10/03/20131BÉNÉFICES DES USPs BÉNÉFICES DES PATINS EN PUR (USPs) SOUS TRAVERSES DE LGV

10/03/2013 1BÉNÉFICES DES USPs

BÉNÉFICES DES PATINS EN PUR (USPs)

SOUS TRAVERSES DE LGV

210/03/2013 BÉNÉFICES DES USPs

SOMMAIRE

BÉNÉFICES DES PATINS EN PUR (USPs) SOUS TRAVERSES DE LGV

1. DÉFINITION

2. POURQUOI LES USPs?

3. BREF HISTORIQUE

4. LE CAOUTCHOUC DE POLYURÉTHANE

5. ÉTUDE DE RENTABILITÉ

6. CONCLUSION

Réserves : les calculs de rentabilité exposés ci-après doivent être lus comme de simples hypothèses de calcul dérivées de données disponibles en ligne (conférences, données publiques, etc)

Toutes remarques et suggestions sur la présente étude sont les bienvenues : écrire à [email protected]

3

Référence USP Type d’USPAmélioration de la

tenue de la géométrie de la voie

Protection du ballast Réduction des défauts ondulatoires

Réduction des vibrations

- Sans USP = = = =

A (PRA) Hard / Medium + + + = =

M Medium + = = =

S Medium / Soft + = + +

V Soft / Very Soft + - + + + + Source : RFF et UIC


1.Définition

L’appellation (anglo-saxonne) « Under Sleeper Pads » (USPs) est maintenant généralisée, y compris en France.

• Ces patins étaient autrefois appelés « Patins Réducteurs d’Attrition » (PRAs), nom technique choisi par les ingénieurs de la SNCF.

• Il existe plusieurs types d’USPs ayant des fonctions spécifiques dans des contextes précis. Ainsi, les USPs de type A sont affectés exclusivement aux LGV alors que les USPs de type S (Medium/Soft) ou V (soft/Very soft) s’adressent principalement aux transports urbains et aux voies sur dalle. • Le présent document porte uniquement sur la catégorie ’A’, qui concerne la grande vitesse.


1ère réponse: des avantages bien connus:

• sur les ouvrages d’art

• dans les tunnels

• sous les appareils de voie

• dans les zones de transition

2.Pourquoi les USPs ?

Gains d’épaisseur de ballast

Meilleure répartition des sollicitations


2ème réponse :une économie considérable sur les travaux de maintenance

À très juste titre, en France on appelait les USPs pour la Grande Vitesse, des Patins Réducteurs d’ Attrition (PRAs).

Il s’agit bien entendu de l’attrition (usure) du ballast.

Rappel de la double fonction de ce dernier :

• Diminuer la transmission des sollicitations dynamiques entre le rail et le ballast • Amortir dans une certaine mesure l’impact du passage des convois



Des répartisseurs de pression absolument nécessaires ! Autrefois, les angles vifs du ballast s’encastraient légèrement dans les traverses en BOIS générant un grand nombre de points de contact avec la base des traverses.

La base des traverses en béton, qu’elles soient monobloc ou bi-blocs, n’offre pas cette possibilité de légère pénétration, et les angles vifs de ballast s’émoussent au contact du béton.En outre et surtout du fait de la dureté de la surface béton, le nombre de points de contact avec la base des traverses béton est plus réduit par rapport au bois: il est estimé à 6% seulement. En conséquence la géométrie de la voie se dégrade rapidement.


En même temps l’érosion du ballast par attrition produit des “fines” qui obstruent les interstices entre le ballast, augmentant progressivement la raideur de la voie, et réduisant significativement le drainage des eaux zénithales avec de multiples conséquences sur la dégradation des caractéristiques de la voie.



Avec les USP, le ballast est préservé durablement

Suivant des mesures concordantes, les patins élastomères placés sous les traverses béton répartissent la pression sur une surface au moins TROIS fois supérieure à celle des traverses nues:

On mesure en général plus de 20% de surface en contact : c’est ce rapport de 1 à 3 qui peut-être corrélé avec les économies de maintenance obtenues avec les traverses équipées d’USPs, et que nous retrouverons dans les calculs de rentabilité qui suivent.

Cette corrélation dépend, à durée égale, des contraintes supportées: Le tonnage supporté (groupe UIC), La vitesse (moyenne et en pointe), Le type des convois (rames TGV, rames ICE, rames Fret,…Mixité ou non)


Le principe des USPs est connu et reconnu depuis plus de 20 ans !

3.Bref historique

À l’origine, un brevet français SNCF/SERP: ce brevet décrit les avantages obtenus par des couches élastomères projetées sur les bases des traverses, mais ce procédé est de mise en œuvre délicate et fût abandonné.Lors de l’industrialisation du concept, le principe de « Patins Réducteurs d’Attrition » (PRAs) obtenus ailleurs que sur les sites d’utilisation s’est imposé.

