Infrastructures ferroviaires : Comment contrôler l’efficacité vibratoire de vos poses de voie ?

Les types de pose de voie ferroviaire sont de plus en plus complexes et évolués. L’une des fonctions de ces poses est la diminution de la propagation des vibrations entre le contact/roue-rail et le sol. Pour que l’atténuation soit efficace, un dimensionnement optimisé et une mise en œuvre soignée doivent être exécutés. Pour s’en assurer, la réalisation de contrôles est donc indispensable. Mais, que cherche-t-on vraiment à contrôler ?

Pourquoi différents types de poses de voie ?

Lors de la construction d’une nouvelle ligne ferroviaire (tramway, métro, train…) le choix du type de pose de voie est un élément clé de gestion l’impact vibratoire dans l’environnement. Bien dimensionnée, la répartition de ces poses, ou synoptique de pose de voie, permet de limiter la gêne induite au passage des rames. Nous y reviendrons bientôt dans une prochaine newsletter.

Il existe aujourd’hui une multitude de poses de voie différentes avec des applications plus ou moins polyvalentes. Nous pouvons citer quelques exemples :

  • Pose sur ballast, très utilisée en milieu ferroviaire lourd (train, TGV, FRET…) ;
  • Pose sur dalle béton, traverse noyée, très utilisée pour du matériel roulant en surface plus léger comme du tramway ;
  • Pose sur dalle béton, avec chausson sous-traverses, très utilisée en métro ;
  • Pose sur dalle flottante ;
  • Pose sur longrine béton avec semelle souple…
Controle pose de voie

Pour chacune de ces poses, même si ce n’est pas sa fonction première (plutôt mécanique), l’interposition de matériaux résilients entre le rail et le sol permet la limitation de la propagation des vibrations émanant du contact roue-rail. Celui-ci peut se faire à différents étages de la structure (par exemple : entre la traverse et la dalle, sous la dalle béton…) et parfois à plusieurs étages différents (semelle sous rail + tapis sous dalle = pose sur dalle flottante).

Chaque type de pose a une performance d’atténuation vibratoire qui lui est propre.

Pour contrôler ou estimer ces atténuations, plusieurs types d’indicateurs peuvent être utilisés.

TL, IL, F0, voie chargée, non-chargée, au passage, au marteau de choc… S’y retrouver dans les termes

Lors de la rédaction d’un CCTP voie (MOa ou MOe), quels objectifs de performance fixer et comment les objectiver ? D’un autre point de vue, à la lecture d’un CCTP pour la mise en œuvre d’une voie ferrée (entreprise de pose) pourquoi les mesures de contrôle sont différentes d’un projet à l’autre ?

Plusieurs techniques existent pour mesurer la capacité d’une pose à atténuer les vibrations.

Quatre familles d’indicateurs avec deux techniques pour générer les vibrations sont principalement utilisées.

Technique de mesure

La génération des vibrations nécessaires à la mesure peuvent être de deux types.

  • Au passage de rame
    • L’avantage majeur est d’être parfaitement représentatif de la situation ;
    • L’inconvénient majeur est de ne pas pouvoir être fait… tant qu’il n’y a pas de rame ! Cette technique n’est donc pas faisable en phase chantier.
  • Au marteau de choc*
    • L’avantage majeur est de pouvoir être fait à n’importe quel moment de la vie d’un chantier.
    • Le désavantage de cette technique est qu’elle peut ne pas être tout à fait représentative des interactions voie/matériel roulant en situation (charge notamment).

*Un marteau de choc ? C’est une masse (5kg environ) équipée d’un capteur de force. Il est utilisé pour générer une vibration dans le rail, par le choc du marteau. Pas d’inquiétude pour l’état de surface du rail, l’embout est relativement mou (un peu comme un maillet de carreleur).

mesures-voix

Indicateurs

Les quatre principaux indicateurs d’efficacité de pose de voie sont les suivants :

