hydrauliques dans les plates‐formes des structures ferroviaires pour LGV. 
Modélisations numérique et expérimentale de leu...
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Carte de France des projets ferroviaires (2013) 
Objectif: rationnaliser le cout économique e...
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Caractéristiques d’une plate‐forme LGV 
Profil en travers type LGV (IN3278) 
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NE: nombre d’essieu équivalent 
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METHODE EXPERIMENTALE 
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Répartition des contraintes sous les traverses (CESAR‐LCPC) 
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Paramètres du modèle semi‐analytique (ViscoRoute© 2.0) 
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Comparaison des résultats des deux modèles 
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maximale (ViscoRoute© 2.0) 
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Validation expérimentale du cas monotone 
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Epaisseur de la couche de forme pour les trois sols traités 
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Sol CSG 6 = 1.74* Rt 
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Dimensionnement de l’essai bi‐axial (contrainte) 
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Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959 
ASTM 2009 
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Dispositif d’essai pour l’essai bi‐axial 
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Courbe de fatigue pour le sol CSG 
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Conclusions 
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I°) Modélisation d’une structure ferroviaire 
II°) Etude des chemins de contrainte 
III°) Réalisation des...
Perspectives 
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A court terme:
Perspectives 
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A court terme: 
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A court terme: 
Forfaitaire VS Expérimental 
6 ou 8 =  Rt 
Extrait du GTR
Perspectives 
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A moyen et long termes: "FABAC" (Fatigue du Béton Armé Continu)
46 
MERCI DE VOTRE ATTENTION
Synthèse des essais mécaniques 
47
Influence de l’évolution des caractéristiques mécaniques sur 
la contrainte en fond de couche de forme (approche 
empiriqu...
Etude de la déflexion, définition des paramètres 
49 
Avec : n nombre d’éprouvettes testées en cyclique
Etude de la déflexion initiale 
50 
AD 
ASE 
CSG
Etude de la déflexion en fonction du nombre de cycle à la 
rupture 
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CSG CSG 
AD ASE
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Chemins de contrainte pour différents essais 
53 
Compression simple (UCS); Traction Directe (DTS); Compression diamétrale...
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Courbes de fatigue en flexion deux‐points 
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Rf = 1.10 MPa E = 5704 MPa 
8 = 0.53 MPa 
CSG 
Rf = 0.71 MPa E = 4230 MPa ...
Comparaison des approches empiriques et expérimentales 
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Rf = 1.10 MPa 
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Répartition des contraintes dans la structure (ViscoRoute© 2.0) 
eCDF = 40 cm 
ECDF = 5000 MPa 
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Profondeur 
La contrai...
Dimensionnement de l’essai bi‐axial (déflexion) 
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Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959 
ASTM 2009 
DL = 140 mm 
Valeur...
Validation expérimentale du cas monotone de l’essai de bi‐axial 
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1. Aucun dispositif 
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Soutenance thèse mp2014-gerstc

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Soutenance de la thèse présentée par Mathieu Preteseille le 27 mars 2014 à l'Ifsttar de Nantes

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Soutenance thèse mp2014-gerstc

  1. 1. hydrauliques dans les plates‐formes des structures ferroviaires pour LGV. Modélisations numérique et expérimentale de leur comportement. 1 Comportement à la fatigue mécanique des sols traités aux liants Mathieu Preteseille 27/03/14 Directeur de thèse: Pierre Hornych Encadrant: Thomas Lenoir Thierry Dubreucq Référents RFF: Olivier Cazier Alain Ducreau
  2. 2. Présentation du contexte 2 Carte de France des projets ferroviaires (2013) Objectif: rationnaliser le cout économique et environnemental
  3. 3. 3 Caractéristiques d’une plate‐forme LGV Profil en travers type LGV (IN3278) Emploi des sols traités pour la couche de forme des LGV Les performances mécaniques en fatigue des sols traités sont elles compatibles avec la pérennité des ouvrages pour LGV ? Transposition de la démarche routière au ferroviaire?
