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

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1 10/03/20131BÉNÉFICES DES USPs BÉNÉFICES DES PATINS EN PUR (USPs) SOUS TRAVERSES DE LGV

2 210/03/2013BÉNÉFICES 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

3 3 Référence USPType dUSP Amélioration 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 10/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 1.Définition Lappellation (anglo-saxonne) « Under Sleeper Pads » (USPs) est maintenant généralisée, y compris en France. Ces patins étaient autrefois appelés « Patins Réducteurs dAttrition » (PRAs), nom technique choisi par les ingénieurs de la SNCF. Il existe plusieurs types dUSPs 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) sadressent principalement aux transports urbains et aux voies sur dalle. Le présent document porte uniquement sur la catégorie A, qui concerne la grande vitesse.

4 410/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 1 ère réponse: des avantages bien connus: sur les ouvrages dart dans les tunnels sous les appareils de voie dans les zones de transition 2.Pourquoi les USPs ? Gains dépaisseur de ballast Meilleure répartition des sollicitations

5 510/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 2 ème 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 sagit bien entendu de lattrition (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 limpact du passage des convois 2.Pourquoi les USPs ?

6 610/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Des répartisseurs de pression absolument nécessaires ! Autrefois, les angles vifs du ballast sencastraient 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, quelles soient monobloc ou bi-blocs, noffre pas cette possibilité de légère pénétration, et les angles vifs de ballast sémoussent 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. 2.Pourquoi les USPs ? En même temps lérosion 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.

7 710/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 2.Pourquoi les USPs ? 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 : cest ce rapport de 1 à 3 qui peut-être corrélé avec les économies de maintenance obtenues avec les traverses équipées dUSPs, 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)

8 810/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Le principe des USPs est connu et reconnu depuis plus de 20 ans ! 3.Bref historique À lorigine, 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 lindustrialisation du concept, le principe de « Patins Réducteurs dAttrition » (PRAs) obtenus ailleurs que sur les sites dutilisation sest 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 déquiper d USPs la phase 2, sur plus de 100 km.

9 910/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Quelle méthode dassemblage ? 3.Bref historique La difficulté principale a consisté à sécuriser ladhésion 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 daccroche sans colle ni interface rapportée: la surface du patin est hérissée dune sorte de rivets dans le même matériau que la semelle elle-même et dune forme calculée pour se bloquer dans le béton vibré.

10 1010/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 3.Bref historique FIMOR a en effet breveté récemment une semelle sans colle et sans moyen daccroche 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 larrachement grâce à la présence des picots. Epaisseur homogène au lieu dune dispersion de plusieurs millimètres constatée sur des modèles avec films rapportés. Dureté shore homogène. Avantage économique dû à la production automatisée en grande série. Solution FIMOR

11 Malgré lacuité 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 lorigine, dubitatifs sur lutilité des USPs. On peut comprendre ces interrogations, notamment eu égard à loffre de matériaux en élastomères classiques et même parfois en polymères injectés, qui effectivement ont peu de chances de passer la première décennie. 1110/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 4.Le caoutchouc de Polyuréthane Voie Grande Vitesse, ton Univers Impitoyable... Comment un morceau de plastique peut-il accroître la résistance dun ensemble rail+traverses+ballast ? Comment va-t-il résister à la pression, à la pose et aux bourrages, à lenvironnement notamment climatique: ne va-t-il pas se désagréger sous laction du ballast, sarracher ?

12 1210/03/2013BÉNÉFICES DES USPs COMPORTEMENTS MECANIQUES DE LUSP Raideur : selon la norme SNCF, 0,370 N/mm3 en statique Dureté : selon la norme NF ISO 868 Résistance à la traction : selon la norme utilisée NF ISO 37 Résistance au cisaillement : selon la norme utilisée NF ISO 34-1 COMPORTEMENTS AU FEU DE LUSP Classements F et I selon la norme utilisée NF F ISO COMPORTEMENTS CHIMIQUES DE LUSP Résistance aux hydrocarbures : selon la norme NF ISO 1817 Résistance à lozone : selon la norme utilisée ISO méthode A Résistance aux agents chimiques liés à la fabrication des traverses : selon la norme ISO 175 TESTS LIÉS AU MARCHÉ DES USPs Le VIBROGIR (ou usure par la plaque à ballast) : norme SNCF La tenue à larrachement de lUSP dans le béton : norme SNCF Les critères stricts définis par la SNCF 4.Le caoutchouc de Polyuréthane Comme indiqué, nous parlons ici des patins de catégorie A, destinés à la grande vitesse. Micro duromètre shore

13 1310/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Une famille de polymères qui tient la distance 4.Le caoutchouc de Polyuréthane PURs POLYETHERS THERMO DURCISSABLES T° -10°c à +40°c : Large plage dutilisation Résilience Résistance déchirure Durée de vie Hydrolyse Résistance allongement Anti bruits et vibrations Capacité damortissement 1,7 supérieur à lEVA entre -10 et +10°c Résistance abrasion 2 fois supérieur à lEVA de 4 à 10 fois supérieur autres matériaux

14 1410/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Il nest pas question de changer les USPs, ils DOIVENT durer autant que les traverses, contrairement aux semelles sous-rail. Objectif 50 ans et plus ! Exemples dutilisation de PUR à très longue durée : Supports de tabliers de ponts Enveloppes de câbles sous- marins transatlantiques 4.Le caoutchouc de Polyuréthane

15 1510/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 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. Lusure 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 dUSPs. Nous disposons de 2 terrains détude particulièrement remarquables, et de chiffres qui ont été exposés pour partie à VTM, pour partie sur le web et dans les revues techniques. 4.Le caoutchouc de Polyuréthane En clair, il ny a aucune raison économique, bien au contraire de réserver les USPs aux seuls ouvrages dart, appareils de voie et autres zones de transition.

