Long rail soudé

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 dizaines de kilomètres.

Longs rails soudés en gare de Royat-Chamalières (Puy-de-Dôme), en France

C'est la méthode de pose adoptée pour toutes les lignes à fort trafic, et notamment les lignes à grande vitesse, bien qu'elle devienne peu à peu la norme pour tous les réseaux de chemin de fer (tramway, renouvellement ou création de petites lignes comme celle d'Oloron-Sainte-Marie à Bedous en 2016, lignes 15-16-17 du Grand Paris Express, ou une partie de la ligne d'Eygurande-Merlines à Clermont-Ferrand entre Clermont-Ferrand et Durtol en 2012).

Historique

Depuis les origines du chemin de fer, la dilatation des rails a été source de désagrément pour les exploitants ferroviaires.

Comme, de toute façon, la technologie alors disponible ne permettait pas d'avoir de longs rails, ce problème fut résolu en laissant, aux joints entre les rails, un espace suffisant à leur libre dilatation. Une voie posée selon cette méthode est dite en « barres normales ».

Cependant, du fait de cette discontinuité du roulement, les joints entraînent des chocs au passage des roues. Outre l'inconfort ressenti par les passagers et l'usure de la bande de roulement des roues, ces chocs entraînent une usure des constituants du joint ainsi que du ballast sous les traverses supportant le joint et nécessitent un entretien très régulier.

Les exploitants ont donc toujours cherché une solution pour supprimer les joints. C'est ainsi que, dès les années 1930, fut théorisé le fonctionnement des LRS. Mais les matériaux de l'époque, en particulier les attaches rigides, n'assuraient pas un maintien suffisant et ne permettaient donc pas une mise en œuvre aisée de cette nouvelle technique. Il fallut attendre la mise au point des attaches élastiques pour reprendre l'expérimentation puis passer à la généralisation du procédé.

Principe de fonctionnement

Appareil de dilatation pour LGV.

Les rails sont soudés à une température ambiante comprise entre 20 °C et 30 °C (en France). Si la température des rails est inférieure, on peut utiliser des tendeurs hydrauliques pour donner au rail la longueur qu'ils auraient à 25 °C (dilatation d'environ 0,01 mm m⁻¹ °C⁻¹). Si la température des rails est supérieure, il est interdit de souder. Grâce à ces précautions les contraintes dans les rails restent relativement faibles (de l'ordre de 10 daN mm⁻² max), ce qui permet d'éviter tout problème de flambement ou de déformation de la voie.

Les rails peuvent être soudés sur plusieurs dizaines de kilomètres sans joint de dilatation. Les appareils de dilatation sont obligatoirement mis en place au droit des ouvrages d'art en béton de type pont-rail de plus de 100m de longueur. Ces appareils compensent la différence de dilatation avec l'acier du rail.

Le libre mouvement du métal en fonction de sa température est bridé par sa fixation ferme aux traverses, elles-mêmes ancrées dans le ballast. Les mouvements contrariés du métal se transforment en contraintes de compression (lors de températures élevées) ou de tension (lors de basses températures), qui peuvent générer des efforts équivalents à 140 tonnes pour une voie armée de rails de 60 kg/m.

Ces contraintes mécaniques internes dépendent des variations de températures mais sont indépendantes de la longueur et de la section du rail. La section intervient par contre dans le calcul des efforts générés.

À l'extrémité du LRS se trouve une zone où la libre dilatation du rail n'est plus totalement compensée, la zone de respiration. Les mouvements de l'extrémité du rail étant supérieurs à ce qu'un joint mécanique traditionnel peut normalement absorber, on y installe des dispositifs de dilatation spéciaux qui permettent aux rails de coulisser, tout en assurant, sans hiatus longitudinal mais avec hiatus latéral, la continuité du roulement.

Avantages et inconvénients

Les LRS présentent deux principaux avantages, qui sont la conséquence de la suppression des joints éclissés :

• une réduction des coûts d'entretien de la voie ;
• une meilleure qualité de roulement et plus grand confort pour les voyageurs ainsi qu'une moindre sollicitation sur le matériel roulant.

Les inconvénients, largement compensés par les avantages, sont :

• une technicité plus grande de leur mise en œuvre et de leur entretien, nécessitant un personnel bien formé ;
• un risque de déformation par flambement de la voie sous les contraintes de compression excessives lors de périodes de très fortes chaleurs (mais ce risque existe aussi en barres normales) ;
• cette compression sous températures élevées entraîne également des risques de déformations lors de travaux effectués sur les rails, le ballast ou les attaches durant la saison chaude. Pour cette raison, sauf à prendre des précautions particulières comme une limitation de la vitesse, on n'entreprend pas de travaux en été sur des voies en LRS ;
• un risque accru par rapport aux barres normales de rupture de rail lors des périodes de grand froid du fait de la tension régnant dans les barres ;
• une utilisation de quantités de ballast plus importantes afin de mieux ancrer les traverses ;
• des joints isolants, préfabriqués en atelier, de grande longueur, nécessitant 2 soudures alumino-thermiques en voie lorsque le circuit de voie l'exige.

Pour minimiser le risque de déformations de voie, les LRS ne sont en général pas utilisées sur les voies sinueuses ou sur les terrains de mauvaise stabilité.

Constitution

Soudure aluminothermique de deux barres de rails soudés.

