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1. 1 A. BOUDI, Novembre 2019 COURS DE CHEMINS DE FER ECOLE MAROCAINE D’INGENIERIE

2. 2 SOMMAIRE Page I Situation et environnement général 4 Introduction 4 I-1 Un peu d'histoire 6 I-2 Les chemins de fer dans le monde 10 I-3 Le chemin de fer et les autres modes de transport 10 I-4 Les segments de transport ferroviaire 16 II Exemple du réseau ferroviaire marocain 24 II-1 Présentation des chemins de fer du Maroc 25 II-2 Organisme de gestion 25 II-3 Projets importants 31 III Technologie de la voie ferrée 35 III-1 Définition d'un chemin de fer 35 III-2 Ecartement des rails 40 III-3 Le ballast 42 III-4 Les structures d'assise (sous-couche, couche de forme,...) 46 III-5 Le rail 47 III-6 Les traverses 59 III-7 Mécanique de la voie ferrée 63 III-8 Les appareils de voie (Aiguillages) 67 III-9 Courbes et dévers 72 III-10 Entretien des installations fixes 76 III-11 Le gabarit ferroviaire 78 IV Sécurité ferroviaire et équipements de traction 80 IV-1 Sécurité ferroviaire 80 IV-2 Signalisation ferroviaire 81 IV-3 Les télécommunications 85 IV-4 Electrification des lignes ferroviaires 87

3. 3 Page V Le matériel roulant 93 V-1 Constitution d'un train 93 V-2 Le bogie 95 V-3 L’attelage entre véhicules 97 V-4 Le pantographe 100 V-5 Le freinage pneumatique 101 V-6 La maintenance du matériel roulant 103 VI La sécurité de l’exploitation 106 VI -1 Facteurs et environnement 106 VI -2 Le facteur humain 108 VII Etude des lignes nouvelles 111 VII -1 Etude Préalable 111 VII -2 Etude Préliminaire 112 VII -3 Etude d'exécution 113 VII -4 Prise en compte des études d'impact 115

4. 4 I- Situation et environnement général Introduction On désigne d'une façon générale sous le nom de chemins de fer des voies munies de rails, sur lesquelles circulent des trains remorqués par des locomotives. On peut aussi définir le chemin de fer comme un service public créé pour la satisfaction des besoins du public et des structures industrielles en matière de transport efficace et économique. C'est un système de transport collectif guidé de personnes et de marchandises. Il constitue une alternative à la voiture, aux camions et à la congestion des portes des grandes agglomérations. Il permet des déplacements efficaces et reste en pratique le mode de transport terrestre dominant dans plusieurs pays. Le chemin de fer englobe le métro, le tramway et la voie ferrée. L'invention des chemins de fer remonte au commencement du XIXème siècle, mais déjà longtemps avant cette époque, on avait utilisé la diminution de résistance au roulement qu'offrent les surfaces métalliques. On employa d'abord des rails plats munis d'un rebord, puis des rails en saillie, et la traction se firent soit au moyen de chevaux, soit au moyen de machines fixes. C'est en 1829, qu'à la suite d'un concours ouvert par les administrateurs du chemin de fer de Liverpool à Manchester, Georges Stephenson produisit et fit adopter pour l'exploitation de cette ligne la "fameuse fusée" qui est la mère des locomotives actuelles. Elle pesait quatre tonnes, pouvait remorquer en palier une charge de 13 tonnes à la vitesse de 22 kilomètres par heure, et atteindre sans charge la vitesse de 45 Km/h qui était considérable pour cette époque. Le transport ferroviaire présente de nombreux avantages dont les principaux sont:  Le contact métal sur métal limite à une faible valeur la résistance au roulement ce qui permet la remorque des charges élevées avec une puissance et un personnel de

5. 5 bord souvent réduit à un homme. En contrepartie, ce contact métal sur métal augmente les distances de freinage.  Le chemin de fer est un transport guidé qui n'offre aux véhicules qu'un seul degré de liberté en avant ou en arrière. Les changements de voie ne peuvent se faire qu'aux aiguillages, le dépassement est impossible. Ceci constitue une sécurité vis à vis des accidents.  La circulation des wagons ne se fait pas isolément comme sur la route mais en convoi.  Le débit d'une voie ferrée est supérieur à celui d'une autoroute à 4 voies.  Le coût moyen du kilomètre d'une voie ferrée à deux voies est moins cher que celui d'une autoroute à deux fois deux voies dans les mêmes conditions.  Il présente un faible degré de pollution.  A égalité de kilomètres transportés, le chemin de fer consomme deux à trois fois moins de carburant à la tonne transportée qu'un camion lourd.

6. 6 I-1 - Un peu d' histoire 1.1.1-Naissance et développement du chemin de fer 1.1.2-Les premiers chemins de fer

7. 7 1.1.3-La traction électrique révolutionne les chemins de fer 1879: Première machine électrique présentée en Allemagne De grandes villes comme Londres et New York se dotèrent d'un système de métro. La traction électrique devint plus pratique: Chemins de fer urbains « tramways » Tension Fréquence Alimentation Observations 160 V CC 3e rail •Volk-Brighton ( Angleterre) 180 V CC 3e rail • Tramway Siemens (Allemagne) 1881-1891, alimentation par caniveau 500 V CC • Nombreux systèmes de tramways 550 V CC Caténaire • Snaefell Mountain Railway, Île de Man 3e rail • Invalides-Champ de Mars, Paris, 1900 600 V CC Caténaire • Anciens tramways ; encore en usage à Boston, Melbourne, Toronto, Bruxelles et Saint-Étienne • Système généralisé pour les tramways urbains en Suisse

8. 8 Tension Fréquence Alimentation Observations 2 400 V CC caténaire • Ligne industrielle Lausitzer Braunkohle AG, chemin de fer de la Mure 3 000 V CC caténaire • Pologne, Belgique, Inde, Italie ex-Union soviétique, Brésil, Chili, Corée du Nord, Slovaquie, Espagne, Afrique du Sud, République Tchèque, Croatie, Maroc, Slovénie, Luxembourg • USA (Chicago, Montana, Washington) 3 000 V 50 Hz triphasé caténaire, deux fils • Chemin de fer de la Rhune (France) 3 500 V CC caténaire • Manchester – Bury (Angleterre) 25 000 V 50 Hz Caténaire • Afrique du Sud, Allemagne, Belgique, Slovaquie, URSS, Hongrie, Europe , Chine, Inde, Iran, Italie , Malaisie, Corée du Sud, Botswana - Namibie , LGV Maroc 25 000 V 60 Hz Caténaire • Amtrak NEC (New Haven (Connecticut) à Boston (Massachusetts)), États-Unis, Tokaido-Sanyo Shinkansen, Japon, Corée du Sud, Montréal (Ligne de Deux- Montagnes) 50 000 V 50 Hz Caténaire • Ligne minière (Afrique du Sud), ligne charbonnière du lac Powell (Arizona, États-Unis) 1.1.4-La traction diesel Les locomotives diesel - électriques sont plus propres, plus efficaces, et nécessitent moins d'entretien que les locomotives à vapeur. Locomotive diesel - électrique

9. 9 I-2 - Les chemins de fer dans le monde 1.2.1-Longueur des réseaux ferroviaires à travers le monde: Rang Pays Longueur en km 1 Etats Unis 225 000 2 Chine 141 400 3 Russie 87 200 4 Inde 64 000 5 Canada 47 000 6 Allemagne 42 000 7 Australie 38 500 8 Argentine 37 000 9 France 30 000 10 Brésil 28 500 70 Maroc 2 210 1.2.2-Répartition par régions du monde Europe 326 400 Amérique du Nord Mexique inclus 293 000 Asie sans la Russie 235 000 Amérique du Sud 84 000 Russie 87 200 Afrique 80 000 Australie 54 700 Km de voies ferrées Total dans le monde 1 200 000 km 56

10. 10 La grande vitesse dans le monde

11. 11 I-3 - Le chemin de fer et les autres modes de transport 1.3.1- Avantages et inconvénients 1.3.2- Parts de marchés par modes de transport

12. 12 Marchandises Voyageurs 1.3.3- Quelques chiffres: La gare de Paris Saint-Lazare, qui enregistre le plus grand nombre de trains au départ, est également la gare qui accueille le plus de voyageurs en semaine (360 000 utilisateurs quotidiens). Paris Nord accueille le plus important trafic TER et Inter cités tandis que Paris Gare de Lyon concentre le plus important trafic de trains à grande vitesse Essor des réseaux routiers: Chaque année dans le monde:  Construction de près de 700 000 km de nouvelles routes (~2.000 km / jour en moyenne !)  Horizon 2050: 25 millions de km de routes nouvelles sont prévus : de quoi faire 600 fois le tour de la Terre! 1.3.4- Commerce mondial: Dominance du transport maritime Chargement et déchargement de conteneurs:

13. 13 1.3.5- Ce que les Chemins de fer font le mieux Pour les plus grands volumes, les Chemins de fer permettent des économies sur les plans:

14. 14 Infrastructure ferroviaire 1.3.6- Ce que les transport routiers font le mieux: Lorsque la demande de trafic de petits volumes de passagers et de fret doit être distribuée sur un plus grand nombre de points, le transport routier est habituellement plus efficace et économique.

15. 15 Concurrence rail/route féroce dans beaucoup de marchés pour l‘expédition de conteneurs: 1.3.7- Concurrence rail/route Cependant, le transport ferroviaire conteneurisé est de plus en plus le choix de prédilection pour déplacer le fret général depuis et vers les ports et les centres logistiques intérieurs distants.

16. 16 Transport de conteneurs 130 1959 10.000 t 2009 77.000t 29 km/h 46 km/h Cargo commercial Pertinence économique moyennes et longues distances: domaine de pertinence économique et de viabilité financière distances Pertinence économique:  Transport sûr  Se prête bien à l’automatisation, à la télécommunication et à la télécommande  Plutôt sobre énergétiquement  Génère moins d’externalités négatives (pollution, bruit, insécurité, encombrement) que le transport routier Rail-route : coûts d’infrastructure ? Le transport routier ne paye qu’une infime partie des coûts d’infrastructure…

17. 17 Pour rééquilibrer la concurrence:  Soit prise en charge des coûts d’infrastructure ferroviaire par les pouvoirs publics comme ils le font pour le transport routier  Soit les transporteurs routiers doivent payer les vrais coûts d’infrastructure I-4- Les segments de transport ferroviaire 1.4.1- Exploitation et Marchés Ferroviaires Deux segments: 1.4.2- Trains voyageurs:  Trains longues distances  Trains de banlieue et Métro

18. 18 Services de passagers urbains:  Métros, tramways: systèmes légers sur rail, services de navettes ou banlieue  Dans les grands centres urbains, les métros sont généralement souterrains Les systèmes de métro: Capacité typique d‘une voiture 100 sièges charge maximale de 160 passagers Vitesse maximale 100 km/h Electricité 750 ou 1500 V cc 4 à 6 voitures, Opèrent avec 4 à 6 voitures Conviennent le mieux pour transport de grands volumes de passagers sur de courtes distances dans une zone urbaine Exemples « Underground » de Londres , « Métro » de Paris). Les tramways:

19. 19 Type de système ferroviaire urbain souvent au milieu de la circulation dans les rues, bien que certains aient une emprise réservée Nombre de sièges 80 sièges charge maximale d‘environ 120 passagers Electricité 750 V c 4 à 6 voitures, Vitesse maximale 80 km/h vitesse moyenne habituellement plus basse Opèrent en unités simples ou doubles avec une cabine de conduite dans chaque unité Réseaux urbains et planification urbaine: Les systèmes ferroviaires urbains définissent les centres de population et affectent de manière spectaculaire les plans de développement urbain. Services interurbains: Traction locomotives électriques ou diesel-électriques Emprise Partagée avec les services de fret peuvent être tirés par les mêmes locomotives Vitesse maximale 120 à 140 km/h Classes Multiples: 1ère 2ème ,… et des wagons-lits Nombre de sièges 80 sièges (moins en 1ère ) parfois des compartiments à couchettes et des services correspondants Les TGV ont des voitures de passagers à deux étages Services de passagers interurbains:

20. 20  Trains conventionnels (classiques) et trains à grande vitesse  Desservent le centre de la ville et ses environs immédiats. Train à Grande Vitesse (TGV): Vitesse 250 à 350 km/h Observations Fonctionnement généralement en ensembles de 8 voitures Certains ont des locomotives intégrées, d‘autres ont des moteurs distribués le long du train Emprise Les TGV ont leur propre emprise fréquence habituellement assez élevée Opèrent parfois sur des circuits classiques pour gagner accès à des points de trafic où il n‘est pas possible de construire des circuits réservés, comme les gares au centre ville Electricité 25kV ~

21. 21 1.4.3- Services de fret: Gare de triage:

22. 22 Transport ferroviaire de conteneurs:  Expédition de produits manufacturés, y compris les marchandises liquides et granuleuses.  En particulier pour les importations et exportations associées avec les déplacements maritimes. Le fret exige des pentes et des courbes douces:  Les réseaux de fret requièrent des pentes et des courbes douces, en particulier pour les transports lourds.  Les pentes ne devraient pas excéder 25 ‰ .  De ce fait, les voies ferrées entre deux points peuvent être plus tortueuses que les voies de transport routier. (les autoroutes peuvent avoir des pentes aussi raides que 6.0% ou plus).

