Rapport projet de dimensionnement d’un système ferroviaire

Amélioration du ferroutage en France

Page 1 sur 71

Rapport projet de dimensionnement d’un système ferroviaire

Amélioration du ferroutage en France Pierre Blache Yvan Poilbout Thomas Raoult 16 mai 2008


Page 2 sur 71

Remerciements Nous tenons en premier lieu à remercier M. Marc Ciais, pour nous avoir encadrés et conseillés tout au long de l'élaboration de ce projet. Nous remercions également M. Bernard Lerouge qui nous a aidés à déterminer la résistance à l’avancement de notre train. Nous remercions aussi M. Florent Brisou, pour ses conseils et explications sur le freinage ferroviaire. Mais aussi pour les précieuses informations que son site a pu nous fournir. Enfin, nous remercions M. Bruno Beauchet pour les réponses qu’il a pu nous apporter sur le tracé et le profil des lignes ferroviaires dans la région du Languedoc Roussillon.


Page 3 sur 71

Sommaire

Introduction 1. Situation et état du réseau routier en France

1.1. Longueurs des réseaux routiers en France 1.2. Réseau autoroutier

1.3. Parc automobile Véhicules utilitaires 1.4. Circulation routière 1.5. Trafic sur l’axe autoroutier “mer du Nord-Méditerranée” 1.6. Trafic autoroutier entre la France et l’Espagne 1.7. Trafic autoroutier entre la France et l’Italie 1.7. Nécessité du Ferroutage 1.8. Système de Ferroutage existant

1.8.1. Les autoroutes ferroviaires en Europe 1.8.2. Carte des autoroutes ferroviaires en Europe 1.8.3. Le développement des autoroutes ferroviaires en France 1.8.4. Le système Modalohr

2. Notre Projet

2.1. Programme de traction 2.2. Cahier des charges 2.3. Calculs relatifs au train

2.3.1. Détermination de la résistance à l’avancement du train 2.3.2. Détermination de l’effort de traction 2.3.3. Effort à transmettre, limité par l’adhérence, puis par la puissance

2.4 Architecture des rames

2.4.1 Première Etude 2.4.2 Configuration des rames 2.4.3 Etude des différentes configurations

2.4.3.1 Configuration 10 camions « V200 » 2.4.3.2 Configuration 5 camions « V200L » (light) 2.4.3.3 Configuration 15 camions « V160 » 2.4.3.4 Configuration 20 camions « V140 »

2.5. Freinage

2.5.1. Principes 2.5.2. Paramètres du freinage 2.5.2. Puissance de freinage 2.5.3. Problématique 2.5.4. Inventaire des solutions technologiques existantes


Page 4 sur 71

2.5.5. Comparaison des courbes de l’effort en fonction de la vitesse des différents systèmes de freinage 2.5.6. Choix des systèmes de freinage pour notre train

2.6. La chaine de traction

2.6.1. Principes fondamentaux 2.6.2. Moteur à courant continu 2.6.3. Moteur Synchrone 2.6.4. Moteur asynchrone 2.6.5. Choix du type de moteur

Annexe 1 : Carburants Annexe 2 : Réglementation sur les gabarits des véhicules routiers Annexe 3 :L’autoroute ferroviaire Alpine (AFA) Annexe 4 : Autoroute ferroviaire Perpignan-Bettembourg Annexe 5 : Exemples Chargements déchargements Conclusion Lexique


