Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Acoustique

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Ingénierie ferroviaire,propagation d'ondes,Méthodes des éléments spectraux,milieux hétérogènes,

Keywords

Railway engineering,Wave propagation,Spectral Element Method,Heterogeneous media,

Titre de thèse

Simulations dans le domaine temporel pour les problèmes ferroviaires à géométrie et propriétés non périodiques
Time domain simulations for railways problems with non-periodic geometry and properties

Date

Monday 4 July 2022 à 9:00

Adresse

LMA, 4 impasse Nikola Tesla, 13013 Marseille Amphi Canac

Jury

Directeur de these M. Régis COTTEREAU Aix Marseille Université
Rapporteur M. Paulo AMADO MENDES Universidad de Coimbra
Rapporteur M. Georges KOUROUSSIS Université de Mons
Examinateur Mme Hélène BARUCQ INRIA
Président M. Mohamed ICHCHOU Ecole Centrale de Lyon
Examinateur M. Fernando LOPEZ-CABALLERO CentraleSupélec
CoDirecteur de these M. Baldrik FAURE SNCF

Résumé de la thèse

Le chemin de fer joue un rôle majeur dans le transport des personnes et des marchandises. Bien qu'étant un mode de transport respectueux de l'environnement, il est responsable de bruit et de vibrations générés aux abords des emprises ferroviaires. Ces problèmes environnementaux entravent le développement de ce mode de transport et doivent être contrôlés. Cette thèse se concentre sur la prédiction des vibrations induites par le trafic ferroviaire et l'atténuation de ces vibrations à l'aide de barrières. L'approche classique pour l'estimation des ondes induites par le passage des trains considère souvent une hypothèse d'invariance par translation ou par périodicité de la voie. Cette hypothèse permet de résoudre efficacement ces problèmes dans le domaine fréquentiel en modélisant une voie infinie. Cependant, dans de nombreux cas d'intérêt industriel (par exemple, un changement de géométrie de la voie, une courbe, ou une transition entre une voie ballastée et une dalle en béton), cette hypothèse n'est plus valable. Dans ces cas, qui sont d'intérêt dans cette thèse, l'utilisation des méthodes dans le domaine temporel est une bonne alternative aux méthodes dans le domaine fréquentiel. Dans cette thèse, la méthode des éléments spectraux, qui est largement utilisée en géophysique et peut être efficacement parallélisée sur des milliers de processeurs, est considérée. Une première contribution de la thèse consiste à expliquer l'apparition d'ondes parasites à la frontière du domaine numérique, lorsque des charges mobiles sont considérées dans les méthodes dans le domaine temporel. Ce problème est atténué en introduisant des conditions initiales non-évanecentes dans la simulation concernée. Ces conditions initiales sont précalculées et peuvent être largement réutilisées dans un contexte industriel. Une deuxième contribution consiste à réévaluer l'approche classique en ingénierie ferroviaire où seule la partie dynamique de la charge mobile est considérée pour calculer les vibrations dans le champ lointain. Trois cas d'intérêt industriel sont considérés, où les contributions au champ lointain des charges statiques et dynamiques sont calculées. Les résultats suggèrent que, bien que la contribution statique soit négligeable pour la transition ballast-béton et la courbe, il peut être important de la considérer lorsque l'hétérogénéité de la voie ballastée est modélisée. Une dernière contribution de la thèse est de fournir des arguments pour soutenir l'utilisation de barrières granulaires pour atténuer les vibrations induites par les chemins de fer. Les résultats suggèrent qu'elles peuvent constituer une alternative efficace aux tranchées, sujettes à des problèmes d'instabilité, ou aux barrières homogènes, dont l'efficacité dépend fortement de la différence d'impédance avec le sol environnant.

Thesis resume

Railway plays a major role in the transport of people and goods. Although being an environmentally friendly mode of transport, it is responsible for the generation of noise and vibrations in the vicinity of railroad tracks. These environmental issues hinder the development of this mode of transportation and should be controlled. This thesis focuses on the prediction of vibrations induced by railway traffic and the mitigation of these vibrations using barriers. The classical approach to the estimation of waves induced by passing trains often considers an hypothesis of invariance by translation or periodicity of the track. This assumption allows to efficiently solve these problems in the frequency domain by modeling an infinite track. However, in many cases of industrial interest (for instance, a change of track geometry, a curve, or a transition between a ballasted track to a concrete slab), this assumption is no longer valid. In theses cases, that are of interest in this thesis, the use of time domain methods is a good alternative to frequency domain methods. In this thesis, the spectral element method is considered, which is widely used in geophysics and can be efficiently parallelized over thousands of processors. A first contribution of the thesis consists in explaining the appearance of spurious waves at the boundary of the numerical domain, when moving loads are considered in time domain methods. This issue is mitigated by introducing non-vanishing initial conditions in the simulation of interest. These initial conditions are pre-computed and can be widely re-used in an industrial context. A second contribution consists in re-evaluating the classical approach in railway engineering where only the dynamical part of the moving load is considered to compute the vibrations in the far-field. Three cases of industrial interest are considered, where the far-field contributions from both the static and dynamic loads contributions are computed. The results suggests that, while the static contribution is negligible for the ballast-concrete transition and the curve, it may be important to consider it when the heterogeneity of the ballasted track is modeled. A last contribution of the thesis is to provide arguments to support the use of granular barriers to mitigate railway-induced vibrations. Results suggest that they may provide an efficient alternative to trenches, prone to instability issues, or homogeneous barriers, that rely heavily on impedance mismatch with the surrounding soil.