23. 23 1.4.4-Les gares Une gare est d'ordinaire un lieu d'arrêt des trains. Une gare comprend diverses installations qui ont une double fonction :  permettre la montée ou la descente des voyageurs, ou le chargement et le déchargement des marchandises ;  pour certaines d'entre elles, assurer des fonctions de sécurité dans la circulation des trains. Les gares ont progressivement acquis une importance historique, sociologique et esthétique qui dépasse largement leur simple fonction de transport. Elles sont, à l'image des chemins de fer, un des éléments caractéristiques du développement industriel et urbanistique des grandes agglomérations. Gare de triage

24. 24 1.4.5-Les passages à niveau Un passage à niveau (PN) est un croisement à niveau d'une ligne ferroviaire avec une voie routière ou piétonnière. Passage à niveau non gardé La circulation des convois ferroviaires y est toujours prioritaire sur les usagers de la route. Pour réduire les risques de collision, on cherche de plus en plus à éliminer les passages à niveau soit en les remplaçant par des passages dénivelés, soit en les supprimant purement et simplement, ou lorsque cela n'est pas possible, à les automatiser. Passage à niveau avec barrières

25. 25 II - Exemple du réseau ferroviaire marocain II-1- Présentation des chemins de fer du Maroc 2.1.1- Bref historique Années Evénements 1916 1ère ligne à écartement de 0.60 m 1923 1ère voie à écartement normal 1963 Rachat des concessions et création de l’ ONCF 1994 Restructuration de l’ONCF 2002 Réorganisation de l’ ONCF en unités d’affaires Logique de développement – Projet d’entreprise 2010 – 2015 2005 Libéralisation du secteur ferroviaire Processus de transformation de l’ ONCF en Société anonyme 2007 Lancement du projet de la Grande Vitesse 2.1.2- Consistance du réseau à écartement étroit aujourd'hui disparu: C’était l’un des plus vastes réseaux à voie de 60 du monde! Compagnies ferroviaires au Maroc en période du protectorat: 3 compagnies coexistaient :  Compagnie des Chemins de Fer du Maroc C.F.M  Compagnie des Chemins de fer du Maroc Oriental C.M.O  Compagnie de la ligne ferroviaire Tanger – Fès T.F

26. 26 2.1.3- Après l’Indépendance, Création de l’Office National des Chemins de Fer (ONCF) par le dahir n°1-63-225 du 14 rabia I 1383 (6 août 1963). II- 2-Organisme de gestion 2.2.1- Création et forme juridique 2.2.2- Trafic annuel Voyageurs ~ 40 millions de voyageurs Fret ~ 40 millions de tonnes

27. 27 2.2.3- Consistance du réseau et organes opérationnels

28. 28 Organes opérationnels 2.2.4- L'ONCF en chiffres  Réseau :  Lignes ouvertes à la circulation : 2 210 Km.  Lignes à voie double: 600 Km.  Lignes électrifiées : 1 284 Km.  Ecartement : 1435 mm  Passages à niveau : 506 dont 38 gardés.  Nombre de gares : 117.  Matériel roulant :  Locomotives électriques : 100  Rames automotrices : 40+ 20 TGV  Locomotives diesels : 122 dont 40 pour la ligne.  Voitures à voyageurs : 500  Wagons : 6000 dont 1500 pour le transport de phosphate Equipements électriques et de signalisation

29. 29 Autres chiffres  2 200 km total de lignes ferroviaires en activité  736 km d'embranchements particuliers, de voies de service et de traitement logistique  2 110 km de lignes principales à écartement UIC exploité pour le transport de Fret et passagers  1965 km de ces lignes sont en Long Rail Soudé LRS (93 % du réseau)  1 300 km de lignes électrifiées (60 % du réseau)  640 km de lignes à double voies (30 % du réseau) 2.2.5- Maintenance du matériel roulant Outre l’exploitation ferroviaire, l'Office est chargé de la maintenance, de la réparation et de la remise à neuf des composants de son parc de matériel roulant. Pour cela, il dispose de grands ateliers directeurs et de dépôts permettant d'apporter des solutions de services et de gestion de la durée de vie du matériel visant à maximiser la valeur son actif La sécurité, les gens et les produits sont toujours la priorité absolue de l'entreprise ferroviaire, qui travaille sans relâche non seulement pour respecter, mais pour surpasser toutes les normes réglementaires pertinentes. Parallèlement à la sécurité, la fiabilité et la disponibilité des actifs font l’objet d’une attention soutenue. Grâce aux régimes de maintenance préventive et à l’analyse des pronostics, le rendement des actifs se maintient constamment à un haut niveau. Ci-après les établissements de l'ONCF chargés de la maintenance du matériel roulant:

30. 30 La remise à neuf et la réparation sont à la base de la fiabilité, de la disponibilité, des coûts du cycle de vie et de la valeur du matériel roulant. Au cours de la durée de vie d’un véhicule ferroviaire, les composants clés seront remis à neuf à des intervalles déterminés pour maintenir la sécurité et la fiabilité de leur performance. Par ailleurs, le suivi rigoureux du matériel acquis de l'étranger permet aux responsables de ce volet de procéder à des modifications au niveau de la conception permettant de mieux adapter le matériel à l'environnement marocain. 2.2.6- Embranchements particuliers Vers des clients tels que:  Cimentiers  Sidérurgistes  Industriels  Agroalimentaires  Miniers 2.2.7- Contraintes de l’environnement du réseau

31. 31 2.2.8- Représentations internationales II-3-Projets importants 2.3.1-Contrat programme 2010 - 2017-Projets réalisés 2.3.2-Ligne à Grande Vitesse (LGV

32. 32 2.3.3-Schéma directeur de la Grande Vitesse 1 500 km à l’horizon 2030 : LGV Atlantique : Tanger – Casablanca – Marrakech – Agadir en moins de 4 heures LGV Maghrébine : Oujda - Fès – Casablanca en moins de 3 heures Première étape Durée du trajet Tanger-Casablanca 1 h 30 min Marrakech – Casablanca 1h 20 min Schéma Directeur de la grande vitesse Tanger Casablanca Marrakech Agadir Oujda Fès 87 Rabat Essaouira

33. 33 2.3.4-Ligne à grande vitesse magrébine Tronçon LGV algérien 2.3.5-Aménagement du réseau classique En cours de réalisation:  Triplement Kenitra - Casablanca (148 km)  - Electrification de la ligne Fès - Oujda  - Mise à niveau de l'axe Settat - Marrakech  - Suppression de passages à niveau

34. 34 Promotion de gares multimodales Projets étudiés  Desserte de Tadla (Oued Zem - Béni Mellal) : 100 km  Ligne Tanger Melloussa - Tétouan  Ligne Safi - Essaouira  Ligne Essaouira - Agadir  Ligne Marrakech - Agadir Ligne Agadir – Laayoun  RER Casablanca RER Casablanca Renouvellement du matériel roulant  Forte activité du matériel roulant passagers→ Acquisition de nouvelles automotrices électriques  Acquisition de locomotives électriques → densifier l’offre tant sur le volet voyageurs qes rames existantes dans les ateliers ONCF

35. 35  Acquisition de wagons de marchandises et restauration régulière du matériel roulant afin de se conformer aux normes des standards internationaux de qualité et de confort (Ceci lui a permis de décrocher la norme ISO 9001-2000) Plan Maroc Rail 2040 Réseau Prévisions  LGV 1500 km  Classique + 2700 km de rail classique → atteindre 4 800 km Total 6 300 km horizon 2040 Sécurisation des voies  Vaste programme de suppressions de passages à niveau (objectif: supprimer 250 passages à niveau d'ici 2025)  Généralisation des passages souterrains dans les stations (pour les changements de quais)  Programme d’extension des murs de protection autour des rails en zones urbaines  Ajout de passerelles piétons au-dessus des rails et de passages souterrains pour piétons, troupeaux et véhicules agricoles en zones d'habitations rurales

36. 36 III- Technologie de la voie ferrée III-1- Définition d'un chemin de fer Le chemin de fer est un système de transport guidé composé de : - l'infrastructure -du matériel roulant. L'infrastructure est composée essentiellement : - de la voie ferrée (formée de deux files de rails posés sur des traverses), et - du matériel de signalisation. Le matériel roulant circule communément en convois, appelé trains ou rames. Les convois sont tractés par des locomotives, ou sont autotractés (on parle alors de rame automotrice). 3.1.1-Qu'est ce qu'un réseau ferroviaire? Un réseau ferroviaire est un ensemble de lignes de chemin de fer, de gares et d'installations techniques diverses : ateliers, dépôts, triages, embranchements particuliers, chantiers intermodaux..., qui permet la circulation de convois ferroviaires ou trains dans un ensemble géographique donné.

37. 37 3.1.2-L’infrastructure ferroviaire :

38. 38 3.1.3- L'infrastructure L’infrastructure ferroviaire constitue l’ensemble des équipements nécessaires à la circulation des trains de fret, de voyageurs et des véhicules nécessaires à sa maintenance. Ces équipements rassemblent les voies ferrées, les caténaires, les systèmes de signalisation et de communication, les ouvrages d’art, etc. Pour être exploitée, toute nouvelle infrastructure doit disposer d’une « également» délivrée par les instances compétentes. Cette autorisation permet d’attester que l’infrastructure réalisée répond aux exigences de la réglementation de sécurité et d’interopérabilité en et qu’elle sera en mesure de supporter l’ensemble de ces trafics en assurant la sécurité des usagers et des tiers dans le respect de l’environnement. Elle est, par ailleurs, conçue pour faciliter l’accès des services de secours en cas de besoin. Une fois autorisée, elle est confiée à un gestionnaire d’infrastructure qui en assure l’exploitation (gestion opérationnelle des circulations), la maintenance et le développement. 3.1.3-Consistance de la voie ferrée

39. 39 3.1.4-Structure de la voie ballastée: 3.1.5-Voie ballastée / voie sur dalle : Voie Avantages Inconvénients Ballastée  Construction moins chère,  Réparation facile de défauts  Maintenance continuelle  disponibilité inférieure Sur dalle  Maintenance (presque) nulle,  Disponibilité supérieure  Plus chère à construire  Réparation de défauts difficile 3.1.6- Profil transversal d'une voie ferrée Les rails sont fixés aux traverses qui reposent sur le ballast. Celui-ci s'étale horizontalement et extérieurement aux rails sur une longueur d'environ un mètre.