  4. 4. Approche routière (1/2) Critère de dimensionnement en fatigue NE: nombre d’essieu équivalent 6 : contrainte conduisant à la rupture en traction par flexion pour un million de cycles de chargement ; b : exposant de la loi de fatigue. 4 Ligne d'influence de la contrainte longitudinale au point A (Dac Chi, 1981) kr,kd,kc et ks: coefficients de calage et d’ajustement Deux méthodes pour déterminer 6 et b
  5. 5. Approche routière (2/2) 5 METHODE EXPERIMENTALE NF‐P98‐232‐4 39 éprouvettes 2 mois d’essai N Rf 1  log    Courbe de fatigue pour un sable traité (Dac Chi, 1981) 6 = 0.95*Rt b: valeur forfaitaire (‐1/15) METHODE FORFAITAIRE
  6. 6. Problématique et plan de travail 6 Transposition de la démarche routière au ferroviaire? Etat de contrainte différent Structure et chargement différents Durée de vie de cent ans 6 8 Les performances en fatigue des sols traités sont elles compatibles avec la pérennité des ouvrages pour LGV ? 1. Connaître l’état de contrainte de la couche de forme 30 Hz • Choix de la loi de comportement et de ses paramètres pour les sols traités. • Modélisations numériques (CESAR‐LCPC et ViscoRoute© 2.0) 2. Choix de l’essai pour reproduire cet état de contrainte Comparaison des chemins de contrainte dans la couche de forme et ceux induits par des essais de laboratoire 3. Connaître les performances à long terme des sols traités Réalisation d’essais de fatigue sur des sols traités
  7. 7. Performances mécaniques statiques des sols traités 7 Compression simple Traction indirecte  = 0.2 à 0.3 Matériau évolutif au cours du temps; Résistance à la compression de plusieurs MPa et une résistance à la traction 5 à 10 fois inférieures
  8. 8. Comportement mécanique des sols traités 8 argile + 20% de cendres volantes Graphique contrainte‐déformation en compression pour une argile traitée à 20% de cendres volantes (Kolias et al., 2005). Comportement mécanique proche de l’élasticité linéaire à faible niveau de contrainte Module d’élasticité compris entre 1000 et 10 000 MPa
  9. 9. 9 Couplage des modélisations? ETUDE PARAMETRIQUE Pour la couche de forme: 7 modules: 100, 500, 1000, 2000, 5000, 7000 et 10 000 MPa Modélisation du rail et des traverses impossible avec ViscoRoute© 2.0 Répartition des charges sous les traverses avec un modèle éléments finis CESAR‐LCPC Etude des contraintes dans la structure avec ViscoRoute© 2.0 pour l’ensemble des cas OPTIMISER L’EPAISSEUR DE LA COUCHE DE FORME
  10. 10. 10 Paramètres de la modélisation éléments finis (CESAR‐LCPC) Approche statique basée sur les travaux de Al Shaer 30 et 40 40 cm ‐ str1 30 cm ‐ str3 (Shaer, A.A., et al., 2008)
  11. 11. 11 Cas de chargement (CESAR‐LCPC) Coefficient dynamique de 1.5 pour V = 300 km.h‐1 (Eisenmann 1977; Riessberger 1995)
  12. 12. Cas de chargement le plus défavorable (CESAR‐LCPC) 12 Répartition de la contrainte longitudinale xx dans la couche de forme Compression Traction eCDF = 40 cm ECDF = 5000 MPa Sur la traverse Entre deux traverses Contrainte de traction 0.240 MPa 0.233 MPa maximale L’application de la charge au centre d’une traverse est donc le cas le plus défavorable. Pour la suite seul le cas de chargement au centre de la traverse est étudié.