Depuis plus de 11 ans, les USPs ou PRAs sont utilisés avec des résultats spectaculaires, en particulier sur une dizaine de kms de la ligne TGV Lyon-Méditerranée, dans des conditions “extrêmes”: fort trafic, et 320 km/h.Dans les mêmes conditions, la ligne LGV EST phase 1 a subi des dégradations rapides et fortes et RFF a décidé d’équiper d’ USPs la phase 2, sur plus de 100 km.


Quelle méthode d’assemblage ?

3.Bref historique

La difficulté principale a consisté à sécuriser l’adhésion des USPs dans les traverses béton de façon à résister à toute forme de délamination par vibration, séchage de colle etc.

Plusieurs techniques ont été développées pour assurer le bon scellement des patins sur la base des traverses:

• Une première technique comportait une interface cailloux

• Plusieurs fabricants ont utilisé une membrane géotextile

• La technique proposée par FIMOR (Brevet en cours) consiste en des moyens d’accroche sans colle ni interface rapportée: la surface du patin est hérissée d’une sorte de rivets dans le même matériau que la semelle elle-même et d’une forme calculée pour se bloquer dans le béton vibré.


3.Bref historique

FIMOR a en effet breveté récemment une semelle sans colle et sans moyen d’accroche rapporté, donc élaborée seulement avec du PU. Le dessin à picots intégrés présente plusieurs avantages :

• Accroche facile et homogène dans le béton en vibration.

• Très bonne résistance à l’arrachement grâce à la présence des picots.

• Epaisseur homogène au lieu d’une dispersion de plusieurs millimètres constatée sur des modèles avec films rapportés.

• Dureté shore homogène.

• Avantage économique dû à la productionautomatisée en grande série.

Solution FIMOR

Malgré l’acuité du problème des coûts de maintenance, et de leur difficulté logistique: trois à quatre heures en moyenne, au cœur de la nuit entre la dernière rame du soir et la première du matin, pour intervenir en bourrage, les ingénieurs furent, à l’origine, dubitatifs sur l’utilité des USPs.

On peut comprendre ces interrogations, notamment eu égard à l’offre de matériaux en élastomères classiques et même parfois en polymères injectés, qui effectivement ont peu de chances de passer la première décennie.


4.Le caoutchouc de Polyuréthane

Voie Grande Vitesse, ton Univers Impitoyable...

• Comment un morceau de plastique peut-il accroître la résistance d’un ensemble rail+traverses+ballast ?• Comment va-t-il résister à la pression, à la pose et aux bourrages, à l’environnement notamment climatique: ne va-t-il pas se désagréger sous l’action du ballast, s’arracher ?


COMPORTEMENTS MECANIQUES DE L’USPRaideur : selon la norme SNCF, 0,370 N/mm3 en statiqueDureté : selon la norme NF ISO 868Résistance à la traction : selon la norme utilisée NF ISO 37Résistance au cisaillement : selon la norme utilisée NF ISO 34-1

COMPORTEMENTS AU FEU DE L’USPClassements F et I selon la norme utilisée NF F ISO 16-102

COMPORTEMENTS CHIMIQUES DE L’USPRésistance aux hydrocarbures : selon la norme NF ISO 1817Résistance à l’ozone : selon la norme utilisée ISO 1431-1 méthode ARésistance aux agents chimiques liés à la fabrication des traverses : selon la norme ISO 175

TESTS LIÉS AU MARCHÉ DES USPsLe VIBROGIR (ou usure par la plaque à ballast) : norme SNCFLa tenue à l’arrachement de l’USP dans le béton : norme SNCF

Les critères stricts définis par la SNCF


Comme indiqué, nous parlons ici des patins de catégorie ’A’, destinés à la grande vitesse.

Micro duromètre shore


Une famille de polymères qui tient la distance


T° -10°c à +40°c : Large plage d’utilisation

Résilience

Résistance déchirure

Durée de vie

HydrolyseRésistance allongement

Anti bruits et vibrations

Capacité d’amortissement• 1,7 supérieur à l’EVA entre -10 et +10°c

Résistance abrasion• 2 fois supérieur à l’EVA• de 4 à 10 fois supérieur autres matériaux


Il n’est pas question de changer les USPs, ils DOIVENT durer autant que les traverses, contrairement aux semelles sous-rail.

Objectif 50 ans et plus !