Page 5 sur 71

Introduction Depuis les années cinquante, le moyen de transport qui a été le plus privilégié, du moins en France, est le transport routier. En effet, des routes et des autoroutes ont été construites pour permettre de faire circuler les hommes mais aussi des marchandises entre les grandes villes et régions de la France. Les villes ont été aussi affectées par le développement des véhicules routiers et notamment au détriment des transports ferroviaires. Or depuis quelques années, la circulation et la fréquentation des axes majeurs français est peu à peu arrivées à saturation. D’où la nécessité de trouver une solution qui puisse permettre de désengorger les routes. La solution que nous allons proposer dans notre étude est basée sur un système de ferroutage qui vise à transporter des poids lourds à travers le sud de la France. Les poids lourds circulant en France sont composés d’une partie non négligeable qui ne fait que traverser le pays pour desservir les régions du Nord de l’Europe. Cette population est donc facile à capter sur les réseaux ferroviaires, comme cela ce fait en Suisse ou en Italie. Un autre élément sur lequel nous nous sommes penché au cours de notre dimensionnement est la grande vitesse pour un service de fret. En effet, à l’heure actuelle on parle de grande vitesse exclusivement pour le transport de voyageur. Nous avons donc décidé de concevoir des trains de ferroutage pouvant circuler à des vitesses de l’ordre de 200 km/h.


Page 6 sur 71

1. Situation et état du réseau routier en France 1.1. Longueurs des réseaux routiers en France > Longueur du réseau routier national de France métropolitaine (kilomètres au 31 décembre 2005)

> Longueur du réseau d’autoroutes (kilomètres au 31 décembre 2005)

Au 31 décembre 2005, le réseau routier et autoroutier de la France métropolitaine se compose de plus de 1,5 millions de kilomètres de voiries dont (chiffres arrondis) :

• Autoroutes - concédées : 8 200 km (dont 1 800 km à 2 x 3 voies et 60 km à 4 voies et plus) - non concédées : 2 600 km

• Routes nationales - à chaussées séparées : 5 500 km, dont environ 2 000 km à caractéristiques

autoroutières - à chaussée unique (2 ou 3 voies) : environ 20 000 km

• Routes départementales : 365 000 km • Routes communales et rues : 550 000 km • Chemins ruraux : de l'ordre de 600 000 km


Page 7 sur 71

Le rythme des mises en service d'autoroutes concédées nouvelles est en légère décroissance depuis une dizaine d’années (environ 170 km par an pendant les dix dernières années, les fluctuations annuelles étant dues aux irrégularités des dates de mises en service). En plus de la construction des tronçons nouveaux, les sociétés concessionnaires procèdent progressivement aux élargissements à 2 x 3 voies des sections les plus fréquentées, travaux à l’occasion desquels il est procédé à la modernisation et à la mise aux normes les plus récentes en matière d’environnement et de sécurité. Les autoroutes non concédées, qui étaient jusqu'en 1985 pour l'essentiel des rocades ou des autoroutes dites "de dégagement" autour des grandes villes, ont depuis lors connu un nouveau développement par suite de la transformation progressive en autoroutes de certains grands itinéraires (notamment A20 entre Vierzon et Brive-la-Gaillarde, A75 entre Clermont-Ferrand et Béziers, A84 entre Caen et Rennes, A34 entre Reims et Charleville-Mézières, A77 entre Cosne-sur-Loire et Moulins, A63 dans la traversée des Landes, etc.). Avec le tableau et le graphique, nous pouvons en déduire que les axes majeurs de communication routière, comme la vallée du Rhône, possèdent déjà des autoroutes à au moins deux fois deux voies. Les nouveaux tronçons d’autoroute sont construits dans les régions du Massif Central et de l’Ouest de la France. Les autres projets de construction d’infrastructures autoroutières sont essentiellement mis en place pour relier des autoroutes entre elles et assurés un maillage plus important du territoire. En clair, l’axe Paris-Rhin-Rhône est terminé, il ne reste plus que des élargissements à deux fois trois voies à réaliser sur la partie de Rhin. On peut donc dire que les infrastructures autoroutières sur cette partie de la France ont atteint leurs maximums d’expansion. La conséquence direct que l’on peut noter et qui est décrite dans la suite du document est que comme le trafic de poids lourds ne cesse d’augmenter à l’heure actuelle et que les infrastructures restent les mêmes. Il va donc y avoir un phénomène de saturation sur cet axe, déjà présent, qui va continuer de croître. La solution du ferroutage est donc une alternative intéressante pour résoudre les phénomènes de saturation et d’engorgement des autoroutes françaises.