  13. 13. Répartition des contraintes sous les traverses (CESAR‐LCPC) 13 Distribution de la charge sur les traverses Répartition de la charge sous les traverses les plus sollicitées dans le sens latéral Z X Z Y Z X Y
  14. 14. Paramètres du modèle semi‐analytique (ViscoRoute© 2.0) 14 Application de la répartition de la charge déterminée précédemment directement à la surface du ballast
  15. 15. Comparaison des résultats des deux modèles eCDF = 40 cm ECDF = 10 000 MPa Faible différence entre les deux modèles au niveau de la contrainte maximale La contrainte maximale est localisée au centre de la traverse à la base de la couche de forme Le modèle ViscoRoute © 2.0 peut être utilisé pour étudier l’état de contrainte dans la 15 couche de forme
  16. 16. Répartition des contraintes au droit du point de la contrainte maximale (ViscoRoute© 2.0) 16 La valeur de la contrainte maximale est liée au module et son ordre de grandeur est comprise entre 0.1 à 0.4 MPa pour des modules allant de 1000 à 10 000 MPa
  17. 17. Abaque de la contrainte en fond couche en fonction du module et de l’épaisseur de la couche (ViscoRoute© 2.0) 17
  18. 18. Chemins de contrainte dans la structure a=1.49 18 eCDF = 40 cm ECDF = 5000 MPa Chemin de contrainte indépendant du module et de l’épaisseur de la couche de forme Quel essai de laboratoire permet de reproduire ce chemin de contrainte?
  19. 19. Chemins de contrainte pour différents essais 19 Flexion trapézoïdale Flexion 3 et 4 points ESSAIS NORMALISES Matériaux traités NF‐P98‐232‐4 Mélanges bitumineux NF‐EN 12697‐24 Ces essais sont uni‐axiaux et ne permettent pas de reproduire les chemins de contrainte dans la LGV Il faut un essai bi‐axial
  20. 20. Chemin de contrainte pour l’essai de flexion bi‐axial 20 (Kim et al., 2013) L’essai BFT permet de reproduire les chemins de contrainte dans la LGV
  21. 21. Quels essais pour caractériser le comportement en fatigue ? 21 APPROCHE ROUTIERE MODELISATION Essai normalisé Essai disponible Plus proche de l’état de contrainte réel
  22. 22. Caractérisation géotechnique des matériaux 22
  23. 23. Banc d’essai dédié à l’étude du béton 23 Liaison souple e = 7 mm Eprouvette Capteur de force Capteur de déplacement Le banc d’essai doit être adapté aux sols traités
  24. 24. Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (2/3) 24 Premier problème Confection des éprouvettes Moule pour la confection des éprouvettes Gradient de densité pour une éprouvette de sol CSG
  25. 25. Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (3/3) 25 Deuxième problème Application de l’effort Etude de la liaison souple
  26. 26. Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (3/3) 26 Solution Redimensionnement de la lame souple e = 1.5 mm E = 1000 MPa Deuxième problème Application de l’effort Béton Sol traité
  27. 27. Configuration de l’essai de flexion deux‐points adaptée aux sols traités Liaison souple e = 1.5 mm Capteur de force Capteur de Eprouvette protégée Accéléromètre déplacement CONFIGURATION ESSAI CYCLIQUE Validation des modifications 27
  28. 28. Validation expérimentale de l’essai de flexion trapézoïdale 28 Cas monotone: PROTOCOLE DE VALIDATION Chargement jusqu’à 50 daN à 10 N/s Cas cyclique: Chargement sinusoïdale à 42 daN à 30 Hz Eprouvette de référence (E = 3300 MPa)