40. 40 Ligne à simple voie : Ligne à double voie : Assainissement de la plateforme et pistes d’entretien: Il ya lieu de prévoir une pente transversale d'au moins 3 cm / mètre pour assurer l'écoulement des eaux qui traversent la couche de ballast.

41. 41 A l'extérieur des voies, on ménage des fossés d'assèchement ainsi que des pistes pour la circulation du personnel d'entretien et de surveillance. III-2- Ecartement des rails 3.2.1- Définition de l'écartement des rails L'écartement des rails est la distance séparant le flanc interne des deux files de rails d’une voie ferrée. L'écartement standard de 1 435 mm (soit quatre pieds huit pouces et demi), définissant la voie « normale », est le plus utilisé à travers le monde (60 % des lignes). On parle de voie large lorsque l'écartement est supérieur et de voie étroite lorsqu'il est inférieur (voie métrique pour l'écartement de 1 m). Certaines voies sont équipées de trois, voire quatre files de rails pour permettre la circulation de matériel d'écartements différents. Les points de changement d'écartement créent des ruptures de charge.

42. 42 3.2.2- Différentes normes d'écartement Il existe différentes normes d'écartement des rails :  l'écartement standard : 1435 mm qui est le plus répandu ;  l'écartement ibérique : 1674 mm (Espagne, Portugal) ;  l'écartement russe : 1520 mm (Russie, Biélorussie, Ukraine, etc.) ;  l'écartement irlandais : 1600 mm (Irlande).  Il existe des réseaux secondaires à voie métrique (1000 mm ou 1067 mm) Vérification de l'écartement de la voie 3.2.3- Pourquoi un écartement des rails plutôt qu‘un autre ? De nombreux pays ont des lignes ferroviaires construites selon des écartements différents:  Raison d‘héritage  Raison de coût : un écartement étroit revient moins cher à construire qu‘un écartement large

43. 43 Origine de l'écartement standard (UIC):  1,435 m entre les bords intérieurs des bourrelets des rails, →  1,500 m d'axe en axe des rails L'espacement des rails standard (1,435 m) s'explique par 2000 ans auparavant ! les premiers chariots ont été des chariots de guerre romains tirés par deux chevaux qui galopaient côte à côte et devaient:  être suffisamment espacés pour ne pas se gêner.  Afin d'assurer une meilleure stabilité du chariot, les roues ne devaient pas se trouver dans la continuité des empreintes de chevaux, et ne pas se trouver trop espacées pour ne pas causer d'accident lors du croisement de deux chariots III-3- Le ballast 3.3.1- Consistance On appelle ballast le lit de pierres sur lequel repose une voie de chemin de fer. Son rôle est de transmettre les efforts engendrés par le passage des trains au sol, sans que celui-ci ne se déforme par tassement. Le rôle du ballast est aussi d'enchâsser les traverses afin d'assurer une résistance

44. 44 aux déformations longitudinales (particulièrement important pour la technique des longs rails soudés (LRS)). On utilise généralement de la pierre concassée, de granulométrie variant entre 25 mm et 50 mm, de type plutonique : granite, diorite, etc. On utilise du gravillon fin (10 mm à 35 mm) pour le nivellement. 3.3.2- Transmission des efforts engendrés par le passage des trains au sol: Le ballast transmet au sol les efforts engendrés par le passage des trains, sans que celui-ci ne se déforme par tassement. La couche de ballast  Assure le drainage et l’évacuation rapide des eaux  Constitue un amortisseur de vibrations  Permet la rectification très rapide du nivellement et du tracé L’épaisseur du ballast est mesurée sous traverse:

45. 45  Elle dépend de la charge des essieux  L'épaisseur minimum généralement admise = 30 cm (entre la plateforme et la face inférieure des traverses )  Qualités requises:  Perméabilité  Élasticité  Solidité  Se prêter au bourrage  Ne pas être gélif (s’effriter)  Ne pas se désagréger sous l'influence des agents atmosphériques 3.3.3- Nature et qualité du ballast:  Sable ou gravier tout venant de rivière ou de carrière  Pierre cassée, granitique, siliceuse ou calcaire (dure et non gélive)  Cailloux  Laitier de haut fourneau Coefficient de qualité du ballast: Le coefficient de qualité précise la résistance:  à l’usure  au frottement  aux chocs Valeur de la contre-pression du ballast sur l'unité de surface d'appui des traverses (Formule de Winkler) :

46. 46 avec :  p = pression exercée sur l'unité de surface du ballast  y = enfoncement élastique correspondant de la traverse (d'autant plus faible que le ballast résistera mieux )  C = coefficient de ballast 3.3.4- Profil du ballast:  On ballaste à « plancher découvert » c’est-à-dire que le dessus des traverses est découvert d’où une meilleure visibilité des attaches, économie de ballast et facilités de nivellement de la voie.  Le profil du ballast peut être encore plus réduit pour les voies posées sur traverses béton dont le poids élevé contribue à la stabilité de la voie. Sur une ligne en construction, des milliers de tonnes de ballast sont amenées chaque jour par voie ferroviaire et déversées entre les traverses de part et d’autre du rail. Plus gros, plus dur et plus solide sur une LGV que sur une voie classique, il sera changé tous les 25 ans.

47. 47 III-4- Les structures d'assise (sous-couche, couche de forme,...) 3.4.1- Rôle des structure d’assise:  Répartissent sur la plateforme les charges concentrées qu’elles reçoivent des traverses  Contribuent aux stabilisations longitudinales et latérales de la voie 3.4.2- La sous couche: Elle assure:  La protection de la partie supérieure de la plateforme contre la corrosion  Une meilleure répartition des charges transmises. Sa nature et son épaisseur dépendent des :  Caractéristiques du sol  Caractéristiques géologiques et hydrogéologiques du site  Conditions climatiques 3.4.3- La couche de forme:

48. 48 La couche de forme est en général constituée du même matériau que le corps de remblai mais se distingue dans le cas d’une voie neuve par le taux de compactage En déblai, on complète le terrain en place pour un aménagement de la partie supérieure en couche de forme. 3.4.4- Calcul de l’épaisseur des structures d’assise: La transmission des efforts de la traverse à la plateforme se fait suivant la théorie de Boussinesq (résultats concordant étroitement avec les valeurs obtenues lors des essais). 3 grandes catégories de plateformes :  Sols qui ne sont jamais saturés  Sols saturés à longueur d’année  Sols saturés accidentellement En vue d’une bonne qualité globale du système plateforme – couches d’assise, il convient de considérer la classification des plateformes. Les plateformes sont classées en six classes : S5 : plateforme rocheuse saine peu altérable S4 : plateforme très bonne S3 : plateforme bonne S2 : plateforme moyenne S1 : plateforme mauvaise S0 : plateforme en sols organiques III-5- Le rail Les rails, dont le but est de porter les essieux des trains et de les guider en alignement comme en courbe (parfois serrée avec un rayon inférieur à 200 mètres), constituent un élément majeur de sécurité pour les personnes et les biens transportés . Les rails sont de longues barres d’acier profilées, qui mises bout à bout servent à former un chemin de fer. Les rails servent à la fois de guide et de support de roulement pour les véhicules. Étant conducteurs, ils sont souvent utilisés pour la transmission de signaux. Une voie ferrée est constituée de deux files de rails posées en parallèle sur des traverses. Les traverses assurent la transmission de la charge au ballast, et le maintien de l’écartement et de l’inclinaison des rails. Les traverses peuvent être : en bois (généralement du chêne), en acier (plus bruyantes), en béton. Les surfaces de contact entre roue et rail sont de l'ordre du cm2 .

49. 49 3.5.1- Différents profils de rails: 3.5.2- Le rail à patin (vignole) La caractéristique essentielle du rail, en dehors de sa forme, est son poids au mètre linéaire.  Profilé conçu pour supporter efficacement la charge de la roue et permettre son roulement et son guidage en sécurité  Dans le cas le plus général, la masse linéaire du rail à patin est de 60kg/m  Les deux files de rail sont fixées sur les traverses qui maintiennent leur écartement et répartissent la charge sur le ballast.

50. 50 Rôle des partie du rail: Exemples de types de rails UIC RAIL HAUTEUR PATIN BOUDIN Masse linéique théorique Moment d'inertie lx Module d'inertie lx/v Section Résistance à la traction S 7 65 mm 50 mm 25 mm 6,75 kg/m 51,6 cm4 15,2 cm3 8,60 cm2 540 N/mm2 S 10 70 mm 58 mm 32 mm 10 kg/m 85,7 cm4 24,4 cm3 12,74 cm2 540 N/mm2 S 20 100 mm 82mm 44 mm 19,8 kg/m 346 cm4 66,8 cm3 25,26 cm2 >540 N/mm2 RAIL S 7

51. 51 3.5.3- Fixation du rail vignole: La fixation des rails est réalisée par attaches (élastiques ou ) avec l’emploi d’outillage à moteur, tant pour les chantiers de pose de voie que pour ceux d’entretien de voie ou de libération des rails. Il existe plusieurs systèmes permettant la fixation du rail sur les traverses. Ces systèmes varient en fonction du type de traverses, du type de rail, du mode de pose de la voie (LRS ou barres normales), mais aussi en fonction de l'histoire propre à chaque exploitant ferroviaire. Le rail est fixé sur les traverses soit directement soit par l’intermédiaire de selles métalliques. Les rails sont reliés par éclissage ou par soudure Attaches rigides pour rails Vignole Une attache est dite « rigide » si, du fait du manque de souplesse des matériaux la constituant, elle n'accompagne pas le mouvement vertical du rail lors du passage des roues. Elle assure un bon maintien transversal du rail mais ne garantit en rien son maintien longitudinal, lui permettant ainsi de « cheminer », c'est-à-dire de se déplacer vers l'origine ou l'extrémité de la ligne sous les sollicitations de la dilatation ou des forces de freinage ou d'accélération des convois. Elle ne peut donc pas être utilisée pour la confection de LRS sauf à être associée à des dispositifs « anti- cheminants » s'opposant à tout mouvement longitudinal du rail. Fixation du rail sur traverses en bois:

52. 52 3.5.4-Rail à gorge L’installation en surface du tramway, au sein des grandes avenues mais aussi des rues étroites, a permis l’émergence d’une approche nouvelle et innovante de l’aménagement urbain. C'est ainsi que l'usage du tramway dans de nombreux pays a conduit les industriels à développer le nouveau profil de rail : le rail à gorge (35 G). Ce rail comprend une bavette qui fait office de contre rail. Ainsi, ce rail peut être posé en site urbain sans entraver la circulation routière. Les rails sont laminés en barres de moyenne longueur et livrés sur le chantier en longueur de 18 m. Ils sont soudés ou éclissés bout à bout. Ils sont donc caractérisés par une bonne soudabilité et sont soumis aux caractéristiques thermiques permettant d’augmenter leur résistance aux frottements et de réduire les crissements engendrés par le contact rail/roue, notamment dans les courbes de faible rayon. On peut ainsi obtenir l’anti-crissement (C) et l’anti-usure (U) du champignon. 3.5.4- Fatigue du rail :  La charge de la roue joue un rôle considérable dans la fatigue du rail.  La roue sollicitée soit en traction, soit en freinage, crée un contact roue/rail dont la limite d’existence est fixée par son adhérence.