Exemples d’utilisation de PUR à très longue durée :

• Supports de tabliers de ponts• Enveloppes de câbles sous-marins transatlantiques



1°/ Depuis plus de 10 ans, des USPs en élastomères de polyuréthane (PUR) ont fonctionné à V320 sur la LGV MEDITERANNÉE (LN5) sur une dizaine de kilomètres équipés de plusieurs épaisseurs de ballast. L’usure du ballast et le nombre de bourrage a été divisé par plus de 3, y compris sur les zones de hauteur de ballast fortement réduite (25 cm au lieu de 35 cm).

2°/ A contrario, on a constaté une dégradation extrêmement rapide à V320 sur le même tronçon de la LGV EST non équipée d’USPs.

Nous disposons de 2 terrains d’étude particulièrement remarquables, et de chiffres qui ont été exposés pour partie à VTM, pour partie sur le web et

dans les revues techniques.


En clair, il n’y a aucune raison économique, bien au contraire de réserver les USPs aux seuls ouvrages d’art, appareils de voie et autres zones de transition.


À ce jour il n’est prévu d’équiper que le prolongement de la LGV EST (c’est commencé!) avec des USPs:

pourquoi?

Mais alors qu’attend-t-on ???


L’utilisation de patins réducteurs d’attrition génère un investissement supplémentaire, modeste au kilomètre mais significatif sur une grande longueur.La non utilisation d’USPs relève plus d’une décision financière à TRÈS court terme que d’un calcul tenant compte des contraintes et des coûts liés à la maintenance des voies ferrées, et partant à leur coût d’exploitation.

17

Nous sommes en 2015 et nous avons décidé de créer une LGV de 300 km…

Nous devrions d’abord envisager un surcoûtdû aux USPs d’environ 40.000 euro par km de Voies (1666 traverses/km),

Pourquoi ferions-nous cela ???


Pour essayer de chiffrer le rapport coût/bénéfice des USPs, nous ferons l’hypothèse suivante:

5.Étude de rentabilité


Nous nous en tiendrons à trois cas de figure simplifiés:

3. Prise en compte de la nature des convois: charge à l’essieu, mais surtout “MIXITÉ” possible du trafic, avec alternance de TGV et de trains de marchandises ou passage de rames de conception différente (TGV/ICE).

NB: nous sommes conscients que d’autres paramètres sont à prendre en compte: choix des rails, des semelles et attaches, hauteur du ballast, importance des masses non suspendues, …


1. Prise en compte du tonnage annuel sur la voie considérée (ex: Faible = 5MT/an, Moyen = 10MT/an, Fort = 25MT/an).

2. Prise en compte de la vitesse des convois : on constate des changements qualitatifs dans les plages <V250, V250 à V300, V300 à V320 (au-delà de V320 on ne dispose pas de données chiffrées).


Nous appellerons donc :

CAS 1 : “Trafic faible” ET < V250

CAS 2 : “Trafic moyen” ET/OU V250 à 300ET/OU convois mixte

CAS 3 : “Trafic fort” ET/OU V300 à 320ET/OU convois mixtesà trafic moyen à fort

*ces cas sont donnés comme équivalents au niveau du vieillissement de la structure support; il faut les

considérer comme des probabilités, d’autant plus fortes que les cas sont présents en nombre.

*

*


Cas 1 : "trafic faible" = < 10MT/an et < V250Cas 2 : "trafic moyen" = 10-25MT/an et/ou V250 à V300Cas 3 : "trafic fort" = >25MT/an et/ou V300 à V320 et/ou trafic mixte type 17tonne essieux + 22,5t ou mélange de convois conception ALSTOM et SIEMENS

Charge (Mt/an)

25

10

5

00 250 300 320

Vitesse (km/h)

TRAFIC FORT

TRAFIC MOYEN

TRAFIC FAIBLE

Zone non testéeusage grave-bitum

e ?

*



Données d’entrée pour une période de 50 années LGV SIMPLE VOIE

1. Supplément estimé de la paire d’USPs (traverse complète) montée: 37 500 euro/km /voie

2. Gain sur épaisseur du ballast de 5 cm = 21,50 euro/mètre: ce gain, immédiat, est DÉDUIT du coût d’acquisition des USPs dans les tableaux suivants (les USPs reviennent donc à moins de 20.000 euro/km)

3. Coût non actualisé moyen du bourrage (BML) : 7,50 euro/mètre, Fréquence sans USPs : Trafic Fort = 2 ans* Moyen = 3 ans Faible = 5 ans

4. Coût non actualisé moyen du Renouvellement du Ballast (RB) : 110 euro/mètre Fréquence sans USPs : Trafic Fort = 25ème année Moyen = 40ème année Faible = sans

5. Coût non actualisé moyen du Renouvellement de Voie (RVB) : 1200 euro/mètre (voie unique). Fréquence sans USPs : Trafic Fort = 40ème année Moyen = sans Faible = sans

6. Taux d’actualisation : 2% /an

7. Facteur de réduction de l’intensité de la maintenance grâce aux USPs : 3 (selon les études disponibles, le taux de réduction permis par les USPs atteindrait un facteur de 4, voire 5, ce qui rendrait encore beaucoup plus favorables les calculs de retours sur investissements qui suivent).