  29. 29. Validation expérimentale du cas monotone Différence de ‐2.3% Répartition des contraintes conforme à l’analytique 29 Module réel: E = 3300 MPa Module expérimentale: E = 3360 MPa Différence de 1.1% Détermination du module d’élasticité avec précision
  30. 30. Validation expérimentale du cas cyclique Différence de 1.2% sur J3 et de ‐6.0% sur J8 Répartition des contraintes conforme à l’analytique 30 Module réel: E = 3300 MPa Module expérimentale: E = 3277 MPa Différence de ‐0.7% Détermination du module d’élasticité en cyclique avec précision Régime permanent Régime transitoire
  31. 31. Courbes de fatigue en flexion deux‐points 31 CSG Sol CSG Sol AD Sol ASE 9/25 éprouvettes 10/18 éprouvettes 16/16 éprouvettes Rf = 1.10 MPa Rf = 0.71 MPa Rf = 1.13 MPa E = 5704 MPa E = 4230 MPa E = 5068 MPa  = 0.0291  = 0.0275  = 0.0305 8 = 0.53 MPa 8 = 0.29 MPa 8 = 0.49 MPa
  32. 32. Epaisseur de la couche de forme pour les trois sols traités 32 6 = 0.95*Rt ? Sol CSG 6 = 1.74* Rt Sol AD 6 = 0.94* Rt Sol ASE 6 = 1.35* Rt
  33. 33. Dimensionnement de l’essai bi‐axial (contrainte) 33 Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959 ASTM 2009 DL /2 = 70 mm Valeur pour r < DL/2 r (mm)
  34. 34. Dispositif d’essai pour l’essai bi‐axial Capteur de force + Accéléromètre Eprouvette protégée 34 Capteurs de déplacement Dispositif(s) d’appui Etude expérimentale pour valider les hypothèses de calcul
  35. 35. Validation expérimentale de l’essai bi‐axial 35 Cas monotone: Chargement‐déchargement de 0 à ‐1.5 kN pour a = 0 et a =/4 Cas cyclique: Chargement sinusoïdale de ‐0.2 à ‐1.5 kN à 5 Hz PROTOCOLE DE VALIDATION Dispositifs d’appuis: 1. Aucun dispositif (référence) 2. Téflon‐néoprène (1.6 mm)‐Téflon (Kim et al., 2013) 3. Néoprène (ASTM 2009) 4. Téflon‐carton‐Téflon 5. Téflon
  36. 36. Validation expérimentale du cas monotone de l’essai bi‐axial (contrainte) (μdef) Ecart type Différence 36 1. Aucun dispositif 2. Téflon‐néoprène‐Téflon 3. Néoprène 4. Téflon‐carton‐Téflon 5. Téflon Analytique: 62.8 μdef Numérique: 62.6 μdef Cas Moyenne 1 58 6.4 ‐7.6% 2 65.6 6.2 4.4% 3 65.6 27.3 4.4% 4 59.7 14.2 ‐4.6% 5 60.3 9.4 ‐4.0% Cas 1 et 2 satisfaisant
  37. 37. Validation expérimentale du cas cyclique de l’essai bi‐axial (contrainte) (μdef) Ecart type Différence 37 1. Aucun dispositif 2. Téflon‐néoprène‐Téflon 3. Néoprène 4. Téflon‐carton‐Téflon 5. Téflon Analytique: 54.4 μdef Numérique: 54.3 μdef Cas Moyenne 1 46.7 2.2 ‐14.2% 2 50.6 8.9 ‐7.0% 4 50.2 6.2 ‐7.7% 5 46.9 6.3 ‐13.8% Cas 1 correct Test d’autres dispositifs d’appuis
  38. 38. Rupture des éprouvettes des essais monotones sur le sol CSG 38 RfBFT = 1.05 MPa RfBFT = 1.21 MPa Avec néoprène et téflon Aucun dispositif
  39. 39. Résultats des essais monotones 39 RfBFT = 0.96 MPa (0.11) Rft = 1.13 MPa (0.05) RfBFT = 0.85 Rft Essai bi‐axial: Trapèze: ASE Résultat en contradiction avec la littérature sur le béton et les céramiques
  40. 40. Courbe de fatigue pour le sol CSG 40 CSG 8 = 0.55 MPa
  41. 41. Conclusions 41 I°) Modélisation d’une structure ferroviaire II°) Etude des chemins de contrainte III°) Réalisation des campagnes expérimentales A l’échelle du laboratoire les performances mécaniques en fatigue des sols traités sont compatibles avec la pérennité des ouvrages pour LGV
  42. 42. Perspectives 42 A court terme:
  43. 43. Perspectives 43 A court terme: ?
