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Traverse pour voie de chemin de fer.
L'invention concerne des traverses pour voie de chemin de fer.
Les traverses traditionnelles pour voies de chemins de fer sont généralement fabriquées en bois. Suivant une conception plus récente, elles sont fabriquées en béton armé mono-bloc ou double bloc. On connaît également des traverses métalliques, utilisées principalement dans les pays tropicaux.
Les traverses en bois sont d'un point de vue technique très intéressantes tant que l'on reste dans le domaine élastique du bois. Le bois offre notamment d'excellentes qualités d'amortissement des vibrations occasionnées par le passage des véhicules sur les rails.
Cependant, les traverses en bois posent actuellement un problème lié à l'environnement. On exige, en effet, pour réaliser les traverses, un bois de haute qualité (vieux chêne ou hêtre). Ceci pose, au vu des extrêmement grandes quantités nécessaires, des problèmes de disponibilité et de préservation de l'environnement.
De plus, ce bois doit être traité pour qu'il résiste aux conditions atmosphériques, ce qui pose d'autres problèmes (durée du traitement, nature des produits utilisés) mais surtout grève le prix unitaire des traverses. Si l'on abaisse ces exigences envers le traitement, on se trouve devant un problème de durabilité, si bien que malgré son coût élevé, la traverse doit être périodiquement remplacée.
Les traverses en béton sont actuellement très répandues comme substitut des traverses en bois. On utilise généralement des traverses constituées de deux blocs en béton armé, aussi appelés blochets, reliés par une entretoise métallique. L'avantage essentiel de ces traverses réside dans leur prix de revient relativement bas.
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Cependant, les traverses en béton offrent d'une façon générale de mauvaises performances d'amortissement des vibrations et leurs qualités mécaniques se dégradent assez rapidement, ce qui rend nécessaire, pour des raisons de sécurité, un remplacement rapide des traverses d'une voie ferrée, et ce d'autant plus fréquemment que les convois ferroviaires y circulent à grande vitesse.
Il se pose donc là un problème de coût à moyen et long termes. Le coût relativement faible, à l'achat, des traverses en béton ne peut en effet compenser l'augmentation du coût dû aux opérations de remplacement et au matériel spécifique utilisé à cet effet.
Les traverses métalliques, quant à elles, sont bruyantes à grande vitesse et l'isolation électrique des rails ne peut être réalisé qu'au prix d'équipement spéciaux.
La traverse métallique est plus couteuse que la traverse en bois.
On sait que diverses tentatives ont déjà été faites pour confectionner des traverses comprenant des matériaux composites mais avec des résultats souvent peu satisfaisants.
Le document EP-A-0 560 580 décrit des traverses de chemin de fer en résine époxyde dans lesquelles ont été incorporés des fragments provenant de pneus recyclés, et qui contiennent donc du caoutchouc, du fil d'acier, des fibres synthétiques diverses non triées. Ce type de matériau, par essence peu homogène, et contenant des particules susceptibles de rouiller, ne peut être utilisé comme base pour des traverses de voie ferrée de grande longévité.
Le document EP-A-0 154 259 décrit une traverse de voie ferrée qui comporte une armature métallique enrobée de résine contenant outre des fragments de caoutchouc, un mélange de sable et de débris pierreux.
Une telle traverse reprend surtout les sollicitations par son armature ; il se pose des problèmes
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de liaison entre le corps et l'armature et elle ne peut donc pas non plus être envisagée pour des traverses à longue durée de vie.
On connaît également par EP-A-0 486 465 une traverse comportant des panneaux en bois aggloméré et une armature métallique en caisson, enrobés de mousse de polyuréthanne. La rigidité est due essentiellement à la structure métallique en caisson, le bois ayant ici un rôle de matériau de remplissage. La face supérieure de la traverse est plane. La structure de cette traverse est très différente de celle envisagée ici.
Le brevet US-A-4,105, 159 décrit une traverse composée d'éléments en bois de haute densité constitués de particules de bois agglomérées, et d'éléments en bois de charpente, accolés, pris en sandwich entre les éléments de haute densité constitués de particules de bois agglomérées.
La préservation d'une telle traverse est tributaire de l'incorporation de préservants toxiques et polluants.