53. 53 3.5.5- Principales qualités des aciers à rail: Les rails sont soumis à l’usure et à des défauts de fatigue internes et de surface, susceptibles de dégénérer en ruptures fragiles, pouvant provoquer un déraillement d’autant plus grave que l’accident vient à survenir en courbe. Il s’agit donc d’un produit extrêmement noble qui doit être réalisé dans un acier de grande pureté et présenter une microstructure adaptée avec les qualités suivantes:  Résistance à l’abrasion (Aciers anti-abrasion = contre l’usure)  Absence de fragilité  Absence de susceptibilité à l’auto-trempe  Soudabilité en vue de la confection de barres de grande longueur. Les aciers à rail se situent dans la gamme inférieur à 0,9% de carbone avec:  Recherche du compromis entre:  la dureté (synonyme de durée de vie)  et la fragilité (la rupture pouvant entrainer des conséquences incalculables)  Les aciers anti-abrasion permettent de:  prolonger la durée de vie des pièces  réduire le nombre d’interventions sur la voie  diminuer les coûts de maintenance  Spécifications techniques pour la fourniture des rails (fiche UIC 860) Procédés de fabrication - Le fabricant applique les meilleures règles de l’art avec les caractéristiques : - Contraintes propres - Teneur en inclusions non métalliques - ténacité Calibres un jeu de calibres est établi par le fabricant et remis au client Marques - En relief - Identification de l’usine productrice - Deux derniers chiffres du millésime de l’année de fabrication - Symbole de la nuance d’acier - Symbole du profil du rail ou la masse du rail en kg/m - Marques poinçonnées à chaud dont le N° de la coulée Essai de choc des aciers à rail DESIGNATION REALISATION Qualité d’exécution  Les rails doivent être exempt de tous défauts nuisibles  Un examen aux ultra-sons doit être réalisé

54. 54 Parachèvement Le dressage à froid s’effectue par actions graduées et sans chocs. Le perçage des trous se fait par forage Tolérances  Profil (fiche UIC)  Longueur des barres  Diamètres des trous  Etc. Conditions de réception des rails DESIGNATION ACTIONS  Surveillance le client a le droit de suivre la fabrication  Nature des essais - Le choc sur chutes de laminage - La traction sur éprouvettes - Les examens macroscopiques  Analyse chimique ajuster la composition chimique de l'acier aux contraintes d’exploitation  Dureté Brinell Fabrication des rails par laminage Procédé de laminage du rail

55. 55 Tolérances admissibles Soudure et rechargement  Les procédés de soudage - Soudage avec métal d’apport - Soudage sans métal d’apport  Les réparations - Réparations en voie - Réutilisation des rails déposés - Cœurs en acier au manganèse moulé 3.5.6- Les défauts des rails  Rupture de rail  Défaut de fatigue interne  Squat : fissuration et affaissement local de la table de roulement  Head checking : écaillage du congé de roulement  Endommagement de la table de roulement : patinage, blessures dues aux marques de ballast  Corrosion  Ebréchure sur rail usinés d’appareil de voie  Shelling : défrichage du congé de roulement  Usure latérale  Décollement de rechargements par soudure à l’arc

56. 56 Usure et durée du rail: L'usure est fonction du trafic: du tonnage, du nombre et de la vitesse des trains. Usure verticale  Les limites d'usure varient avec le profil du rail. Cependant, l'usure verticale n'est généralement pas la cause déterminante du retrait du rail de la voie.

57. 57  L'écrasement des abouts, le matage et l'usure des portées d'éclissage ou autres défectuosités locales entraînent souvent le retrait prématuré des rails des voies principales  Un rail usé, retiré des voies principales, peut être réemployé dans les voies secondaires où il peut rester encore en service pendant quelque 25 ans. Usure latérale du rail  L’usure latérale est d'autant plus forte que le rayon des courbes est plus petit, que l'empattement rigide des véhicules est plus grand et que le dévers est moindre  On utilise des graisseurs de rail dans les courbes pour augmenter la vie du rail Détection des défauts des rails Les rails sont vérifiés en voie par ultrasons et visuellement, à une fréquence adaptée à la voie et à la nature des circulations ferroviaires. Contrôle non destructif  Contrôle à l’ultra-son portatif : l’appareil est monté sur un châssis roulant sur la voie et alimenté par une batterie

58. 58  Contrôle par l’engin EM120 : Engin de contrôle qui est équipé d’un dispositif de détection avec traçabilité (enregistrement) Contrôle manuel à l'ultrason Contrôle par l'EM120 3.5.7- Les longs rails soudés (LRS) « barres longues » Les longs rails soudés ou LRS, appelés aussi « barres longues », constituent une méthode moderne de pose des voies ferrées qui présente l'intérêt de supprimer la plupart des joints de rails sur des longueurs importantes, souvent de plusieurs kilomètres. Défauts des joints:  Nuisent à la douceur du roulement  Fatiguent le matériel roulant  Points faibles et coûteux à cause des organes de consolidation qu'ils nécessitent

59. 59 Très grand intérêt à utiliser des rails de la plus grande longueur possible Pose et soudure aluminothermique sur place Production et transport (LRS) : Les barres longues sont produites en atelier par la soudure de rails élémentaires. Ces barres longues, dont la souplesse autorise le transport sur des rames de wagons plats, sont ensuite posées et soudées entre elles sur place par soudure aluminothermique. Souplesse autorisant le transport sur des rames de wagons plats Les rails peuvent atteindre jusqu’à 400 mètres de long et sont soudés entre eux. Pour chaque voie, le rail est déchargé et les traverses sont ensuite positionnées sur la plateforme. Puis, il est fixé aux traverses par des attaches mécaniques et élastiques appelées « fast-clip ».

60. 60 Les appareils de dilatation Dilatation du métal avec la température: → contraintes de compression ou de tension. Appareils de dilatation La dilatation du métal avec la température, qui est contrariée dans ce système de pose, se transforme en contraintes de compression ou de tension. Aux extrémités on installe des appareils de dilatation ou des joints à grands permissifs, qui permettent aux rails de coulisser, tout en assurant sans hiatus la continuité du roulement. III-6- Les traverses 3.6.1- Définition Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules circulant sur les rails. On utilise principalement des traverses en bois ou en béton (et depuis peu il existe des traverses en plastique dur recyclé). Le travelage, c'est-à-dire le nombre de traverses au kilomètre, est variable. Il est généralement de 1 666 traverses/km. D’une durée de vie moyenne de 50 ans, les traverses sont conçues pour supporter la voie. Elles doivent être parfaitement calées avec un ballast de qualité. Un TGV circulant à 320 km/h est aussi lourd qu’un Boeing 747 au décollage. Traverse bi-bloc

61. 61  Les rails sont supportés par des traverses :  soit en bois ou en acier sur les anciennes voies  soit en béton sur les voies modernes (1700 traverses par km - 2000 pour les voies lourdement chargées)  Par l’intermédiaire de semelles en caoutchouc, fixées par des attaches en ressort d’acier élastique;  Les traverses sont elles-mêmes supportées par une épaisse couche de ballast (pierres calibrées). 3.6.2-Travelage - répartition des contraintes Travelage : Le plan de pose qui donne la répartition des traverses par longueur (31 traverses pour 18 m) prévoit un resserrement des traverses au joint pour améliorer sa tenue Travelage : 1666 traverses au kilomètre Répartition des contraintes sur une traverse:

62. 62 3.6.3-Traverses en béton Traverses en béton bi-bloc (béton armé): Traverses en béton monobloc (béton précontraint): Traverse type B 70 3.6.4-Traverse bois Les traverses en bois constituent encore la très grande majorité des traverses utilisées dans le monde. Traditionnellement elles sont en bois dur (chêne ou plus rarement en hêtre ou en azobé). Le bois est apprécié pour sa résistance et sa flexibilité, pour sa facilité de mise en œuvre. Mais de durée de vie réduite (20 à 30 ans) car putrescible, il doit alors - pour cet usage - être imprégné sous pression d'un pesticide (puissant insecticide et fongicide), la créosote de goudron de houille. Pour éviter l'apparition de fentes, liées aux successions de périodes humides et sèches, on peut cercler les têtes de traverses à l'aide de feuillards métalliques, c'est le frettage.

63. 63 Leurs dimensions sont généralement de l'ordre de 2,6 m de long, 25 cm de large et 15 cm d'épaisseur (les bois d’appareils ont des longueurs variant de 2,60 à 6,00 m.). Elles sont entaillées pour permettre l'appui des rails. La zone d'appui, dite « table de sabotage », est délimitée de manière à déterminer l'écartement des rails et leur inclinaison (au 1/20e ). Une traverse pèse environ 80 kg. La fixation des rails sur les traverses en bois se fait grâce à des tirefonds et des attaches élastiques, parfois munies de semelles en caoutchouc pour limiter le bruit. Le recyclage des traverses en bois traité est règlementé dans plusieurs pays en raison de la nocivité de la créosote, produit classé cancérigène. III-7- Mécanique de la voie ferrée 3.7.1- Support du transport ferroviaire Le support doit résister aux efforts supportés journellement (transversaux, verticaux, fatigue). Il doit garantir : ✔La sécurité des voyageurs: éviter les déraillements (contact rail/roue, géométrie de la voie), les déripage de la voie (efforts transversaux, ballast), les collisions par rattrapage, les nez à nez ou prises en écharpe (position de la voie, détection des mobiles)... ✔ Le confort des voyageurs et des marchandises ( Accélérations subies →géométrie de la voie). Le support est constitué des rails, des traverses et du ballast. Le rail supporte et guide le véhicule, il transmet des informations (signalisation par circuit de voie) et assure le retour du courant de traction Les traverses répartissent la charge, maintiennent l'écartement et assurent l'inclinaison au 1/20ème. Le ballast répartit la charge sur la plate-forme, amortit les vibrations par frottement interne (attrition), draine les eaux de pluies et permet l'entretien facile de la géométrie par bourrage. En présence de circuit de voie, l'absence d'information permet de détecter une rupture de rail.

64. 64 3.7.2- Les mouvements du train:  Le rail supporte et guide la roue du matériel roulant, c'est l'élément essentiel de la sécurité de la voie.  Les rails reçoivent directement les efforts qui s'exercent sur la voie, ces efforts sont verticaux, transversaux et longitudinaux. Le système ferroviaire peut être représenté comme suit : 3.7.3- Le contact rail - roue - Principaux mouvements affectant un véhicule Lorsqu’une roue roule sur le rail, le contact se fait par une petite surface de forme elliptique (~10 à 15 mm de grand axe). Il convient d’ajouter à la vitesse de glissement d’origine cinématique une autre

65. 65 vitesse d’origine élastique provenant des déformations de contacts qui se produisent entre la roue et le rail. La déformation d’un pneu en roulement permet de représenter ce phénomène lié aux déformation élastiques de la zone de contact. 3.7.4- Efforts exercés sur le rail  Le principe de la circulation ferroviaire repose essentiellement sur le phénomène d'adhérence au niveau du contact roue/rail  C'est par ce contact que passent les efforts de traction et freinage  Conditionne les paramètres liés à la dynamique de la circulation (stabilité, déraillement, etc...).

66. 66 Le comportement dynamique est caractérisé par : ✔la charge verticale dynamique extrême de roue, soit :Qv (concerne l’effort dynamique vertical engendré par le passage de la roue sur un défaut géométrique du rail). ✔la charge dynamique totale à deux écarts types, soit :Qf (concerne la fatigue du rail). ✔la charge dynamique verticale aux abouts, soit :Qabouts ( concerne l’effort dynamique vertical engendré par le passage de la roue sur un about). ✔l’effort transversal dynamique, soit : H. ✔les efforts d’inscription sur les files internes et externes du rail, soit, respectivement : Yi , Y e . A. Efforts verticaux Ev  les efforts statiques dus à la charge des roues des véhicules.  Les efforts dynamiques. B. Efforts transversaux Et Les efforts transversaux se produisent au contact du bourrelet du rail et de la surface de roulement du bandage de la roue. C. Efforts longitudinaux El Le mouvement de progression de la locomotive obtenu par l'adhérence des roues motrices sur le rail provoque une réaction qui tend à faire cheminer le rail en sens contraire du mouvement.  Aux joints, les chocs de toutes les roues du train sur le bout des rails tendent au contraire à déplacer le rail vers l'avant.