  44. 44. Perspectives 44 A court terme: Forfaitaire VS Expérimental 6 ou 8 =  Rt Extrait du GTR
  45. 45. Perspectives 45 A moyen et long termes: "FABAC" (Fatigue du Béton Armé Continu)
  46. 46. 46 MERCI DE VOTRE ATTENTION
  47. 47. Synthèse des essais mécaniques 47
  48. 48. Influence de l’évolution des caractéristiques mécaniques sur la contrainte en fond de couche de forme (approche empirique) 48 Méthodologie routière: 6 = 0.8*0.95*Rit
  49. 49. Etude de la déflexion, définition des paramètres 49 Avec : n nombre d’éprouvettes testées en cyclique
  50. 50. Etude de la déflexion initiale 50 AD ASE CSG
  51. 51. Etude de la déflexion en fonction du nombre de cycle à la rupture 51 CSG CSG AD ASE
  52. 52. 52
  53. 53. Chemins de contrainte pour différents essais 53 Compression simple (UCS); Traction Directe (DTS); Compression diamétrale (IDTS) Triaxial
  54. 54. 54
  55. 55. Courbes de fatigue en flexion deux‐points 55 Rf = 1.10 MPa E = 5704 MPa 8 = 0.53 MPa CSG Rf = 0.71 MPa E = 4230 MPa 8 = 0.29 MPa AD ASE Rf = 1.13 MPa E = 4230 MPa 8 = 0.49 MPa
  56. 56. Comparaison des approches empiriques et expérimentales 56 Rf = 1.10 MPa 6 = 0.66 MPa ‐1/ = 14.9 CSG AD ASE Rf = 0.71 MPa 6 = 0.44 MPa ‐1/ = 15.8 Rf = 1.13 MPa 6 = 0.65 MPa ‐1/ = 14.2 METHODE EMPIRIQUE METHODE EXPERIMENTALE Rf = 1.8 à 2 * Rt 6 = 0.95 * Rt ‐1/ = 12 Rf = 0.68 à 0.76 MPa 6 = 0.36 MPa ‐1/ = 12 Rf = 0.85 à 0.94 MPa 6 = 0.45 MPa ‐1/ = 12 Rf = 0.86 à 0.96 MPa 6 = 0.46 MPa ‐1/ = 12 RAPPORTS REELS Rf = 2.9 * Rt 6 = 1.74 * Rt Rf = 1.5 * Rt 6 = 0.94 * Rt Rf = 2.35 * Rt 6 = 1.35 * Rt Rt = 0.38 MPa Rt = 0.47 MPa Rt = 0.48 MPa La méthode empirique est très conservatrice Cure différente pour le sol CSG
  57. 57. Répartition des contraintes dans la structure (ViscoRoute© 2.0) eCDF = 40 cm ECDF = 5000 MPa 57 Profondeur La contrainte maximale est localisée au centre de la traverse à la base de la couche de forme
  58. 58. Dimensionnement de l’essai bi‐axial (déflexion) 58 Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959 ASTM 2009 DL = 140 mm Valeur au centre de l’éprouvette r (mm)
  59. 59. Validation expérimentale du cas monotone de l’essai de bi‐axial (déflexion) 59 1. Aucun dispositif 2. Téflon‐néoprène‐Téflon 3. Néoprène 4. Téflon‐carton‐Téflon 5. Téflon Cas 1 et 5 satisfaisant Moyenne
  60. 60. Validation expérimentale du cas cyclique de l’essai bi‐axial (déflexion) 60 1. Aucun dispositif 2. Téflon‐néoprène‐Téflon 3. Néoprène 4. Téflon‐carton‐Téflon 5. Téflon Aucun cas satisfaisant Moyenne

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