Structural analysis for the calculation of the long term cyclic behaviour of transportation infrastructure
Analyse par le calcul des structures du comportement cyclique à long terme des infrastructures de transport
Résumé
In the transportation engineering context, this work is dedicated to the study of the long term cyclic behaviour of infrastructures (railway track, road pavements, ...) which are subject to traffic loading, leading to notable degradations (railway track defects, rutting). As a result, exploitation problems, as well as a lack of comfort and security occur. Maintenance procedures being expensive, a predictive tool able to simulate such degradations and thus optimise the frequency of maintenance, is therefore needed. In this work, an approach based on structural analysis is proposed, aimed at determining the global response of a platform under repeated loading (several millions of cycles), and more particularly its residual settlement profile. The description of this phenomenon (a double-scale time evolution) is directly related to the progressive accumulation of permanent deformations which lead to the occurence of the residual settlement. The determination of those permanent deformations involves the formulation of constitutive cyclic law for the materials (ballast, unbound granular materials, ...) which is incorporated into a general calculation procedure. Based on the devloped approach, we set up a numerical computational tool using a finite element code, allowing the determination of the residual settlement of the transportation infrastructure due to the application of several millions of cycles. We calibrate this procedure by means of simulations of some experiments carried out on areduced scale bench test, reproducing a portion of ballast track. Finally, we try to take into account to elastic non-linearity of the materials making up the infrastructure, and point up the importance of such a non-linearity aspect in the prediction of the residual settlement.
Dans le contexte de l'ingénierie du transport, ce travail est consacré à l'étude du comportement cyclique à long terme des infrastructures (voie ferrée, chaussées routières, ...). Ces dernières sont sujettes à des chargements de trafic qui provoquent des dégradations importantes (défauts de voies ferrées et orniérage des chaussées) ayant pour conséquence des problèmes d'exploitation, de confort et de sécurité des usagers. Les campagnes de maintenance étant coûteuses, il en résulte la nécessité de disposer d'un outil de prédiction des dégradations des infrastructures permettant l'optimisation de l'intervention des exploitants. Nous proposons dans ce travail une approche de type calcul des structures visant à déterminer la réponse globale de la plate-forme soumise à des chargements répétés (quelques millions de cycles), notamment le tassement résiduel en surface. Nous décrivons en particulier ce phénomène (à double échelle de temps) en se référant à l'effet de l'accumulation des déformations permanentes qui sont à l'origine de l'apparition du tassement résiduel. La détermination de ces déformations permanentes nécessite la formulation d'une loi de comportement cyclique des matériaux constitutifs de l'infrastructure (ballast, grave non traitée) que nous incorporons dans un schéma de calcul. En se basant sur l'approche ainsi développée, nous mettons au point un outil de calcul numérique faisant intervenir un code de calcul en éléments finis, permettant la détermination du tassement résiduel de l'infrastructure de transport après application de quelques milliers de cycles. Nous avons validé cette procédure, qui a été ensuite testée à partir de la simulation d'essais effectués sur un banc, modélisant une portion de voie ferrée à l'échelle réduite. Finalement, nous avons tenté de tenir compte de l'élasticité non linéaire des matériaux constitutifs de l'infrastructure de transport, et nous avons mis en exergue l'importance de cet aspect dans la prédiction du tassement résiduel.