67. 67  Les effets de la dilatation s'exercent également dans le sens longitudinal. L’UIC a standardisé des profils tels que: 54 et 60, 70, ...kg. 3.7.5-Capacité de guidage de la roue En négligeant le pseudo glissement et l’angle d’attaque, la roue transmet au rail la charge P et la poussée H; elle reçoit une réaction normale N à laquelle correspond, s’il y a glissement, un frottement f. En écrivant l’équilibre de ces forces on obtient la valeur de la poussée H au-delà de laquelle le déraillement est susceptible de se produire.

68. 68 Le rapport H sur P est appelé « capacité de guidage » de la roue elle dépend de la charge sur la roue mais aussi de l’angle du boudin par rapport à l’horizontale (70°). III-8-Les appareils de voie (Aiguillages) 3.8.1- Définition Un appareil de voie est un élément de la voie ferrée qui permet d'assurer le support et le guidage du matériel roulant ferroviaire sur un itinéraire donné, lorsque d'autres itinéraires en divergent ou le traversent. Il permet entre autres d'assurer les bifurcations et les croisements d'itinéraires. En effet, le conducteur d'un train n'ayant aucune maîtrise de la direction prise par le convoi, ce sont les appareils de voie qui sont chargés de le guider et de l'orienter de façon mécanique et passive. Il peut être commandé automatiquement ou manuellement depuis un poste d'aiguillage ou bien à pied d'œuvre (sur le terrain) par une personne habilitée. En dehors de la voie courante, les nécessités de l'exploitation exigent que certaines voies se coupent et que d'autres puissent communiquer entre elles. Pour atteindre ces buts, on substitue à la voie courante des dispositifs connus sous le nom d'appareils de la voie, ce sont :  les branchements  et les traversées. 3.8.2- Fonction des appareils de voie  Assurent le support et le guidage du matériel roulant sur un itinéraire donné, lorsque d'autres itinéraires en divergent ou le traversent  Assurent les bifurcations et les croisements d'itinéraires.

69. 69  peuvent être commandés automatiquement ou manuellement depuis un poste d’aiguillage ou bien sur le terrain par une personne habilitée Constitution d’un branchement 1 : partie aiguillage 2 : partie intermédiaire 3 : partie croisement 3.8.3- Aiguillage à cœur mobile Pour la circulation à des vitesses élevées, les appareils classiques ne sont plus valables, ce qui est dû au tangent réduit qui obligerait à des lacunes énormes. Avec les aiguillages à cœur mobile, le contre-rail n’est plus nécessaire. Mais les aiguillages de ce type ont besoin de plusieurs moteurs ou système de manœuvre plus complexe, et plus de contrôles de sécurité.

70. 70 Cela comporte un coût plus élevé, aussi bien pour la construction que pour la maintenance. 3.8.4- Mouvement de l’aiguille Dans le domaine de la signalisation ferroviaire, un enclenchement est un ensemble d'appareils de signalisation qui matérialise physiquement, dans la zone d’action d’un poste d’aiguillage (jonction, croisement de rails...), une incompatibilité de manœuvre entre différents organes de commande d’appareils de voie ou de signaux dans le but de n’autoriser le passage d’un mouvement d'appareils de voie que lorsque toutes les conditions de sécurité nécessaires à ce mouvement sont réalisées. Il peut être mis en œuvre mécaniquement ou électriquement. Commande mécanique par tringle Le branchement - commande par tringle Sur les plans, les branchements sont généralement représentés comme l'indique le croquis ci-dessous, les axes des deux voies faisant entre eux l'angle α du croisement.

71. 71 Représentation schématique d'un branchement. Branchement double dissymétrique avec les deux déviations du même côté 3.8.5- Relations entre les éléments principaux du branchement : Nous considérons:  L = la longueur totale du branchement comprenant : o la longueur Aa de l'aiguille proprement dite, o l'arc de raccord ab du branchement,

72. 72 o la branche bC du croisement proprement dit jusqu'à la pointe de cœur mathématique C.  R = le rayon de la voie déviée ACE  = l'angle du croisement  e = l'écartement de la voie. Influence de l'angle sur la longueur L du branchement et sur le rayon R de la voie déviée ? Négligeant AD devant 2 R, on a : d'où : et et : Il s'ensuit que les valeurs de L et de R du branchement augmentent au fur et à mesure que l'angle a du croisement diminue, e étant une constante. La formule déduite montre que des courbes de grand rayon donnent à l'angle du croisement, une valeur très petite. Le rayon R ne peut descendre au-dessous de 180 mètres pour les branchements parcourus par les trains à l'entrée en gare. Cette limite imposée à R, fixe en même temps une limite à et décide du choix des appareils de croisement. L'adoption d'un rayon de 180 mètres dans la voie déviée des branchements conduit à un type d'appareil présentant un croisement de tangente 1/9 en usage sur la plupart des réseaux (angle d'environ 6°). Pour ne pas multiplier les types de croisement, les réseaux se bornent à construire quelques modèles d'appareils tels que : Types Longueur des appareils Branche déviée Angle à la pointe mathématique Angle à la sortie Tangente de l’angle à la sortie H0 8,750 R : 1.160 m 2° 51'44" 3° 8'55" 0,055.007 H1 6,000 R : 561 m 4° 5' 0" 4°29'33" 0,078.575

73. 73 H2 5,200 droite 5° 1'24" 5° 1'24" 0,087.898 H3 4,850 droite 6°11'55" 6°11'55" 0,108.610 H4 4,450 droite 7° 7'30" 7° 7'30" 0,125.000 H5 4,200 droite 8° 57' 1" 8°57' 1" 0,157.495 H6 4,000 droite 11°18'40" 11°18'40" 0,200.021 H7 3,500 droite 12°23'50" 12°23'50" 0,219.813 H8 3,200 droite 14°15' 0" 14°15' 0" 0,253.968 3.8.6- Aiguille de dilatation Sur certains réseaux, les barres soudées de grande longueur et les rails des extrémités des ponts métalliques se prolongent par un dispositif à aiguille et rail contre-aiguille. C'est une aiguille ordinaire mais qui ne se détache jamais du rail. Les trous des boulons d'assemblage sont elliptiques ou en forme de boutonnières de manière à permettre la dilatation. III- 9- Courbes et dévers 3.9.1- force centrifuge en courbe Dans les courbes, les véhicules ferroviaires sont l'objet, comme tout mobile qui change de direction, d'une force centrifuge proportionnelle au carré de la vitesse de déplacement et inversement proportionnelle au rayon de la courbe, qui s'oppose à ce changement de direction et tend à les pousser vers l’extérieur de la courbe. De ce fait, les véhicules exercent sur la voie des efforts latéraux qui peuvent présenter un danger au-delà d’une certaine vitesse (déplacement ou dégradation de la voie, ou déraillement du véhicule). En outre, les voyageurs présents dans les véhicules ressentent aussi cette poussée, source d’inconfort. Aussi, les gestionnaires de l'infrastructure ferroviaire tentent-ils de compenser au maximum ces effets.

74. 74 3.9.2- Relever le rail extérieur Pour compenser la force centrifuge, les constructeurs de voies ferrées inclinent la voie en relevant la file de rail extérieure. La différence de niveau entre les deux files de rail s’appelle le « dévers ». Grâce au dévers, le véhicule se penche vers l'intérieur de la courbe, à la manière d'un deux-roues. De ce fait, son axe vertical (sol - plafond) ne coïncide plus avec la direction de l'attraction gravitationnelle (vers le centre de la Terre), de sorte que tout corps se trouvant dans le véhicule soit attiré vers la zone la plus basse de la caisse penchée, situé à l'intérieur de la courbe. Lorsque le véhicule parcourt une courbe en dévers, ceci vient donc compenser (partiellement) l'effet de la force centrifuge. Nécessité d'un compromis Cet écart résulte en pratique d’un compromis, toujours inférieur à la valeur maximum théoriquement nécessaire. En effet, la vitesse des trains est variable, soit parce qu’il s’agit d’une ligne mixte où circulent des trains dont la vitesse limite autorisée est différente (rapides, omnibus, fret...), soit sur une ligne spécialisée où circulent des trains homogènes (par exemple une ligne LGV) par suite des aléas de la circulation, un train pouvant même, éventuellement se trouver arrêté dans la courbe. Le dévers est en général pris de Il en résulte :  prend le dessus).  Dévers théorique et pratique l'ordre de 7/10 du dévers théorique calculé pour la vitesse maximale pratiquée sur la ligne, tout en restant encadré:  pour les trains plus rapides une insuffisance de dévers (la sensation d'être poussé vers l'extérieur de la courbe domine).Dans le profil en travers d’une voie ferrée en courbe, l’insuffisance de dévers est donc l’écart, négatif, entre le dévers théoriquement nécessaire pour compenser la force centrifuge et le dévers réel.  pour les trains plus lents, voire à l'arrêt, à l’inverse un excès de dévers (la sensation de « glisser » vers l'intérieur, incliné, du train dans certaines limites établies par l’expérience. Il est

75. 75 par exemple impensable que le centre de gravité de l'engin incliné se retrouve en porte-à-faux par rapport aux rails car ceci pourrait mener à un basculement de l'engin. Calcul du dévers Le dévers théorique vaut donc d=11,8.v2 /r, d en mm, v étant la vitesse maximum en km/h et r le rayon de la courbe en mètres. Dévers pratique L’hétérogénéité des vitesses pratiquées et des types de train circulant sur une même section de ligne à conduit à fixer un dévers pratique inférieur au dévers d’équilibre (impossible à mettre en place pour toutes les vitesses pratiquées) En vue d’homogénéiser les contraintes subies par la voie et la fatigue entre rail bas et rail haut et ainsi d’optimiser l’entretien de celle-ci, la valeur du dévers pratique tient compte de l’importance relative des trafics voyageurs et marchandise et de la dispersion des vitesses pratiquées Le dévers pratique ou dévers prescrit est calculé au moyen d’un coefficient constant sur la section de ligne considérée, le coefficient «C» (multiple de 15), proportionnellement à la courbure: 𝒅(𝒎𝒎) = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝑪 𝑹(𝒎) = 𝟎, 𝟎𝟐𝑪𝒇(𝟏𝟎𝒎) Pour des raisons techniques (arrêt en courbes, démarrage) le dévers prescrit est limité à 160 mm en valeur recommandée et 180 mm en limite exceptionnelle. L'insuffisance de dévers maximale est généralement limitée à 130 mm .

76. 76 Augmenter le rayon des courbes L’autre moyen de réduire la force centrifuge est d’augmenter le rayon des courbes. L'application des limites de devers précédentes, donnent le rayon minimal pour une vitesse donnée: r = (v/5,2)2 . Ainsi sur les lignes parcourues à 160 km/h, on ne descend pas en dessous de 1000 m pour les rayons des courbes, et de 4000 m pour les lignes à grande vitesse. 3.9.3- Véhicules pendulaires Pour le confort des voyageurs, on peut également utiliser des trains pendulaires. Dans ce cas l’inclinaison de la caisse est due à un système propre au véhicule plutôt qu'à l'infrastructure au sol. Cela compense l’insuffisance de dévers au moins partiellement, et présente l'avantage de pouvoir être modulé en fonction de la vitesse (pendulation active). Mais cela ne change rien aux efforts imposés à la voie, qui sont au contraire amplifiés si on accepte de franchir une courbe donnée à vitesse plus élevée. La technique pendulaire utilisée par la Deutsche Bahn sur la ligne Hof/Bayreuth-Nuremberg en Allemagne permet une insuffisance de dévers de 300 mm, pour un gain de temps de trajet de 15 %. Véhicule pendulaire – Avantages des trains pendulaires : Temps de parcours plus courts grâce à la possibilité de franchir les courbes à des vitesses supérieures. – Inconvénients: Efforts plus élevés sur la voie en courbe. 3.9.4- Raccordement parabolique et confort des voyageurs Le confort des voyageurs dépend aussi des variations de cette insuffisance de dévers à l’entrée et à la sortie des courbes. Pour y parer, on adopte dans ces zones des formes de courbure progressive dite « raccordement parabolique (RP) ou clothoïde ».

77. 77 Il s’agit de zones délicates pour la stabilité des véhicules, car il se forme du fait de l’inclinaison progressive de la voie un « gauche », ce qui signifie que les quatre points correspondants aux points de contact des roues d’un véhicule ne sont pas dans le même plan. Et contrairement aux véhicules automobiles dotés généralement de plusieurs roues à suspension indépendantes, les trains sont (dans leur toute grande majorité) équipés d'essieux rigides qui imposent des dispositifs de suspension adaptés. En outre, des études ont montré que ces corrections de l'effet centrifuge provoque une cinétose (mal des transports) liée au fait que le cerveau détecte une incohérence entre la perception visuelle de la courbe et de l'inclinaison du corps d'une part, et la perception vestibulaire (le « sens de l'équilibre » logé dans l'oreille interne) qui ne détecte pas cette inclinaison. III-10-Entretien des installations fixes 3.10.1-Consistance de l'entretien de la voie L'entretien de la voie ferroviaire est concentré sur le ballast et la rectitude d'alignement des rails. La maintenance des rails porte sur leurs défauts internes ou externes. Sous l'action du passage des essieux, les contacts peuvent fatiguer le rail. Des défauts internes ou des soudures mal faites peuvent générer des fissures non débouchantes que l'on détecte par ultra-sons. La surveillance d'un réseau ferroviaire par ces méthodes est critique pour la sécurité mais aussi pour la maîtrise des coûts de maintenance. Engins modernes d’entretien voie

78. 78 Les chemins de fer moderne investissent dans des machines à haut rendement qui permettre aux opérateur de la maintenance d’améliorer nettement la qualité de leurs services Quelques engins modernes d’entretien voie 3.10.2-Inspection de la voie Les techniciens en entretien de la voie ferrée inspectent la voie en vue de déceler les défectuosités. Au besoin, ils interviennent, remplacent et réparent les éléments usés ou brisés. Ils utilisent des machines et de l'équipement pour entretenir et réparer les rails de la voie ferrée afin de la maintenir à l'intérieur des tolérances requises et en bon état de fonctionnement.

79. 79 Eléments à vérifier 3.10.3-Fonctions principales : - Patrouiller et inspecter dans les différentes sections de la voie ferrée afin de déceler, identifier et signaler les parties de voie endommagées, brisées ou susceptibles de ne plus être conformes aux normes de sécurité; - Vérifier les commandes et l'équipement afin de déceler les risques d'endommager la voie ferrée; - Intervenir au besoin pour effectuer des activités d'entretien ou de réparation en calibrant et conduisant la machinerie spécialisée telle que les machines pour aligner les rails, pour déplacer, étendre, niveler et damer le ballast sous les traverses et les rails, dégager la voie ferrée du sable, … - Utiliser au besoin des outils spécialisés tels que les glisseuses de traverses, les ancreuses, les souleveuses de rail, les enfonçoirs de tire-fond, les scies à rails et les grues à traverses pour effectuer l'installation, l'entretien et la préparation de la voie ferrée; - Effectuer des réparations mineures sur ces outils afin de les maintenir en bon état d'utilisation; - Au besoin, enlever le sable ou tout autre obstacle détecté sur les boîtes d'aiguillage; - Effectuer toute autre tâche d'entretien pour maintenir en tout temps la voie ferrée en activité selon les normes de sécurité. 3.10.4-Conditions de travail L'exploitation ferroviaire est vue comme un service d'urgence semblable à celui de la police ou des ambulances. Les chemins de fer fonctionnent 24 heures sur 24 et 365 jours par année. Les techniciens en entretien de la voie ferrée doivent être prêts à travailler lorsque la sécurité l'exige, à toute heure, pendant les fins de semaines. Ils sont appelés à intervenir dans toutes les circonstances atmosphériques et peuvent être exposés régulièrement à la poussière, au bruit et aux vibrations… Ils doivent donc être en excellente forme physique. A noter qu’ils peuvent évoluer vers des emplois tels que chef d'équipe, contremaître, soudeur, conducteur de matériel de travaux ou gestionnaire de divers niveaux. III-11-Le gabarit ferroviaire 3.11.1-Définition Le gabarit ferroviaire désigne le contour transversal d'un véhicule ferroviaire. Ce contour, qui fait l'objet d'une normalisation précise, doit s'inscrire dans le gabarit des obstacles, qui est le contour qui doit être maintenu libre dans les installations ferroviaires. Le chemin de fer étant un mode

80. 80 guidé, les véhicules ne peuvent pas dévier de leur voie pour éviter tout obstacle imprévu, d'où l'importance de la notion de gabarit. L'harmonisation des gabarits est nécessaire pour permettre l'interopérabilité des réseaux ferroviaires. Contour transversal d'un véhicule ferroviaire Gabarit d’un tunnel ferroviaire: 3.11.2-Gabarit de chargement Le terme de gabarit désigne aussi un profil métallique qui reproduit la partie haute du gabarit de chargement et qui permet de contrôler directement le respect des cotes imposées par un chargement réalisé sur un wagon avant d'autoriser son expédition. Reproduction de la partie haute du gabarit Le gabarit de chargement est défini comme étant une combinaison:  de l‘écartement des rails  de l‘encombrement

81. 81  de la capacité de charge à l‘essieu. IV-Sécurité ferroviaire et équipements de traction IV-1-Sécurité ferroviaire 4.1.1-Définition La sécurité ferroviaire est un ensemble de moyens humains et techniques permettant d'éviter les accidents ferroviaires, ou de diminuer les conséquences de tels accidents. Les principaux risques ferroviaires sont:  le déraillement : incident ou accident dans lequel un véhicule ferroviaire sort des rails, totalement ou partiellement et dont l’origine peut être diverse (avarie sur le matériel roulant ou l’infrastructure, vitesse excessive, etc.) ;  le nez à nez : collision frontale entre deux trains ;  le rattrapage : collision par l’arrière lorsqu’un train percute un autre train qui se trouve devant lui ;  la prise en écharpe : collision latérale entre deux trains qui se produit à une intersection ou à une jonction de voies ;  la collision avec un obstacle (éboulement sur la voie, véhicule routier présent sur un passage à niveau, etc.). Ces risques peuvent être maîtrisés par :  l’application de règles de conception de l’infrastructure et des véhicules telles qu’une anomalie n’entraîne jamais à elle seule une situation de danger ;  la mise en œuvre de règles de maintenance de l’infrastructure et des véhicules adaptées ;  l’application stricte des règles et des procédures de sécurité ;  un suivi opérationnel organisé et fiable car, malgré une anticipation pour assurer la sécurité, des événements opérationnels peuvent survenir (pannes, intempéries, etc.) ;  la formation des personnels, notamment ceux assurant les tâches de sécurité ;  la mise en œuvre de « boucles de rattrapage » techniques pour pallier les erreurs humaines telles que les systèmes de contrôle de vitesse qui provoquent l’arrêt du train en cas de

82. 82 dépassement de la vitesse autorisée ou les dispositifs d’arrêt automatique des trains en cas de franchissement intempestif d’un signal fermé ;  la mise en place d’un retour d’expérience continu afin d’analyser les accidents et les incidents pour en appréhender les causes dans le but d’améliorer la sécurité en permanence. 4.1.2-Le système de gestion de la sécurité Un système de gestion de la sécurité (SGS) est un ensemble structuré et organisé de moyens, de procédures et de procédés visant à améliorer la sécurité de manière continue, établi et mis en œuvre par un exploitant ferroviaire (gestionnaire d’infrastructure ou entreprise ferroviaire). Il s'agit d'une approche raisonnée de la sécurité. C’est un processus systématique, précis et complet qui vise à identifier et à gérer les risques liés aux activités de l’exploitant ferroviaire de façon continue, afin de préserver et d'améliorer la performance de sécurité. Un SGS fait partie intégrante de l’organisation de l’exploitant, de sa culture et des modes de travail de son personnel. A l'instar d'un système «qualité», il s'agit d'un outil de pilotage de la sécurité au sein de l'entreprise. IV-2-Signalisation ferroviaire La sécurité ferroviaire est en particulier le rôle de la signalisation. Celle-ci est un ensemble d'informations destinées à un véhicule circulant sur une voie ferrée, lui indiquant quand se mettre en mouvement, quand s'arrêter et la vitesse à ne pas dépasser essentiellement dans le but de supprimer les risques ferroviaires. Initialement, le chemin de fer utilise le « cantonnement téléphonique ». Sur les lignes classiques les plus fréquentées, il s'agit fréquemment de blocks dont les différents types sont :  Le block manuel (B.M.).  Le block automatique à permissivité restreinte (B.A.P.R.).  Le block automatique lumineux (B.A.L.). 4.2.1-Le block manuel Le block manuel (BM) sur les signaux lumineux est un système de signalisation ferroviaire qui permet d'assurer l'espacement des trains de même sens. Sur les lignes à une seule voie (voie unique), il a en outre pour objet de s'opposer à l'expédition d'un train d'une gare vers la gare suivante, si un autre train de sens contraire est déjà engagé entre ces deux gares. Il existe deux catégories de block manuel :

83. 83  le block manuel sans appareils de block (ou cantonnement téléphonique),  le block manuel avec appareils de block. En voie unique, le block manuel est interrompu à la traversée des gares. Signal lumineux en block manuel Le block manuel est utilisé sur des lignes peu fréquentées. Le nombre de signaux implantés sur les voies est très réduit. L'inconvénient ce type de block est qu'il ne permet pas un gros débit sur les lignes. 4.2.2-Le block automatique à permissivité restreinte (BAPR) Le BAPR est utilisé sur des lignes à trafic moyen. La longueur des cantons est relativement importante (plusieurs kilomètres). Ce système présente l'avantage d'une sécurité accrue par rapport au block manuel (le risque d'erreur humaine est diminué), le nombre de signaux implantés reste faible. Ce type de block ne permet pas des débits élevés sur une ligne. En effet le franchissement des signaux d'espacements fermés est interdit, pour éviter des marches à vue trop longues (puisque les cantons sont grands !), d'où son nom de "permissivité restreinte".

