absorbeurs dynamiques est présentée au chapitre 4, ainsi que quelques perspectives de leur efficacité à réduire l'usure ondulatoire. Dans le chapitre 5, un tronçon réel du RER parisien a été étudié. D'une part les prédictions obtenues par différentes méthodes ont été comparées aux mesures sur site. D'autre part, le bénéfice résultant de l'utilisation d'un absorbeur dynamique a été étudié numériquement. Dans le chapitre 6, le cas de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion a été étudié spécifiquement. Un absorbeur dynamique a été développé pour réduire ce type d'usure ondulatoire. Son efficacité a été évaluée théoriquement et numériquement, avec un modèle multi-corps flexible du véhicule et de la voie. Dans le chapitre 7, un absorbeur dynamique visant à réduire les vibrations de torsion d'un essieu de métro à échelle réduite a été construit au laboratoire. Son efficacité a été validée expérimentalement en reproduisant les conditions d'apparition des vibrations de torsion de l'essieu sur le banc d'essais du Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'INRETS. La correspondance entre les prédictions d'usure à échelle réduite et à échelle réelle a été établie. Une demande de brevet a été déposée par le Laboratoire des Structures Actives pour ce système (N° 06120344.4). / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished