Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites AM 5 650 − 1 Les composites en construction ferroviaire par Jean-Michel GUILLEMOT Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers, société ALSTOM Transport et Yves-Henri GRUNEVALD Ingénieur des Arts et Métiers Directeur de la société DDL Consultants n construction ferroviaire, pour concurrencer les matériaux métalliques, on cherche à aboutir à des structures composites multifonctionnelles et plus performantes en jouant sur la nature, l’ordonnancement des strates, la structure ou la mise en œuvre du composite mais aussi en ajoutant en cours de fabrication d’autres éléments (charges, tissus métalliques, etc.). C’est la raison pour laquelle, on parle plutôt de multimatériaux à base composite. Dans cet article, nous présentons les principales spéciﬁcités du cahier des charges de structures ferroviaires. Puis, nous exposons l’aspect conception ou plutôt méthodologie de concep- tion radicalement différente de celle des matériaux métalliques et qui doit per- mettre la meilleure réponse économique et technique au cahier des charges. L ’accent est surtout mis sur les aspects économiques et industriels qui sont fondamentaux car ils conditionnent le choix ou non des matériaux composites pour un type d’application. 1. Grandes fonctions ferroviaires à respecter...................................... AM 5 650 - 2 1.1 Principe d’une démarche globale............................................................... — 2 1.2 Établissement d’un cahier des charges fonctionnel ................................. — 2 1.2.1 Sécurité................................................................................................ — 2 1.2.2 Performances ...................................................................................... — 3 1.2.3 Durabilité ............................................................................................. — 3 1.2.4 Confort des voyageurs ....................................................................... — 3 1.2.5 Coût...................................................................................................... — 3 2. Méthodologie générale de conception composite......................... — 4 2.1 Démarches fonctionnelle, globale, intégratrice et inversée..................... — 4 2.1.1 Démarche intégratrice ........................................................................ — 6 2.1.2 Démarche fonctionnelle et globale.................................................... — 6 2.1.3 Démarche inversée ............................................................................. — 8 2.2 Limites de cette démarche et de ces concepts.......................................... — 8 2.3 Principaux avantages de cette démarche et de ces concepts.................. — 10 3. Composites pour pièces de garnissage............................................. — 11 3.1 Généralités ................................................................................................... — 11 3.2 Exemples d’applications industrielles ....................................................... — 12 4. Composites pour pièces de structure................................................ — 12 5. Conclusion ................................................................................................. — 13 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. AM 5 650 E LES COMPOSITES EN CONSTRUCTION FERROVIAIRE __________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. AM 5 650 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites Nous terminons par un large tour d’horizon des composites utilisés dans l’industrie ferroviaire en distinguant deux domaines fondamentalement différents : les pièces non structurelles et les pièces de structure. Donnons tout d’abord les raisons essentielles du passage aux composites : — la grande liberté dans le choix des formes et la facilité d’obtention de géo- métries complexes ; — l’aspect ; — l’absence de corrosion ; — le coût plus faible par rapport à la tôle emboutie. 1. Grandes fonctions ferroviaires à respecter 1.1 Principe d’une démarche globale Le processus de fabrication industrielle d’une structure composite passe par la réalisation d’un certain nombre d’étapes qui, tout en suivant un ordre logique, interagissent entre elles dès le départ du projet et peuvent mener à un certain nombre d’itérations : — l’établissement d’un cahier des charges fonctionnel ; — la conception, le dimensionnement, les calculs ; — le contrôle, les essais, la réception ; — l’analyse industrielle. La structure ferroviaire ainsi conçue doit être bien sûr plus perfor- mante mais l’être au meilleur coût. Les contraintes économiques sont intégrées dès le départ du projet et prises en compte à chacune des étapes du processus de réalisation. 1.2 Établissement d’un cahier des charges fonctionnel La conception est menée à partir d’un cahier des charges fonc- tionnel aﬁn de proﬁter au maximum des propriétés intrinsèques des composites : — des propriétés spécifiques parmi les plus performantes ; — de la capacité d’allégement ; — de l’anisotropie ; — de la remarquable résistance en fatigue ; — de l’intégration des fonctions ; — des nombreuses possibilités de mise en œuvre. Le succès, en terme économique et technique, est largement con- ditionné par cette approche fonctionnelle. Le cahier des charges est donc réalisé à partir d’une analyse fonc- tionnelle où les différentes fonctions de services et de contraintes sont recensées, caractérisées, puis hiérarchisées. Il est important de souligner que le cahier des charges ne doit pas faire l’objet de spé- ciﬁcations trop rigides, ou trop inspirées par les propriétés des matériaux métalliques, empêchant ainsi de tirer parti au maximum des avantages potentiels des matériaux composites. Comme tous les matériaux traditionnels, les matériaux composi- tes doivent contribuer à respecter un certain nombre d’exigences propres à l’industrie du transport en général et à celle du ferroviaire en particulier. Ces principaux paramètres, qui régissent la conception, sont : — la sécurité ; — les performances ; — la durabilité ; — le confort ; — le coût. 1.2.1 Sécurité Ce facteur est bien évidemment primordial. Il regroupe en fait deux notions : — la résistance aux sollicitations normales et exceptionnelles ; — la sécurité incendie (comportement au feu et résistance au feu). Concernant l’aspect mécanique des structures, il faut savoir que les véhicules ferroviaires sont soumis à des efforts importants, répé- tés et extrêmement variés. La notion de fatigue des structures est donc à prendre en considération. Le véhicule doit être également conçu pour résister à une collision éventuelle ou pour résister à des surcharges exceptionnelles. Les structures sont donc calculées aﬁn que : — à aucun moment de leur durée de vie, elles ne subissent de déformations plastiques ou d’endommagements propagatifs, en particulier sous l’effet de sollicitations exceptionnelles ; — aucune rupture en fatigue du matériel ne se produise dans les structures durant les trente-cinq années de service ; — les fréquences propres des différents équipements et sous- ensembles soient suffisamment découplées des fréquences de fonctionnement. La sécurité incendie est également un paramètre extrêmement important qui va limiter, dans bien des cas, le choix du matériau composite. En France, la sécurité incendie ferroviaire regroupe essentiellement trois notions : — la réaction au feu ; — la résistance au feu ; — les fumées. I Réaction au feu (classement M) Elle déﬁnit l’aptitude du matériau à favoriser ou non la combus- tion. La détermination de la réaction au feu résulte de la mesure de plusieurs paramètres tels que : — l’inflammabilité ; — la vitesse de propagation de la flamme ; — la production éventuelle de particules enflammées. L ’essai de réaction au feu est précisé dans la norme FDP 92-507 . Cet essai permet d’établir un classement des matériaux du point de vue du risque au feu. On détermine six classes de matériaux symbo- lisés M0 à M5 et NC (non classé) (M0 étant le meilleur classement). I Résistance au feu La résistance au feu se déﬁnit comme le temps pendant lequel un élément de construction donné est susceptible de remplir le rôle qui __________________________________________________________________________________________ LES COMPOSITES EN CONSTRUCTION FERROVIAIRE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites AM 5 650 − 3 lui est dévolu malgré le développement de l’incendie. Ce rôle est apprécié en fonction des critères suivants : — la résistance mécanique ; — l’étanchéité aux flammes et aux gaz inflammables ; — l’isolation thermique. Les éléments classés « pare-ﬂammes » doivent respecter les critè- res mécaniques et d’étanchéité. Les éléments classés « coupe-feu » possèdent les trois caractéristiques. Ces essais de résistance au feu sont décrits dans la norme ISO 834. I Fumées (classement F) La réglementation française prend en compte l’opacité et la toxi- cité des fumées (normes NF X 10-702 et 70-100). La mesure d’opacité des fumées est réalisée par la méthode dite de la chambre NBS (National Bureau of Standard). On mesure la densité optique spéciﬁque maximale Dm au cours des 20 min de l’essai et la valeur d’obscurcissement due à la fumée pendant les quatre premières minutes de la pyrolyse VOF4. On détermine également un indice de toxicité conventionnel ITC, à l’aide d’un four tubulaire, en mesurant les concentrations de sept gaz (CO, CO2, HCl, HBr, HF , HCN et SO2). avec ti mesure du gaz i en mg par g de gaz brûlé, cci concentration maximale dans l’air pour le gaz i, pouvant être supportée durant 15 min sans atteintes biologiques irréversibles. Les trois paramètres ainsi obtenus Dm, VOF4 et ITC permettent de calculer un indice de fumées IF à l’aide de la formule : . Six classes de matériaux sont ainsi établies vis-à-vis du danger des fumées : D’un point de vue purement philosophique, la protection contre l’incendie dans les véhicules ferroviaires du matériel français est réalisée par : — la sélection des matériaux constitutifs du véhicule (normes NF F 16-101 et NF F 16-102) ; — un certain nombre de dispositions constructives répertoriées dans la norme NF F 16-103. À noter également que ce domaine incendie va subir un certain nombre de bouleversements puisqu’au niveau européen de nouvel- les normes de sécurité incendie ferroviaires sont en cours d’élabora- tion par le groupe JWG uploads/Ingenierie_Lourd/ les-composites-en-construction-ferroviaire.pdf