Les traverses décrites dans le brevet US-A-4,286, 753 comportent un corps en bois éventuellement composé de plusieurs éléments de bois, s'étendant à plat sur toute la longueur de la traverse. Une pluralité de feuilles plates sont disposées au-dessus et en-dessous du corps et éventuellement entre les différents éléments du corps. Ces feuilles sont composées de bois aggloméré et d'une résine.
Une résine est utilisée comme moyen de liaison, pour relier les feuilles au corps de la traverse.
Les feuilles de résine empêchent le corps en bois de se fendre en éclats et ainsi prolonge la durée de vie de la traverse. Mais le problème de traitement du bois lui-même persiste.
Dans le brevet US-A-1,623, 185 est décrite une traverse fabriquée à l'aide d'anciennes traverses recyclées.
La traverse est composée de couches de bois déchiqueté, saturées avec un liant et un matériau imperméabilisant comme
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de l'asphalte ; des renforcements en métal, sous forme de filets métalliques sont disposés entre chacune de ces couches de bois. La traverse est aussi pourvue d'une plaque en métal à sa face supérieure et à sa face inférieure. Ces traverses présentent les inconvénients connus du métal apparent tels que la nécessité d'une protection contre la rouille, le bruit et la nécessité d'une isolation électrique.
Dans le brevet FR-2.134. 930, est décrite une traverse pour chemin de fer qui comprend un corps allongé de composition résineuse synthétique moulée d'une seule pièce. Cette traverse moulée d'une pièce présente des portions inclinées, constituant des assises pour les rails. La composition synthétique résineuse est fort onéreuse malgré l'incorporation possible de charges comme des copeaux de bois.
Une traverse présentée dans la brevet US-1, 418,708 comporte un corps en bois enserré par des cerclages métalliques. Elle est enrobée par une couche composée d'asphalte et d'amiante. Cette traverse présente une surface plane, la couche d'enrobage est polluante et vulnérable aux agents extérieurs.
On a cherché à développer des traverses de voie ferrée d'un nouveau type particulièrement résistantes aux contraintes mécaniques et au vieillissement, qui ne doivent donc plus être remplacées qu'à de très longs intervalles et/ou qui résistent aux sollicitations particulièrement élevées propres à une circulation de convois à grande vitesse.
La présente invention a pour objet une traverse pour voie de chemin de fer, qui comporte - un noyau s'étendant sensiblement sur toute la longueur de la traverse, ce noyau étant composé de plusieurs lames de bois dont au moins une sur deux s'étendent sur toute la longueur du noyau,
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- deux épaulements, situés aux extrémités longitudinales de la traverse au dessus du noyau, et comportant à leur partie supérieure une semelle apte à recevoir des organes de fixation d'un rail, - une enveloppe de polymère entourant, au moins partiellement, la traverse.
Les lames de bois composant le noyau sont, de préférence, posées sur chant.
L'épaulement comporte, avantageusement, du béton polymère, constitué, en particulier, de sable et de gravier, comme matière de charge et d'un liant choisi parmi le polyuréthanne, l'époxyde et le polyester.
La semelle est, de préférence, une plaque en acier en forme de T. Une plaque en éthyl-vinyl-acetate (EVA) est, avantageusement, placée entre la semelle et le rail.
En particulier, la face supérieure de chaque épaulement est située dans un plan incliné vis-à-vis du plan dans lequel se trouve le noyau, le point le plus haut de chaque plan incliné étant situé aux extrémités de la traverse.
Suivant un mode de réalisation particulier, le noyau de la traverse comporte du matériau de remplissage entre certaines lames de bois. Ce matériau de remplissage peut être, par exemple, un matériau composite comportant une résine.
Suivant des modes particuliers de réalisation, les lames du noyau sont solidarisées l'une à l'autre par collage ou par agrafage. Ceci a l'avantage de permettre la manipulation du noyau comme un seul objet, sans courir le risque que les lames de bois ne bougent les unes par rapport aux autres.
Suivant un mode avantageux de réalisation de l'invention, la traverse comporte, dans la partie sous l'épaulement et entre les lames de bois qui s'étendent sur
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toute la longueur du noyau, des blocs d'extrémités qui ont une hauteur plus grande que les dites lames de bois.
