CONTRIBUTIONS A UNE APPROCHE PATRIMONIALE POUR LA VOIE FERREE DE TRAMWAY

LA VOIE FERREE

       Du point de vue fonctionnel, la voie ferrée assure, en interface avec le matériel roulant, les fonctions principales de roulement et de guidage (continuité mécanique). Il s’agit là de la raison d’être de la voie ferrée, du fait du faible coefficient de frottement du contact fer/fer. La voie ferrée doit également remplir des fonctions secondaires du système de transport ou des contraintes induites par le milieu environnant :
• la circulation piétonne en traversée piétonne,
• la circulation routière en carrefour, en voie partagée ou en voie banalisée,
• l’écoulement, la collecte et l’évacuation des eaux de ruissellement,
• le transport des courants faibles (c.-à-d. le câblage) pour le fonctionnement de l’éclairage et des systèmes d’aide à l’exploitation et d’information voyageur,
• et le retour du courant de traction.
Du point de vue structurel, la voie ferrée est composée en section courante :
• de l’armement de voie ferrée (rail, attaches, traverses en pose discontinue, appareils de voie …),
• des revêtements de surface de la voie ferrée,
• de la structure d’assise sous l’armement de la voie ferrée, composée de :
o la couche de calage (si pose de voie ballastée alors la couche de ballast)
o la « sous-couche » (couche de fondation, et si pose ballastée couche sous ballast) ;
o la « couche de forme rapportée » ou « couche de forme normale ».
• du sol support en place,
• et de l’assainissement et du drainage de la plateforme.
Les paramètres principaux qui caractérisent une voie ferrée sont :
• le type de rail utilisé (poids, longueur, section),
• le type de pose de voies (continue ou discontinue),
• la longueur des rails en voie (barres normales éclissées ou longs rails soudés),
• l’écartement des rails, et les tolérances admises,
• le tracé en plan (rayons de courbure et dévers),
• le profil en long (pentes et rampes),
• le support des rails (ballast, longrines, béton, etc.),
• la charge admise par mètre courant ou à l’essieu,
• la vitesse des circulations,
• et le type de revêtement de plateforme (matériaux modulaires, béton, enrobés, revêtements végétalisés, asphalte, etc.)

LES EQUIPEMENTS TECHNIQUES DE FREINAGE

     Les tramways modernes disposent d’un frein de service électrique et de freins mécaniques et à friction. Le conducteur ne dispose pas d’une commande pour chaque type de frein mais d’un seul et unique manipulateur. En fonction des décélérations demandées et des conditions d’adhérence, ce sont des microprocesseurs qui vont déterminer la conjugaison des différents types de freins.
Frein électrique modérable
Il s’agit du frein utilisé en situation normale d’exploitation (frein normal de service FNS). Le niveau de décélération est modulable en fonction de la position du manipulateur de conduite. Dans ce mode de freinage, les moteurs asynchrones se comportent comme des générateurs et débitent le courant généré soit :
• sur un banc de résistances embarqué (rhéostat) : c’est le freinage rhéostatique,
• soit, sur la ligne aérienne de contact : c’est le freinage par récupération.
Frein mécanique modérable
A vitesse basse, le frein électrique n’étant plus suffisant pour assurer le bon niveau de décélération, on a recours au frein mécanique modérable. Il s’agit d’un frein à disque calé, soit sur un essieu, soit sur une roue en cas de roues indépendantes. En situation de freinage, le disque est enserré plus ou moins fort par un étrier comprenant des mâchoires. L’électronique embarquée assure la complémentarité des freins électriques et mécaniques. A noter que, pour des raisons de sécurité, la position au repos des ressorts (p.ex. en cas de rame immobilisé, pannes, etc.) maintient l’effort maximum sur les disques de freins (frein d’immobilisation) ce qui permet d’éviter tout risque de dérive du train.
Frein par patins électromagnétiques
Il s’agit d’un mode de freinage assuré par des patins, suspendus au cadre du bogie (moteur et éventuellement porteur) à quelques millimètres au-dessus du rail. Chaque patin comprend des spires (ou bobine) qui, excitées par le courant 24V ou 72V de la batterie de bord, transforment le patin en un puissant électro-aimant qui est attiré par le rail en acier avec une force verticale de l’ordre de 60kN (entre 5 et 6t). Cette force se développe indépendamment des conditions d’adhérence du moment. Cet équipement est obligatoire et le frein n’est pas modérable. Il est utilisé en freinage d’urgence (FU).
Les systèmes anti-enrayage et anti-patinage
A l’instar du système d’anti-blocage des roues (le système ABS) utilisé en automobile, un dispositif du même genre équipe les tramways. Les premiers systèmes anti-patinage ont d’ailleurs été inventés pour des applications ferroviaires. Ce dispositif mesure le mouvement de rotation d’une roue d’un bogie porteur et d’un bogie moteur. Si le système détecte un différentiel, cela signifie l’apparition d’un éventuel enrayage de la roue motrice. Dès lors, le système électronique embarqué relâche légèrement et brièvement l’effort de freinage mécanique. Ce même dispositif intervient également en situation de démarrage en cas de patinage des roues lorsque les conditions d’adhérence sont dégradées. Le dispositif active alors les sablières, qui éjectent du sable spécial sous les bandages des roues motrices. Le réservoir de ces sablières est rempli régulièrement.