* 2 ans : cette périodicité est conservatrice = en fait actuellement le linéaire à retraiter sans USPs à V300-V320 atteint 60 à 65%.


Synthèse retour sur investissement USPs (300 km) SIMPLE VOIE


GAIN SUR LE COÛT DE MAINTENANCE EN MILLIONS D'EUROS

Années 0 5 15 25 50Trafic faible -5,1 -3,6 -0,6 2,4 8,4Trafic moyen -5,1 -3,6 2,4 6,9 40,9Trafic fort -5,1 -2,1 5,4 29,4 227,4Avec 2% d'actualisation annuelleTrafic faible -5,1 -3,5 -3,1 -2,7 17,3Trafic moyen -5,1 -3,5 3,7 10,4 83,0Trafic fort -5,1 -2,0 7,0 44,5 471,2



Synthèse retour sur investissement USPs (300 km)coûts non actualisés

Hors autres bénéfices dont coûts ralentissements

NB : courbes à pentes lissées sur 5 - 10 - 25 - 50 ans



Synthèse retour sur investissement USPs (300 km)coûts actualisés à 2% annuel

Hors autres bénéfices dont coûts ralentissements

NB : courbes à pentes lissées sur 5 – 10 – 25 – 50 ans


6.Conclusions

Quelles pistes convient-il d’explorer?

1. Intérêt des USPs à basse vitesse• réduire l’épaisseur du ballast: gain de10 cm et coûts associés très significatifs• réduire le niveau sonore en zone urbaine• rechercher le rapport raideur/épaisseur de ballast idéal• optimiser la raideur de l’empilage complet en tenant compte entre autres des semelles s/rails

2. Compléter les bilans économiques de la présente étude en prenant en compte la totalité des coûts directs évitables et le gain sur le temps de parcours (1 minute de retard est évaluée à 1000 euro par rame, les travaux engendrent des ralentissements significatifs (LTV) avec dégradation des conditions des temps de parcours).

3. Étudier des USPs de nouvelle génération, plus efficaces encore dans la mesure où ils engloberaient toute la partie inférieure des traverses, avec éventuellement un retour sur les côtés pour augmenter la stabilité transversale de la voie.

4. Pour maîtriser les coûts de maintenance dans les plages de vitesse > 320 (et jusqu’à 400 km/h?) analyser -entre autres solutions- l’efficacité de l’association grave-bitume + traverses équipées d’USPs

5. La technique ne suffit pas: il est nécessaire que des modèles économiques soient mis en place qui cessent d’opposer les intérêts des investisseurs à court terme et des exploitants à long terme.


6.Conclusions

Ce qui est déjà démontré

La maintenance n’est ni curative, ni même préventive, elle doit être prédictive.

1. Depuis plus de 20 ans les USPs (Patins Réducteur d’Attrition) sont passés du stade expérimental à la préservation économique démontrée de la rentabilité des LGV (V320), principalement en réduisant les coûts d’entretien des voies. C’est cette considération qui a motivé la décision de RFF d’équiper les 100 km de la LGV EST 2ème phase.

2. Le coût des USPs a diminué significativement du fait de l’industrialisation. Si l’on y associe une réduction de l’épaisseur de ballast, le retour sur investissement est rapide: entre 5 et 10 ans.

3. Leur rentabilité peut-être mise en évidence dès les cas de trafic « Moyen voire Faible ». L’objectif reste le même: conserver les caractéristiques géométriques de la voie par une réduction résolue de la maintenance.

4. Les USPs sont une condition sine qua non à V320 km/h, de la rentabilité de la future exploitation:Grâce au maintien des caractéristiques géométriques de la voie ballastée. En effet, chaque intervention de “bourrage”

de la voie génère une dégradation plus rapide du ballast (fracture du ballast sous l’impact des bourroirs), et provoque après son passage l’envol de particules de ballast.

Nos calculs indiquent que les économies de maintenance directement liées à la meilleure utilisation du ballast permise par les USPs s’élèvent en cumul sur 50 ans et sur 300 km de ligne ALLER-RETOUR à 455 Millions d’euros au total (942 Millions d’euros avec actualisation des coûts de maintenance à 2%/an).

5. Les USPs permettent de revenir à des dépenses mieux maitrisées, ce qui conditionne à terme l’équilibre d’exploitation, et donc le prix du billet et la compétitivité du train face aux autres moyens de transport.

BÉNÉFICES DES USPs 26

FIMOR LE MANS

10/03/2013

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