84. 84 4.2.3- Blocks automatiques Le block automatique est l’une des plus anciennes utilisation d’automatismes électriques en signalisation, assurant à la fois la protection des circulations et l’amélioration du débit par rapport aux blocks manuels. Le block automatique lumineux (BAL) Le BAL est utilisé sur les lignes principales. Ce système est automatique et permet un débit maximal sur une ligne. Il autorise également un espacement réduit des circulations puisque le franchissement des signaux d'espacements fermés en marche à vue est autorisé (c'est un système "permissif"). Lorsqu'un train n'est ni en marche à vue, ni en marche en manœuvre et ni en marche prudente, il est en marche normale; la vitesse limite du train dépend de la section de ligne concernée, de la vitesse limite des différents éléments du convoi ainsi que de leur capacité de freinage combinée. Les signaux lumineux utilisent des couleurs suffisamment différenciées pour ne pas êtres confondues par les conducteurs. Ces couleurs sont le vert, le jaune , le rouge, le blanc , le violet . A noter que les installations de signalisation sont réparties le long de la ligne dans des postes d’aiguillage et des centres d’appareillage intermédiaires. Elles sont mises en œuvre conjointement avec le SEI (Système d’Enclenchement Intégré) et Transmission Voie/Machine (TVM), et le système ERTMS (European Rail Traffic Management System). 4.2.4- L'Européen Rail Trafic Management System (RTMS) Le système européen de gestion du trafic ferroviaire (en anglais, European Rail Traffic Management System, ERTMS) est une initiative européenne qui vise à harmoniser la signalisation ferroviaire en Europe et ce suite à l'ampleur que prend le trafic international. Ce système présente aujourd’hui deux composantes de base :

85. 85 • L’ETCS :(European Train Control System) le système européen de contrôle des trains. • Le GSM R: Basé sur le standard GSM mais utilisant des fréquences différentes propres au Rail ainsi que certaines fonctions avancées. Il s’agit du système radio utilisé pour échanger des informations (voix et données) entre le sol et le bord. Il existe aujourd'hui deux niveaux de ETCS :  ETCS niveau 1 : Sur des lignes où il existe une signalisation latérale (feux et panneaux de signalisation permettant au conducteur de connaître la vitesse permise). ETCS niveau 1  ETCS niveau 2 : Les informations peuvent aussi être transmises par radio (GSM-R), et il n’est plus nécessaire de maintenir les signaux latéraux. La détection de l’occupation de la voie continue de s’effectuer au sol

86. 86 ETCS niveau 2 Cabine de train équipée de ETCS IV-3-Les télécommunications 4.3.1- Bref historique En 1837, donc peu de temps après la mise en service des premières lignes commerciales de chemins de fer. Cooke et Wheatstone, en Angleterre, inventent le télégraphe électrique et Morse, aux États-Unis, met au point un code adapté à cette technique. Il s’agissait, en simplifiant à l’extrême, du premier système numérique de transmission, agissant à distance sur des relais et des

87. 87 rotatifs, et le code Morse était une préfiguration du codage numérique du langage. Sous ces deux aspects, le télégraphe, à ses débuts, n’a été utilisé que par les chemins de fer. Notons, par ailleurs, cette première unicité des techniques entre télécoms et signalisation (échange des messages et envoi d’informations sur la situation du trafic). Cette unicité va disparaître, les télécoms devenant analogiques (téléphone) et la signalisation restant presque numérique (impulsions de courant, relais...). Par contre, en fin du xxe siècle on revient à une nouvelle intégration des techniques par le biais de la numérisation des informations. C'est ainsi que courant le 20è siècle, après une période fertile en innovations et en développements de technologies de pointe, il y a eu apparition de la fibre optique et de commutateurs multiservices, deux techniques qui se sont développées durant les dernière décennies. C'est ainsi que pour une bonne exploitation de la ligne, il est nécessaire de pouvoir transmettre des informations de sécurité et téléphoner du centre de commande vers les trains et vice versa. À cet effet, tous les câbles sont raccordés, connectés et reliés à une artère principale en fibre optique. Le réseau des télécommunications est organisé autour du poste de commande à distance régulant les circulations et du central sous-station gérant l’énergie pour l’ensemble de la ligne ferroviaire. Les informations du sol vers le train se font par transmission avec le système radio GSM-R. (système de téléphonie mobile adapté pour les chemins de fer, utilisable par et pour les trains du réseau). 4.3.2- Télécommunications GSM-R Afin de pouvoir garantir et élargir l’offre de transports publics avec leurs partenaires, l'entreprise ferroviaire doit se munir d’une plate-forme de communication moderne et uniforme qui offre des perspectives d’avenir. Dans ce sens, une plate-forme uniforme et standardisée permet de renforcer la sécurité du trafic ferroviaire, d’accroître l’efficacité et de garantir une communication rapide et ciblée à bord des trains et dans les gares, afin de répondre au mieux aux besoins de la clientèle. Le GSM-R (« Global System for Mobile communication for Railways », soit Système global de communication mobile pour les voies ferrées) est la nouvelle norme internationale dédiée au mode ferroviaire. Basée sur la même technologie que le GSM - le standard de téléphonie mobile grand public -, elle offre des fonctionnalités spécifiques. Grâce à elle, les régulateurs de trafic peuvent, par exemple, gérer la priorité des appels et joindre simultanément un groupe de trains dans une zone géographique donnée en mode «conférence». Cela permet de mieux communiquer en cas d’aléa, et renforce la sécurité des circulations. Grâce au GSM-R, les conducteurs de trains peuvent également communiquer efficacement avec

88. 88 les différents membres des équipes ferroviaires : régulateurs de trafic, équipes de manœuvre, personnels à bord des trains, chefs de gare. Il participe ainsi à l’amélioration de la sécurité et de la qualité de service globale. Le GSM-R assure par ailleurs les échanges de données de signalisation entre les trains et les postes de régulation : le train communique sa position et sa vitesse, et reçoit en retour l’autorisation de poursuivre son voyage à une nouvelle vitesse maximale. Combiné avec le système de signalisation, le GSM-R est donc aussi un outil au service de l’amélioration des performances de capacité et de sécurité du réseau. Il est à noter que le standard de communication européen GSM-R simplifie considérablement le trafic transfrontalier et contribue à dynamiser le trafic ferroviaire international. Il permet aux trains de circuler plus vite et de se succéder à des intervalles plus courts. Cette nouvelle technologie ouvre la voie à une densification de l’horaire, synonyme d’un enthousiasme croissant pour les réseaux de transports publics. IV-4-Electrification des lignes ferroviaires 4.4.1- Système d’électrification Un système d’électrification ferroviaire est l’ensemble des moyens mis en œuvre pour alimenter en énergie électrique les trains (locomotive électrique ou rame automotrice électrique). Les trains sont alimentés en courant alternatif haute tension ou en courant continu. L’alimentation passe par un troisième rail ou une caténaire et le retour de courant se fait par les rails de la voie ou un quatrième rail dédié. Les tensions courantes sont le 600 V et le 750 V pour les tramways, trolleys et métros, et le 1 500 V et le 3 000 V pour les grands chemins de fer. Les moteurs électriques courants, à commutation, peuvent aussi être alimentés en courant alternatif (moteur universel), parce que l'inversion du sens du courant à la fois dans le stator et le rotor ne change pas la direction du couple. Le système alternatif monophasé 25 kV 50 Hz est utilisé en Europe notamment les LGV, dans les pays de l'ex Union soviétique, l'ex-Yougoslavie, en Inde, au Japon et dans certaines parties de l'Australie, au Maroc (LGV),.

89. 89 Caténaire 2 × 25 kV 4.4.2- Alimentation de la caténaire ou du troisième rail La fourniture d'électricité aux caténaires ou au troisième rail est une problématique à part entière de l'électrification ferroviaire. Une locomotive électrique est mue par des moteurs électriques. Ceux-ci sont alimentés soit, cas le plus général, par une ligne de contact aérienne, soit par un troisième rail (notamment dans les métros), ou parfois par des accumulateurs de bord. Une locomotive électrique peut être monocourant (alimentée par un seul type de courant) ou bien polycourant, c'est-à-dire apte à utiliser plusieurs types de courant (le plus souvent bi- ou tricourant). Les locomotives de ligne peuvent atteindre des puissantes de 6 MW ou plus. Une fois produite, l’électricité se fraye un chemin sur le réseau de transport d’électricité, jusqu’à parvenir aux sous-stations électriques ferroviaires (postes de transformation et de distribution du courant électrique nécessaire à l’alimentation du train). Les sous-stations ferroviaires sont réparties le long des lignes de chemin de fer pour garantir une alimentation électrique régulière, fiable et performante des trains. Les systèmes ferroviaires les plus modernes utilisent une source de courant alternatif à fréquence industrielle. Les moteurs électriques installés sont des moteurs asynchrones triphasés ou synchrones à aimants permanents. La caténaire est la ligne aérienne de traction électrique, située au dessus de la voie ferrée. La caténaire, du latin « catena » (chaîne), est constituée d’un ou deux fils de contact suspendu(s) à des poteaux implantés le long des voies. Ces câbles en cuivre assurent l’alimentation électrique des trains. Au Maroc, la moitié sud du réseau est électrifiée en courant 3000 V continu. La ligne à grande vitesse est électrifiée entre Kenitra et Tanger en courant alternatif 25 KV 50 Hz. En France, la majeure partie du réseau ferré est équipée de caténaires alimentées en 25 KV 50 Hz. Cependant on

90. 90 trouve encore de vastes zones alimentées pour des raisons historiques en courant continu 1500 volts . L'alimentation se fait en 3000 volts continu en Italie, en Espagne, en Pologne et en Belgique. Les lignes du Sud de l'Angleterre sont alimentées en 750 volts continus par troisième rail. L'Allemagne, l'Autriche, la Suisse, la Norvège et la Suède sont électrifiées en 15 kV 16⅔ Hz. D’où vient l’électricité qui alimente les trains ? Une fois produite, l’électricité se fraye un chemin sur le réseau de transport d’électricité, jusqu’à parvenir aux sous-stations électriques ferroviaires. Les sous-stations ferroviaires sont réparties le long des lignes de chemin de fer pour garantir une alimentation électrique régulière, fiable et performante des trains. Les trains à grande vitesse en particulier sont alimentés en courant 25 000 volts alternatif, appelé courant de traction. Deux sous-stations situées le long de la LGV permettent de transformer le courant très haute tension (THT) en courant de traction pour les caténaires de la ligne. Précisément, dans les sous-stations, le courant du réseau de transport (haute tension : 90 000 - 63 000 Volts) est transformé en courant de traction (25 000 V alt ou 3000 Volts cont). L’électricité passe ensuite par la caténaire de la ligne de chemin de fer, elle est captée par le pantographe, situé sur la toiture des motrices, rejoint le transformateur puis alimente enfin le moteur du train. Un système caténaire est un ensemble de câbles soutenu par des supports. On distingue le câble porteur du fil de contact. Ce dernier est suspendu au câble porteur par des pendules. Il doit être situé à une hauteur constante. La caténaire distribue le courant à la locomotive. Le point de contact s’effectue à l’aide d’un appareil appelé pantographe. Pour une parfaite transmission de puissance, ce contact doit être le plus continu possible. Le pantographe capte le courant sur la caténaire et le transmet à la locomotive. Il est fabriqué en

91. 91 alliages légers comportant du carbone et du cuivre. Il a une forme en « Z » et un archet au sommet. Des ressorts permettent de maintenir l’archet sur la caténaire avec une pression la plus constante possible. Electronique de puissance 4.4.3- Sous-stations ferroviaires Des sous-stations d'alimentation sont nécessaires pour convertir le courant électrique de sa tension de transport à sa tension d'utilisation. La tension utilisée conditionne la distance entre deux sous- stations; plus la tension est élevée, plus elles seront éloignées les unes des autres. Espacées généralement d'une trentaine de kilomètres, les sous-stations sont des installations électriques qui traitent des puissances électriques très élevées et doivent être raccordées au réseau de distribution haute tension. Captage du courant Le captage du courant se fait aujourd'hui principalement de deux façons :  par fil de contact aérien, simple ou supporté par une caténaire ou un profil aérien de contact ;  par rail conducteur (troisième rail).