Les sous-stations de redressement (SSR)

     L’ensemble désigné comme SSR se compose des équipements suivants :
• un bâtiment, avec accès voirie et zones de manutention extérieures,
• des clôtures et dispositifs anti-intrusion et de surveillance,
• les équipements du système de distribution électrique tels que décrit au §1.3.
Les bâtiments SSR sont traditionnellement parallélépipédiques, d’une surface avoisinant une centaine de mètres carrés permettant la séparation d’un local principal (abritant les cellules HT, les transformateurs redresseurs, le tableau traction, les armoires de distribution électrique BT et l’armoire de contrôle commande) et d’un local secondaire pour les concessionnaires. Ce local secondaire permet aux concessionnaires l’installation des équipements de drainage des courants vagabonds afin d’améliorer la protection de leurs installations. Les fonctions principales de ce bâtiment sont :
• d’assurer la protection des SSR contre les intempéries, les intrusions (humaines ou animales) et les incendies,
• de permettre aux concessionnaires de se prémunir contre les risques liés aux courants vagabonds.

LA MODELISATION DES DEGRADATIONS

     Bien que les structures de chaussées de tramway soient relativement comparables aux chaussées usuelles, celles-ci se distinguent par un comportement mécanique différent. Cette différence de comportement est liée à la présence de nombreuses discontinuités comme les rails, l’armement des rails ou les interfaces avec d’autres types de revêtement. Ces discontinuités sont aussi très difficiles à modéliser parce qu’elles sont le résultat d’un processus de conception contextualisé localement. Elles peuvent être d’origine interne (choix architecturaux, choix budgétaire, etc.) ou d’origine externe (contraintes de site, règlementation, etc.). Ces spécifications sont propres à chaque ligne de tramway ce qui explique l’absence de normalisation au sens technique et limite la modélisation du comportement à l’usure. Il n’existe donc pas de scénario d’entretien typique comme pour les chaussées classiques. La stratégie est alors fondée essentiellement sur la prévention et des visites régulières (CERTU & LROP, 2009). La littérature sur cet élément du sous-système Voie ferrée est majoritairement d’ordre technique (publications du CEREMA, URBAN TRACK et LCPC) et se focalise sur :
• l’étude de la dégradation des revêtements de plateforme sur les tramways les plus anciens (retour d’expérience). Ce type de littérature présente une caractérisation des différentes pathologies constatées et peut s’accompagner de recommandations pratiques pour les professionnels (règles de conception, durée de vie type),
• les essais en laboratoire ou expérimentations de nouveaux types de revêtements,
• les rapports d’audits réalisés par des bureaux d’études privés pour le compte des gestionnaires d’infrastructures.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
C h a p i t r e 1 Le tramway, un système technique complexe
1.1. L’infrastructure de tramway
1.1.1. La voie ferrée
1.1.2. Les appareils de voie
1.1.3. Les ouvrages ponctuels de génie civil
1.2. Les matériels roulants et véhicules d’intervention
1.2.1. Agencement du tramway Citadis d’Alstom
1.2.2. Les bogies
1.2.3. Les équipements techniques de confort
1.2.4. Les équipements techniques de traction
1.2.5. Les équipements techniques de freinage
1.2.6. Les équipements techniques « auxiliaires »
1.2.7. Les véhicules de service ou d’intervention
1.3. Le réseau électrique de traction
1.3.1. Les sous-stations de redressement
1.3.2. La ligne aérienne de contact
1.3.3. L’Alimentation par le sol
1.3.4. Le retour de courant de traction et les courants vagabonds
1.4. La signalisation tramway
1.4.1. La signalisation de manœuvre
1.4.2. La signalisation de limitation de vitesse
1.4.3. Système de commande en mode dégradé
1.4.4. Systèmes de détection des matériels roulants : les circuits de voie
1.5. Les systèmes centraux d’information et de télécommunications
1.6. Les stations
1.6.1. Les équipements de confort
1.6.2. Les équipements de protection et de balisage
1.6.3. Les équipements d’information et d’exploitation
1.7. Les bâtiments d’exploitation-maintenance
1.7.1. Les dépôts de tramway
1.7.2. Les autres types de locaux techniques (système tramway)
C h a p i t r e 2 Le vieillissement du système : différents phénomènes et différentes approches par sous-systèmes
2.1. Les revêtements de plateforme : type de désordre et causes des dégradations
2.1.1. Agressivité du milieu environnant et des défauts à l’origine des désordres
2.1.2. La modélisation des dégradations