16 1610/03/2013BÉNÉFICES DES USPs À ce jour il nest prévu déquiper que le prolongement de la LGV EST (cest commencé!) avec des USPs: pourquoi? Mais alors quattend-t-on ??? 4.Le caoutchouc de Polyuréthane Lutilisation de patins réducteurs dattrition génère un investissement supplémentaire, modeste au kilomètre mais significatif sur une grande longueur. La non utilisation dUSPs relève plus dune décision financière à TRÈS court terme que dun calcul tenant compte des contraintes et des coûts liés à la maintenance des voies ferrées, et partant à leur coût dexploitation.

17 17 Nous sommes en 2015 et nous avons décidé de créer une LGV de 300 km… Nous devrions dabord envisager un surcoût dû aux USPs denviron euro par km de Voies (1666 traverses/km), Pourquoi ferions-nous cela ??? 10/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Pour essayer de chiffrer le rapport coût/bénéfice des USPs, nous ferons lhypothèse suivante: 5.Étude de rentabilité

18 1810/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Nous nous en tiendrons à trois cas de figure simplifiés: 3. Prise en compte de la nature des convois: charge à lessieu, 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 dautres paramètres sont à prendre en compte: choix des rails, des semelles et attaches, hauteur du ballast, importance des masses non suspendues, … 5.Étude de rentabilité 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

19 1910/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Nous appellerons donc : CAS 1 : Trafic faible ET < V250 CAS 2 : Trafic moyen ET/OU V250 à 300 ET/OU convois mixte CAS 3 : Trafic fort ET/OU V300 à 320 ET/OU convois mixtes à 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, dautant plus fortes que les cas sont présents en nombre. * * 5.Étude de rentabilité *

20 2010/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 5.Étude de rentabilité Données dentrée pour une période de 50 années LGV SIMPLE VOIE 1.Supplément estimé de la paire dUSPs (traverse complète) montée: euro/km /voie 2.Gain sur épaisseur du ballast de 5 cm = 21,50 euro/mètre: ce gain, immédiat, est DÉDUIT du coût dacquisition des USPs dans les tableaux suivants (les USPs reviennent donc à moins de 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 = 25 ème année Moyen = 40 ème année Faible = sans 5.Coût non actualisé moyen du Renouvellement de Voie (RVB) : 1200 euro/mètre (voie unique). Fréquence sans USPs : Trafic Fort = 40 ème année Moyen = sans Faible = sans 6.Taux dactualisation : 2% /an 7.Facteur de réduction de lintensité 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%.

21 2110/03/2013BÉNÉFICES DES USPs Synthèse retour sur investissement USPs (300 km) SIMPLE VOIE 5.Étude de rentabilité

22 2210/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 5.Étude de rentabilité Synthèse retour sur investissement USPs (300 km) coûts non actualisés Hors autres bénéfices dont coûts ralentissements NB : courbes à pentes lissées sur ans

23 2310/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 5.Étude de rentabilité 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

24 2410/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 6.Conclusions Quelles pistes convient-il dexplorer? 1. Intérêt des USPs à basse vitesse réduire lépaisseur 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 lempilage 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 jusquà 400 km/h?) analyser -entre autres solutions- lefficacité de lassociation grave-bitume + traverses équipées dUSPs 5. La technique ne suffit pas: il est nécessaire que des modèles économiques soient mis en place qui cessent dopposer les intérêts des investisseurs à court terme et des exploitants à long terme.

25 2510/03/2013BÉNÉFICES DES USPs 6.Conclusions Ce qui est déjà démontré La maintenance nest ni curative, ni même préventive, elle doit être prédictive. 1. Depuis plus de 20 ans les USPs (Patins Réducteur dAttrition) sont passés du stade expérimental à la préservation économique démontrée de la rentabilité des LGV (V320), principalement en réduisant les coûts dentretien des voies. Cest cette considération qui a motivé la décision de RFF déquiper les 100 km de la LGV EST 2ème phase. 2. Le coût des USPs a diminué significativement du fait de lindustrialisation. Si lon y associe une réduction de lépaisseur 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 ». Lobjectif 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 limpact des bourroirs), et provoque après son passage lenvol de particules de ballast. Nos calculs indiquent que les économies de maintenance directement liées à la meilleure utilisation du ballast permise par les USPs sélèvent en cumul sur 50 ans et sur 300 km de ligne ALLER-RETOUR à 455 Millions deuros au total (942 Millions deuros 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 léquilibre dexploitation, et donc le prix du billet et la compétitivité du train face aux autres moyens de transport.

26 BÉNÉFICES DES USPs26 FIMOR LE MANS 10/03/2013


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