  • La perte par transmission ou TL (Transmission Loss) : c’est l’indicateur le plus simple à aborder puisque c’est la différence directe entre deux capteurs placés en amont et en aval du résilient. La difficulté réside dans le choix du placement des capteurs qui nécessite une bonne connaissance de la structure qui est analysée. Attention tout de même à l’interprétation des résultats ; par exemple : le TL d’une semelle cannelée (semelle sous rail de référence, dite « sans atténuation ») est supérieur à 10 dB dans des gammes de fréquence haute.
  • La perte par insertion ou IL (Insertion Loss) : c’est le Graal inatteignable mais approchable. Le principe de cet indicateur est d’estimer le gain apporté par rapport à une pose de référence. En toute rigueur, pour le mesurer, il faudrait faire des mesures sur un site, changer la pose (mais pas le rail !) et refaire les mesures. Pas facile à mettre en œuvre ! L’état de l’art consiste donc à comparer les TL d’une pose dite « atténuée » à la pose de référence. Quid de la pose de référence (ballast standard, béton, quelle épaisseur, quel sol) ? Avec de l’anticipation (en phase étude), on peut répondre à cette question.
  • La fréquence propre : Le principe de cet indicateur est de détecter la fréquence propre du système de suspension et de la comparer à celle déterminée en amont au cours des études EXE. Ici, c’est un spectre (fréquences) qui est comparé et non des niveaux. Elle ne concerne qu’un seul élément souple de la pose. Si plusieurs éléments souples (par exemple : semelles + chaussons) et/ou déformables (par exemple : rail, élément de traverse) sont présents il faudra trier les résonances pour faire ressortir celle qui nous intéresse.
  • Le niveau vibratoire au passage (intérieur ou pied de bâtiment) : juge de paix en termes de contrôle, il ne permet pas de caractériser la seule efficacité de la pose de voie, mais de l’ensemble [matériel roulant + voie + sol + couplage bâtiment]. Ce contrôle peut être fait au pied des bâtiments concernés, si des objectifs y ont été fixés, ou directement à l’intérieur lors des phases d’exploitations ou de marche à blanc.

Nota : On aperçoit souvent dans les CCTP et études des poses dites « -10dB » ou « -20dB ». Ces valeurs d’atténuations sont historiques et liées aux technologies qu’elles embarquent (respectivement semelles/chaussons souples et dalle flottante). C’est un abus de langage qui peut induire en erreur puisque ces atténuations ne sont valables que pour une fréquence particulière (souvent 63 Hz). Elles sont parfois plus élevées en haute fréquence et plus faible en basse fréquence. Dans ce cas, le choix de la gamme fréquentielle et de l’indicateur (TL ou IL) est primordial.

Conseil Groupe GAMBA : Préférez les termes « Type 0 », « Type 1 »… par exemple, cela pourra éviter des quiproquos.

Si cela s’avère nécessaire, une correction de la charge peut être faite directement sur site (en amenant une charge représentative de celle à l’essieu d’une rame) ou par calcul.

Nous n’allons pas aborder les techniques calculatoires dans cette newsletter mais les principes des données de sorties restent les mêmes.

Différentes phases de travaux, différents tests

Tous les indicateurs et techniques cités précédemment ont un intérêt pour contrôler les performances vibratoires des poses de voie, en fonction de la phase du projet.

De plus, chaque indicateur est plus ou moins complexe à mesurer et le temps à passer pour des mesures au marteau vis-à-vis du temps pour des mesures aux passages de rame va du simple au double.

Pour équilibrer la balance qualité et enveloppe budgétaire allouée aux contrôles, la quantité et le type de mesurage doivent être réfléchis.

Pour mettre en application tout ça, quelques points de repère :

  • Au début du projet (construction des premiers tronçons), la validation de la fréquence propre du système constructif permet de vérifier la cohérence avec les études EXE. Il est donc préférable de faire la mesure sur chaque type de pose présente sur le projet. Fait en quantité suffisante et aux bons endroits, elle peut aussi permettre de repérer des points durs liés à un défaut de mise en œuvre.
  • En phase travaux, des mesures plus simples comme le TL au marteau de choc peuvent aussi permettre de repérer des ponts vibratoires liés à un défaut de manière localisée. Ce contrôle peut aisément être fait en quantité, le long d’un linéaire, au fur et à mesure de la réalisation du chantier. Les nouvelles technologies nous permettent d’obtenir une estimation des résultats en temps réel sur cet indicateur. Ainsi cela permettra de réagir rapidement et de faire une reprise peu coûteuse avant le coulage des revêtements par exemple.
  • Enfin à la réception du projet, un AOR doit considérer l’ensemble de la chaîne. Des mesures au passage de rames sont donc à privilégier. Les performances intrinsèques peuvent donc être validées en situation réelle, mais aussi le niveau absolu de vibration au passage, à l’extérieur ou à l’intérieur des bâtiments à protéger. Au passage des rames l’influence de la rugosité du rail et de la vitesse de passage sont des facteurs non négligeables (pouvant faire varier le résultat de plusieurs décibels). Nous conseillons donc de les coupler systématiquement à ce type de contrôle.

Groupe GAMBA peut accompagner ses clients, de l’étude du synoptique de pose jusqu’à la mesure de réception, en passant par la rédaction du CCTP sur les sujets acoustiques et vibratoires.

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