2.2. Les rails : mécanismes d’usure et leur modélisation
2.2.1. Des mécanismes liés au frottement de la roule sur le rail à l’origine des dégradations
2.2.2. La modélisation des dégradations du rail
2.3. Les matériels roulants : des défaillances par composant et leur suivi statistique
2.3.1. Description des défaillances
2.3.2. Modélisation des défaillances
C h a p i t r e 3 Modélisation fonctionnelle et qualitative des désordres de la voie ferrée de tramway 
3.1. Principes et méthodes de l’analyse qualitative de système technique
3.1.1. Quelques bases théoriques de la modélisation systémique
3.1.2. Différentes méthodes pour analyser le fonctionnement des systèmes
3.1.3. Différentes méthodes pour analyser les dysfonctionnements des systèmes
3.2. Analyse fonctionnelle de la voie ferrée
3.2.1. Analyse fonctionnelle externe
3.2.2. Analyse fonctionnelle interne
3.3. Analyse des modes de défaillance et de leurs effets (AMDE)
3.3.1. Structuration des informations issues de l’Analyse des Modes de Défaillance et de leurs Effets (AMDE)
3.3.2. La recherche des modes de défaillance
3.3.3. L’Analyse des causes et des effets des modes de défaillance
C h a p i t r e 4 La maintenance en théorie
4.1. Les grandes stratégies de maintenance
4.1.1. La maintenance corrective
4.1.2. La maintenance préventive
4.2. Caractérisation des tâches de maintenance
4.2.1. Classification opérationnelle selon le niveau de complexité
4.2.2. Classification technique selon le niveau de restauration du bien
4.2.3. Classification des opérations de surveillance selon le niveau d’efficacité
4.3. Les modèles de maintenance
4.3.1. Les modèles de maintenance à unité simple
4.3.2. La problématique des systèmes multi-composants
4.3.3. Relativité historique des modèles de maintenance
C h a p i t r e 5 La maintenance en pratique
5.1. Contexte du renouvellement des voies ferrées en France
5.1.1. Caractéristique du parc de voie ferrée de tramway
5.1.2. La gestion des infrastructures de tramways
5.2. Stratégie de maintenance des voies ferrées de tramway
5.2.1. Les actes de surveillance
5.2.2. Les actes de maintenance : fréquence, consistance et seuils de déclenchement
5.3. Contribution méthodologique pour systématiser les inspections de la voie ferrée
5.3.1. Présentation de la solution logicielle LAMIA
5.3.2. Découpage de la voie ferrée en tronçon homogène
5.3.3. Inventaire des symptômes de dégradation d’une voie ferrée
5.3.4. Adaptation de la méthode VSC pour la hiérarchisation et la priorisation des interventions a court-terme
C h a p i t r e 6 Analyse de l’âge au renouvellement d’une voie ferrée de tramway 
6.1. Principes et définitions
6.1.1. L’analyse de durée de vie
6.1.2. Caractéristiques principales des actes de renouvellement de la ligne A du tramway de Grenoble
6.1.3. Caractérisation des variables
6.2. Analyse statistique des actes de renouvellements
6.2.1. Généralité
6.2.2. Analyse de l’âge au renouvellement
6.2.3. Estimation non paramétrique des courbes de survie
6.2.4. Estimation paramétrique des courbes de survie
6.3. Prévision des renouvellements
6.3.1. Modélisation et approximation d’une loi de renouvellement
6.3.2. Résultats de prévision sur le réseau de Grenoble
C h a p i t r e 7 Vers une approche socio-économique du renouvellement
7.1. L’estimation dans l’ingénierie des infrastructures
7.1.1. Les méthodes d’estimation des coûts
7.1.2. Les facteurs de complexité des coûts des infrastructures
7.1.3. Le processus traditionnel d’estimation des coûts de projets d’infrastructure : le pilotage d’un processus progressif
7.1.4. De la difficulté d’une estimation réaliste : les principaux enseignements
7.1.5. Les particularités inhérentes à l’estimation d’un projet de renouvellement
7.2. L’évaluation monétarisée et ses indicateurs
7.2.1. La Valeur Actualisée Nette (VAN)
7.2.2. La Valeur Actualisée Nette Socio-Economique (VAN-SE)
7.2.3. Le Taux de Rendement Interne (TRI)
7.2.4. L’Indice de Rentabilité (IR)
7.2.5. Le Taux de rentabilité Immédiate (TI)
7.2.6. Choix du taux d’actualisation
7.3. Méthodologie d’évaluation économique du renouvellement de la voie ferrée de tramway
7.3.1. Les coûts et avantages à l’état transitoire : les impacts économiques et environnementaux lors du renouvellement
7.3.2. Les coûts et avantages à l’état courant : les impacts économiques et environnementaux
7.4. Estimation des coûts de possession
7.4.1. Influence des rayons de courbure sur le coût de possession
7.4.2. Influence du mode opératoire de travaux sur le coût de renouvellement
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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