Les barres longues, d'une longueur de 144, 300 ou 400 m selon les pays, sont produites en atelier par la soudure de rails élémentaires de 18 m, 36 m, 72 m, 75 m, 80 m, 100 m ou 120 m. En France, la longueur des barres élémentaires est de 108 m réalisées par laminage. Quatre barres élémentaires sont soudées pour former une barre longue de 432 m. Cette soudure effectuée en atelier fixe ou semi-mobile est faite par étincelage et forgeage ou bien par induction et forgeage. Ces barres longues, dont la souplesse autorise le transport sur des rames de wagons plats spécialement équipés d'agrès et goulottes de déchargement appelées « rames LRS », sont ensuite posées et soudées entre elles sur place par soudure alumino-thermique ou soudage par étincelage (électrique).

Elles sont fixées aux traverses par l'intermédiaire d'attaches élastiques.

Dans le cas de création d'un LRS par soudage des rails d'une voie en barres normales fixées, totalement ou en partie, par des attaches rigides, on installera des dispositifs « anti-cheminant » destinés à s'opposer aux mouvements longitudinaux du rail.

La libération des LRS

Pour limiter les contraintes, la pose des barres longues devrait idéalement se faire à une température moyenne entre les extrêmes attendus appelée « température de référence ». Cette température de référence est, par exemple, en général de 25 °C en France.

Pour ce faire, la pose de rails est suivie d'une opération appelée « libération des contraintes » visant à homogénéiser les contraintes à l'intérieur du rail et à le fixer ensuite conformément à la température de référence souhaitée.

L'homogénéisation des contraintes est obtenue de la façon suivante :

• on détache le rail des traverses ;
• on insère des rouleaux sous le rail afin qu'il puisse librement se déplacer dans le sens longitudinal ;
• on le met en vibration en le frappant à l'aide de masses caoutchoutées prévues à cet effet.

Ensuite, en fonction de la température réelle du rail :

• si elle est proche de la température de référence idéale, on fixe à nouveau les rails tels quels et l'on soude (Libération à température naturelle) ;
• si elle est inférieure (cas le plus fréquent car on évite ce type de travaux par temps chaud), les rails sont mis en traction à l'aide de vérins hydrauliques afin de compenser la différence avec la température de référence puis on fixe à nouveau les rails et l'on soude (Libération à l'aide de vérins hydrauliques) ;
• si enfin elle est trop élevée, on effectue une libération à température naturelle. Ce type de pose entraîne l’inconvénient de devoir revenir, lorsque les conditions de température réelle le permettent, effectuer une nouvelle libération afin d'être conforme à la température de référence idéale. Si cette nouvelle libération n'est pas effectuée à temps, on risque, lors des premiers grands froids suivants, des ruptures du rail dues à de trop fortes contraintes de traction.

Notion de température

La température dont il est question dans cet article n'est pas la température ambiante, mais celle du métal constituant le rail proprement dit. Celle-ci peut être très différente de la température ambiante.

Elle peut par exemple être très élevée lorsque le soleil chauffe la voie alors que l'air ambiant lui-même reste doux. De même, par temps froid, la température propre du métal est généralement inférieure à la température ambiante.

On mesure cette température soit :

• en plaquant un thermomètre sur le patin du rail à l'ombre ;
• en utilisant un thermomètre introduit dans un trou percé dans un coupon de rail de mêmes caractéristiques que le rail constituant le LRS et soumis aux mêmes conditions extérieures.

Calcul des contraintes dans les LRS

$S~$ : Section du rail (mm²)
$F~$ : Force thermique dans le rail (N)
$\Delta T~$ : Différence de température avec la température d'incorporation (soudure)(°C)
$\alpha ~$ : coefficient de dilatation thermique de l'acier (mm/°C/m)
E : Module de Young du matériau constituant le rail (MPa)

$\sigma =E.I=E.{\frac {\Delta L}{L}}={\frac {F}{S}}~$

$\Delta L=\alpha .\Delta T.L~$

$\sigma =E.\alpha .\Delta T\qquad et\qquad F=E.S.\alpha .\Delta T~$

Application numérique :
S = 7 745 mm²
$\alpha$ = 0,012 mm/°C/m
E = 210 000 MPa

F = E . S . $\alpha .\Delta$ T = 19,5 kN/°C
$\sigma$ = 2,5 MPa/°C

$\Delta$ T = 55 °C

Dilatation du LRS rail non contraint en fonction de la température :

L = 400 m
$\Delta L=$0,012*55*400

$\Delta L=$264 mm

F = 1 070 kN et $\sigma$ = 137 MPa

Voir aussi

Bibliographie

• Roland Sauvage, La stabilité des longs rails soudés, Louis-Jean, 1966, 64 pages
• J.P. Fortin, « Théorie simplifiée des longs rails soudés », dans Revue générale des chemins de fer, n°79, 1999, pp.15-25
• André Francusco et Jean-Hubert Lavie (Photographe), « La maintenance des longs rails soudés : Les LRS constituent un net progrès en matière de confort et de coût, mais leur maintenance est complexe et nécessite beaucoup de rigueur. Explications d'un ancien chef de district », Ferrovissime, n^o 101,‎ septembre / octobre 2019, p. 22-23 (ISSN 1961-5035).

Articles connexes

• Voie ferrée
• Rail
• Dispositif de dilatation
• Fixation des rails aux traverses
• Ballast