Avantageusement, la traverse comporte, entre les épaulements, une partie centrale présentant, en section verticale, en substance la forme d'un pentagone convexe. En particulier, ce pentagone a un côté inférieur en substance horizontal, et est symétrique par rapport à la médiatrice longitudinale du dit côté inférieur.
La traverse peut avantageusement comporter une couche de polymère entre le noyau et l'épaulement.
Suivant des mode particulier de réalisation de l'invention, le polymère composant l'enveloppe est choisi parmi le polyester, le polyuréthanne et l'époxyde. Ce polymère peut également comporter de la matière de charge, choisie, par exemple, parmi le caoutchouc vulcanisé ou les produits de recyclage tels que les débris de pneus recyclés.
Ce polymère est peut être renforcé par des fibres de renforcement, choisies, par exemple, parmi les fibres de verre, les fibres de carbone, ou les fibres d'aramide.
Suivant un mode avantageux de réalisation de l'invention, la traverse comporte une couche de finition appliquée à la surface extérieure de l'enveloppe de polymère. Cette couche de finition pouvant comporter un colorant.
Différents exemples d'exécution sont décrits ci-après, référence étant faite aux dessins annexés dans lesquels : la Fig. 1 est une vue en perspective d'une traverse suivant l'invention ; la Fig. 2 est une coupe longitudinale partielle d'une traverse selon la ligne II-II de la Fig. 1 ; la Fig. 3 est une coupe transversale selon la ligne III-III de la Fig. 1 ; la Fig. 4 est une coupe transversale selon la ligne IV-IV de la Fig. 1 ;
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les Figs. 5 et 6 sont des vues en perspective de deux variantes d'exécution du noyau de la traverse ; la Fig. 7 est une coupe transversale similaire à celle de la Fig. 3, le noyau étant réalisé selon la variante d'exécution représentée à la Fig. 6 ; la Fig. 8 est une coupe similaire à celle des Figs. 3 et 7, d'une variante d'exécution ;
la Fig. 9 est une coupe longitudinale partielle similaire à celle de la Fig. 2, d'une variante d'exécution.
La figure 1 montre une traverse 1 selon l'invention. Elle présente deux épaulements 2 situés aux extrémités longitudinales de la traverse 1. Ces épaulements 2 comportent à leur partie supérieure une semelle 9 apte à recevoir des organes de fixation d'un rail (non représenté). Entre les deux épaulements 2, une partie centrale 3 est ménagée ; sa hauteur est inférieure à celle que la traverse 1 présente au niveau des épaulements 2.
Les figures 2 et 3 montrent plus en détail l'épaulement 2 d'une traverse 1 selon l'invention. Il est fait de béton polymère 8, qui incorpore comme matériau de remplissage du gravier et du sable, et comme liant une résine. Cette résine est de préférence du polyuréthanne, elle peut être aussi de l'époxyde ou du polyester. On choisira de préférence un résine à durcissement rapide, qui accélère, avantageusement, la fabrication des traverses 1.
Ces épaulements 2, ont comme fonction essentielle le captage et la répartition des tensions de compression qui sont transmises vers le corps de la traverse. En principe, ils pourraient être réalisés en bois durable plutôt qu'en béton polymère 8. Cependant, dans ce cas on devrait faire appel à des essences de bois résistantes (par exemple du jeune chêne). Ce mode d'exécution serait donc plus cher que le mode d'exécution représenté dans les différentes figures.
L'épaulement 2 présente une face supérieure inclinée dans le sens longitudinal ; son point le plus bas
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se trouve du côté de la partie centrale 3 et son point le plus haut se trouve du côté de l'extrémité de la traverse 1. Dans la plupart des pays européens, l'inclinaison recommandée est de 1/20 ; parfois (par exemple en Allemagne) elle est de 1/40. Rien n'empêche de choisir une autre inclinaison telle qu'elle serait imposée par les règlements des chemins de fer. Cette inclinaison a comme avantage de favoriser un bon contact roue-rail.
Comme on le voit aux figures 2,3 et 4, la traverse 1 comporte un noyau 4 composé de lames de bois 5 posées sur chant qui s'étendent sur toute la longueur de la dite traverse 1 avec leurs fibres parallèles à l'axe de ladite traverse 1. Ces lames 5 ont de préférence une dimension d'environ 5 centimètres de large et environ 12 centimètres de hauteur. Ainsi, le noyau 4, présentant une largeur totale d'environ 30 centimètres, est composé de cinq lames de bois 5 (Figs. 3 et 4).