92. 92 Caténaire et son support Retour du courant de traction Le retour de courant se fait par les rails de la voie ou un quatrième rail dédié. jusqu'a la sous station. Un engin de traction électrique est donc alimenté par un circuit électrique fermé, le circuit de traction comprenant les éléments suivants :  une source fixe, la sous-station,  un récepteur mobile, l'engin de traction,  une ligne constituée par la ligne de contact, les rails et l'environnement immédiat de la voie. Ce circuit est déformable avec le mouvement des trains. Entre la sous-station et l'engin de traction la ligne décrite ci-dessus présente une impédance Z variable avec la distance qui entraîne une chute de tension ∆U variable également. Au fur et à mesure que l'engin de traction s'éloigne de la sous-station la tension qu'il capte entre la ligne de contact et les rails diminue jusqu'à un minimum acceptable par le matériel. Que l'alimentation soit en l'air ou au sol son principe reste le même: un frotteur vient en contact

93. 93 avec un rail ou un fil pour capter le courant. La liaison entre le frotteur et l'alimentation permet un débattement vertical pour absorber les irrégularités de la ligne. Le troisième rail permet d'avoir un gabarit plus réduit et demande une infrastructure moins lourde que le contact aérien. Il a par contre l’inconvénient de limiter la tension utilisable et d'être dangereux pour la sécurité des gens qui marchent à côté de la voie. 4.4.4- Locomotives polytensions Du fait de la diversité des systèmes d'électrification ferroviaire, qui peuvent varier même à l'intérieur d'un pays, les trains doivent souvent passer d'un système à l'autre. Un des moyens de le faire est le changement de locomotives dans les gares de contact. Ces gares sont équipées de caténaires qui peuvent basculer d'un type de courant à l'autre, de sorte qu'un train peut arriver avec une locomotive et repartir avec une autre. C'est toutefois un système qui présente des inconvénients et des surcoûts : perte de temps, nécessité de disposer de différents types de locomotives. Un autre moyen est de disposer de locomotives polytensions capables de fonctionner sous des courants de différents types. C'est le cas par exemple des rames LGV bi-courant 25 KV alternatif - 3000 V continu) du Maroc qui peuvent passer, sans nécessiter un arrêt, d'un type de courant à un autre. Toutefois, il faut noter que le coût de construction des locomotives polytensions est généralement plus élevé. 4.4.5- Central sous-stations Un central sous-stations est une commande centralisée qui permet de :  télécommander les appareils d’interruption des caténaires : disjoncteurs, interrupteurs et certains sectionneurs ;  contrôler la position effective de chaque appareil d’interruption télécommandé ;  localiser les défauts en ligne (incident caténaire, disjonction provoquée par une machine électrique, mise à la terre intempestive, ...) ;  exécuter les coupures d’urgence et gérer les demandes de consignation C des caténaires primaires,( la consignation C d’un élément de caténaire est un ensemble de mesures, destiné à supprimer la tension d’alimentation dans cet élément et à le protéger contre tout risque de réalimentation);  assurer, en liaison avec le fournisseur d’énergie électrique, l’alimentation des sous-stations

94. 94 en courant à haute tension.  Central sous stations (CSS) V-Le matériel roulant V-1-Constitution d'un train Un train est constitué d’une série de véhicules sur roues tractés par une locomotive. Il se déplace sur un chemin de fer, c’est à dire une voie qui assure son guidage. Dans la plupart des locomotives diesels, le moteur entraîne un générateur qui produit du courant électrique. Ce dernier actionne des moteurs électriques qui entraînent les roues. Les ingénieurs mirent au point les premières locomotives électriques vers la fin du XIX siècle. Elles prenaient le courant à partir d'une caténaire ou bien d'un troisième rail parallèle à la voie. Les machines électriques possèdent des avantages sur les machines diesel : plus rapides et silencieuses, elles sont plus faciles à conduire.

95. 95 5.1.1- La rame automotrice Une rame automotrice, ou train automoteur, est un ensemble de véhicules ferroviaires, destinés au transport de voyageurs, formant une rame indéformable en service courant, intégrant la motorisation. La traction peut être électrique, ou diesel. Une rame automotrice est réversible et est équipée d'une cabine de conduite à chaque extrémité. Rame ZM (Maroc) L'intérêt des rames automotrices réside dans la simplification de l'exploitation, puisque sont supprimées toutes les manœuvres d'attelage/dételage entre locomotives et voitures. Cela procure un gain en frais d'exploitation et en temps, notamment pour les changements de sens de marche dans les gares terminus, gain d'autant plus sensible que la rotation des rames est plus serrée (relations à courte distance, services cadencés). La longueur fixe des rames garantit l'homogénéité des performances de traction. 5.1.2- La locomotive Locomotive Diesel Dans la plupart des locomotives diesels, le moteur entraîne un générateur qui produit du courant électrique. Ce dernier actionne des moteurs électriques qui entraînent les roues.

96. 96 Les machines électriques possèdent des avantages sur les machines diesel : plus rapides et silencieuses, elles sont plus faciles à conduire. 5.1.3- La voiture à voyageurs Une voiture de chemin de fer est un véhicule remorqué spécialement conçu pour le transport de voyageurs, dans des conditions normales de confort et de sécurité. Il existe différents types de voitures : Voiture à compartiment, Voiture à couloir central, Voiture couchettes, Voiture lits, Voiture restaurant. 5.1.4- Le wagon Un wagon est, dans le monde des chemins de fer, un véhicule destiné au transport des des marchandises. Les wagons ne sont pas capables de se mouvoir de manière autonome et doivent être tractés ou poussés. Dans la plupart des cas, une locomotive joue ce rôle La durée moyenne de vie d'un wagon de fret est d'environ 50 ans (plus que pour le reste du matériel roulant). Ils sont souvent plus lourds et ont donc plus d'impacts physiques (usure) sur le réseau ferré. Ils n'ont pas priorités sur les transports de voyageurs car les trains de marchandise ont plus de contraintes en termes d'accélération, freinage, temps de déchargement, etc. Pour limiter les risques en cas d'accident, les wagons de produits chimiques dangereux circulent surtout de nuit. Les différents types de wagons sont : les Wagon plat, Wagon couvert, Wagon tombereau, Wagon citerne, Wagon trémie. Wagon plat

97. 97 Wagon tombereau Wagon citerne Wagon trémie V-2-Le bogie 5.2.1- Définition Un bogie (ou boggie) est un chariot situé sous un véhicule ferroviaire, sur lequel sont fixés les essieux (et donc les roues). Il est mobile par rapport au châssis du véhicule (locomotive, wagon ou voiture) et destiné à s'orienter convenablement dans les courbes A noter que le mot bogie est un mot d'origine anglaise qui signifie cabriolet, c'est-à-dire un attelage hippomobile se guidant facilement.

98. 98  Les essieux (et donc les roues) sont fixés sur le bogie (chariot situé sous un véhicule ferroviaire)  Le bogie assure essentiellement la liaison entre le matériel roulant (wagon ou voiture) et l'infrastructure  La charge du véhicule repose en général sur le bogie par l'intermédiaire d'un pivot central appelé cheville ouvrière .  Chaque véhicule (locomotive, voiture, wagon) possède ses propres bogies (généralement deux)  Bogies situés aux raccords entre les voitures dans le cas des rames articulées, notamment les TGV et Talgo). La fonction essentielle des bogies est de faciliter l'inscription en courbe. En effet, les bogies du véhicule peuvent pivoter indépendamment les uns des autres, ce qui autorise des rayons de courbure plus faibles, et un éloignement plus important entre les essieux (qu'ils soient moteurs ou porteurs). L'utilisation des bogies permet la circulation sur une voie dont le rayon de courbure est relativement faible La charge du véhicule repose en général sur le bogie par l'intermédiaire d'une crapaudine centrale (sur le bogie) et d'un pivot (solidaire du châssis du wagon) sécurisés par une cheville ouvrière. Sur les véhicules actuels, le bogie peut glisser librement sous la caisse, ce qui améliore le confort ; on parle dans ce cas de « pivot fictif » comme sur les voitures de type « Corail ». 5.2.2- La roue de l’essieu

99. 99 Le bandage des roues et conique (1/20ème), celles-ci sont solidaires de leur axe commun et donc obligées au même nombre de tours. L'essieu se comporte comme un dicône et s’autocentre sur une voie en alignement en revenant dans une position médiane, il y a donc glissement au contact roue rail et rotation de l’essieu. Cette trajectoire sinusoïdale est appelée lacet. La longueur d’onde L dépend du rayon r de la roue, de la différence s des 2 circonférences de roulement et de l’angle du cône α. Conicité du bandage de la roue V-3-L’attelage entre véhicules 5.3.1- Définition L'attelage est l'organe essentiel de formation de la rame. Il était à l'origine du chemin de fer constitué par des chaînes. La nécessité d'une liaison semi-rigide s'est rapidement fait sentir essentiellement lors des ralentissements et des freinages. On utilisa des éléments de choc élastiques que sont les tampons. Un attelage réalise la liaison entre deux véhicules. En général, l'un des véhicules est tractant, l'autre est remorqué. Un attelage doit avoir des propriétés particulières. Il doit disposer d’une résistance mécanique à la traction pour transmettre l'effort de remorquage et éviter une rupture d'attelage. Il doit également transmettre les variations de vitesses et le dispositif doit aussi induire les décélérations. Les wagons de chemin de fer disposent d’organes de choc et de traction donnant sécurité et cohérence aux convois. Qui dit convoi, dit composition de rames, ce qui entraine une manipulation des attelages lors des manœuvres pour accrocher ou décrocher les véhicules. La manipulation fréquente des attelages demande une certaine légèreté qui fait de ces pièces l’élément faible des convois.

100. 100 A noter que l'autre paramètre important rentrant dans la limite de résistance des attelages est la composition des convois selon les profils de lignes. Un attelage doit avoir des propriétés particulières :  résistance mécanique à la traction pour transmettre l'effort de remorquage et éviter une rupture d'attelage ;  degrés de liberté pour s'adapter facilement aux positions relatives de la remorque par rapport au véhicule tracteur ;  rigidité pour transmettre les variations de vitesse aux différents véhicules et éviter les mouvements intempestifs de la remorque qui entraînent des collisions entre tracteur et remorque. L'attelage peut être à vis (manuel) ou automatique. 5.3.2- Attelage à vis = attelage manuel C'est un attelage manuel qui comporte deux maillons reliés par une vis à pas contraires : une fois les maillons en place sur les crochets de chaque wagon, le serrage de la vis est manuel ; sur le matériel voyageur, l'attelage est tendu « tampons joints ». Attelage à vis = attelage manuel Les opérations d’attelage manuelles sont les opérations les plus pénibles et les plus dangereuses de l’exploitation ferroviaire. Dans les triages, les attelageurs répétent cette opération des centaines de fois pour traiter le trafic diffus. En service voyageurs, les rames réversibles et les rames automotrices à attelage automatique ont limité ces interventions. Tel n’est pas le cas en fret pour qui le taux d’accidentologie reste trop élevé. 5.3.3- Attelage automatique Dans le cas d'un attelage automatique, une rame vient se coller à l‘autre à faible vitesse pour limiter la «secousse» ressentie. Puis elles sont reliées par un attelage automatique comprenant:

101. 101  des systèmes mécaniques pour assurer la connexion entre les deux trains,  des conduites pneumatiques pour garantir la continuité entre les deux trains et enfin des têtes électriques pour permettre le contrôle depuis une seule cabine. Pour optimiser l’aérodynamisme, les systèmes d’attache sont parfois camouflés derrière des trappes. Attelage automatique L'attelage automatique est de plus en plus utilisé, rapide et nécessite un minimum d'opérations manuelles. V-4-Le pantographe 5.4.1- Fonction du pantographe C'est une pièce mécanique articulée située au-dessus de la locomotive permettant de capter le courant électrique:

102. 102 Le pantographe:  Capte le courant sur la caténaire et le transmet à la locomotive  Parfaite transmission de puissance, contact continu  En alliages légers comportant carbone et cuivre  Fixé sur le toit de la locomotive au moyen d'isolateurs  Contact avec la caténaire par une pièce horizontale, l'archet  Déploiement du bras assuré par un dispositif pneumatique, qui permet de maintenir une certaine pression sur la caténaire  Repliement par gravité, lorsque la pression d'air est annulée 5.4.2-Archet du pantographe L'archet est une pièce horizontale qui assure le contact avec la caténaire, au sommet du pantographe d'une locomotive électrique. Selon le type du courant utilisé, l'archet est d'une largeur différente : plus large en 3000 V C qu'en 25 000 V ~.

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