Le bois utilisé pour ce noyau 4 est en principe constitué d'essences considérées, à priori, comme de moindre qualité, du bois de haute qualité (vieux chêne ou hêtre) n'étant pas nécessaire. Les caractéristiques mécaniques du pin, par exemple, sont amplement suffisantes pour absorber les sollicitations mécaniques (tensions de compression et résistance à la flexion) qui sont transmises de façon répartie au noyau 4 par les épaulements 2. Le noyau 4 assure, à son tour, un bon amortissement des oscillations, ce qui est un des avantages essentiels de la présente invention. La traverse 1 suivant l'invention présente, en effet, des caractéristiques d'amortissement meilleures que les traverses classiques en bois massif ou en béton.
On peut évidemment aussi utiliser du bois durable comme le vieux chêne ou le hêtre, et notamment on peut utiliser pour le noyau 4 des anciennes traverses de chemin de fer dont on a découpé la partie extérieure imprégnée.
Dans ce cas on fait un recyclage intéressant des traverses
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usagées : seule la couche extérieure, imprégnée, découpée, des traverses en bois déclassées, doit être traitée comme déchet industriel.
Comme on le voit à la Fig. 4, la partie centrale 3 présente, en coupe transversale, la forme d'un pentagone convexe. Celui-ci présente un côté inférieur horizontal, et est symétrique par rapport à la médiatrice du dit côté inférieur. La partie centrale 3 présente à sa partie supérieure deux versants qui évitent la stagnation de l'eau (de pluie).
L'ensemble de la traverse 1, excepté la semelle 9, est enrobé d'une enveloppe en polymère 6 (Figs.
2,3, 4,7, 9). L'enveloppe 6 a sensiblement la même épaisseur partout (environ 2 à 2,5 cm). On peut aussi envisager de la faire un peu plus épaisse à la partie inférieure de la traverse 1, pour diminuer le risque de perforation par le ballast sur lequel les traverses sont placées.
En variante d'exécution représentée à la Fig. 8, l'enveloppe 6 n'est pas complète au niveau des épaulements 2. La partie supérieure de l'épaulement 2 n'est pas recouverte par l'enveloppe 6.
L'enveloppe de polymère 6 a comme fonction de protéger, d'une manière efficace et presque illimitée dans le temps, la structure [noyau 4 + épaulement 2] et plus particulièrement le noyau 4, des conditions atmosphériques et des effets de la pression sur le ballast de la voie ferrée. Elle aura avantageusement un comportement pratiquement élastique.
Il est possible de renforcer l'enveloppe de polymère 6 en ajoutant, à la résine, des fibres de renforcement.
Le polymère constituant l'enveloppe 6, est de préférence du polyuréthanne, par exemple le polyuréthanne appelé"gelcoat". De la matière de charge, comme du
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caoutchouc vulcanisé, en morceaux de forme irrégulière (provenant par exemple de pneus recyclés, débarrassés de leurs fils métalliques) peut également être ajoutée au polymère. Le caoutchouc a l'avantage d'augmenter le module d'élasticité de l'enveloppe 6.
Dans les cas où l'enveloppe de polymère 6 et le béton polymère 8 comprennent du polyuréthanne, on réalise une bonne continuité chimique entre l'épaulement 2 et l'enveloppe 6 de la traverse 1.
Dans les figures 2 et 3, on a représenté également une semelle 9, partiellement enfouie dans l'enveloppe de polymère 6 et dans le béton polymère 8. La face supérieure de la semelle 9 est de préférence située dans le même plan que celui de la face supérieure de l'épaulement 2. La semelle 9 n'est pas en contact avec le bois. Elle présente, en coupe transversale, la forme d'un T (Figs. 3 et 7).
Dans la variante d'exécution représentée à la Fig. 8, la semelle 9 est enfouie directement dans le béton polymère 8, de telle manière que la face supérieure de la semelle 9 soit située dans le même plan que celui de la face supérieure de l'épaulement 2.
La semelle 9 est apte à recevoir des organes de fixation d'un rail. Ces organes de fixation peuvent être choisis parmi tous les types disponibles.
La semelle 9 sert, de concert avec l'épaulement 2 correspondant, à distribuer les pressions exercées par les rails sur la traverse 1 lors du passage d'un train. La semelle 9 est de plus grande dimension que les semelles classiques et est dès lors apte à distribuer les forces de pression, de manière à ne pas dépasser le domaine élastique du bois.
On peut prévoir, mais ceci n'est pas représenté sur les figures, de mettre entre la semelle 9 et le rail une plaque en éthyl-vinyl-acetate (EVA), pour assourdir le bruit
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produit par le contact rail/semelle.
La figure 5 montre une variante d'exécution du noyau 4 de la traverse 1. Une sur deux des lames de bois qui composent le noyau 4, sont réalisées d'un seul tenant, et s'étendent sur toute la longueur du noyau 4. Ces lames portent alors la référence 5. Ces lames 5 permettent d'assurer une bonne résistance de la traverse 1 à la traction et à la flexion.
Les lames intercalaires, situées entre les lames 5, sont constituées de trois parties : deux blocs d'extrémité 10, dont la longueur correspond sensiblement à la longueur des épaulements 2, et une lame complémentaire 11, dont la longueur correspond sensiblement à celle de la partie centrale 3. Dans le cas illustré à la Fig. 5, la hauteur des blocs d'extrémités 10 et de la lame complémentaire 11 est égale à celle des lames 5. suivant une autre variante d'exécution, représentée aux Figs. 6 et 7, les blocs d'extrémité 10 sont remplacés par des blocs 12 de mêmes largeur et longueur que les blocs 10, mais dont la hauteur est plus grande que la hauteur des lames 5.
Ce mode d'exécution permet d'utiliser moins de béton polymère 8, et donc de faire des économies, parce que le béton polymère 8 est plus cher que le bois jeune. En plus ce mode d'exécution donne une meilleure solidarisation entre l'épaulement 2 et le noyau 4.
Suivant une variante de réalisation, représentée à la figure 6, l'intervalle entre deux blocs d'extrémité 12 est occupé par un matériau de remplissage. Selon un mode avantageux d'exécution, ce matériau de remplissage est un matériau composite incorporant une résine, qui est de préférence la même résine que celle de l'enveloppe de polymère 6. Il est évident qu'un matériau de remplissage sera avantageux dans le cas où, à performances mécaniques égales, il est moins cher que le bois.
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Il va de soi que les différentes variantes d'exécution peuvent être combinées. Du matériau de remplissage pourrait également remplacer la lame complémentaire 11, dans le cas de la Fig. 5.
Dans les deux modes d'exécution décrit ci-dessus, les lames en bois 5 reprendront les forces de flexion. Les blocs 10 ou 12 et planches complémentaires 11 ou le matériau de remplissage, sont introduits dans le but d'abaisser le prix de revient de la traverse 1.
Suivant un autre mode d'exécution de la traverse 1 représenté à la Fig. 9, l'épaulement 2 et le noyau 4 sont séparés par une couche 13 de polymère identique au polymère utilisé pour l'enveloppe 6. La face supérieure de l'épaulement 2 présente toujours la même inclinaison.
L'avantage de ce mode d'exécution réside dans le fait que le béton polymère 8 et le noyau 4 sont totalement séparés. L'eau qui pénétrerait dans le béton polymère 8, par exemple par l'endroit où est fixé la semelle 9, n'attaquera pas le noyau 4 puisque celui-ci est protégé par la couche 13. Ce mode d'exécution peut avantageusement être combiné à celui de la Fig. 8 où l'enveloppe 6 ne s'étend pas à la face supérieur de l'épaulement 2.
Les traverses suivant l'invention peuvent être fabriquée par les moyens connus de l'homme du métier et en particulier par moulage. Le moulage peut se faire avantageusement dans un moule sous vide ou sous pression.
La traverse peut être réalisée, par exemple, en deux étapes : le noyau et l'épaulement sont réalisés dans un premier temps et, dans un deuxième temps, l'enveloppe est coulée sous pression.
La forme trapézoïdale de la traverse permet, avantageusement, un démoulage aisé.