Page 8 sur 71

1.2. Réseau autoroutier Situation à l’automne 2006


Page 9 sur 71

1.3. Parc automobile Véhicules utilitaires On distingue en France deux grandes catégories de véhicules utilitaires (VU) : Ø les véhicules utilitaires légers (VUL) de poids total autorisé en charge (PTAC)

inférieur ou égal à 3,5 tonnes, qui sont utilisés pour 2/3 par des professionnels et 1/3 par des particuliers (source : enquête quinquennale de la DAEI-SESP, année 2000), et qui peuvent être conduits par les titulaires du permis B.

Ø les véhicules industriels (VI) ou poids lourds (PL) de PTAC supérieur à 3,5 tonnes (*), qui appartiennent tous à des professionnels, transporteurs pour le compte d'autrui ou autres industriels et entrepreneurs pour leur compte propre ; on trouve aussi dans cette catégorie les convois articulés (tracteurs plus remorques ou semi-remorques) dont la masse est exprimée en poids total roulant autorisé (PTRA).

(*) Cette distinction est conforme à la législation européenne : selon la directive 70/156/CEE, les VUL appartiennent à la catégorie N1 (3,5 tonnes au maximum), les VI aux catégories N2 (12 tonnes au maximum) et N3 (plus de 12 tonnes). En France, les VI ont pratiquement tous un PTAC de 5 tonnes et plus ; la catégorie 3,5t-5t est très peu représentée (0,2% du parc de VU). > Véhicules industriels (poids lourds) : parc au 31 décembre (poids totaux autorisés en charge) (milliers)

Les parcs de VU étaient mal connus par le passé, ce qui a donné lieu à des réévaluations (qui expliquent les quelques discontinuités dans les courbes) ; depuis 1988, les chiffres sont plus fiables. Le parc de VUL croît sensiblement au même rythme que celui des voitures particulières. Le parc total de VI est pratiquement stationnaire depuis au moins une vingtaine d'années, mais il change progressivement de structure, comme l'indique le graphique ci-dessus, les tracteurs routiers tractant des semi-remorques représentent 40% du parc, alors que les petits camions (3,5 à 12 tonnes) sont en diminution. La tendance actuelle est donc de préférer l’achat de tracteurs et ensuite de pouvoir adapter n’importe quelles remorques. Ce procédé permet de pouvoir couvrir des grandes distances avec les remorques de grand tonnage mais aussi de faire des dessertes locales grâce aux remorques moyennes.


Page 10 sur 71

1.4. Circulation routière > Circulation routière par types de véhicules (milliards de véhicules x kilomètres)

• VP : véhicule particulier. Cette abréviation concerne tous les voitures de particuliers

dont le poids total autorisé en charge est inférieur ou égal à 3,5 tonnes. • VUL : véhicule utilitaire léger d’un poids total autorisé en charge (PTAC) inférieur ou

égal à 3,5 tonnes • VI : véhicule industriel ou poids lourd. Tout véhicule de plus de 3,5 tonnes.

On peut noter que le nombre de véhicules par kilomètres est en constante augmentation depuis une dizaine d’années quelque soit le type des véhicules. > Répartition de la circulation routière par types de véhicules (en % de la circulation totale)

Le pourcentage des poids lourds étrangers est un facteur important car d’après les chiffres proposés les poids lourds étrangers circulant sur le réseau français augmentent de plus en plus. On peut supposer qu’une grande partie de cette population ne fait que transiter par la France pour atteindre les régions du Nord et de l’Est de l’Europe. Par conséquent les voies empruntées sont naturellement les autoroutes de France. Avec le ferroutage, ce type de camions est simple à transporter d’une frontière à une autre puisqu’il n’y a pas d’arrêts intermédiaires. On peut remarquer également que depuis dix ans le pourcentage occupé par les poids lourds (PL ou VI) est en augmentation par rapport au pourcentage total des véhicules circulant en France. Le nombre de camions circulant sur le réseau français est donc globalement en augmentation, malgré une légère récession entre les années 2004 et 2005.


Page 11 sur 71

> Circulation des véhicules immatriculés en France (milliards de véhicules x kilomètres)

La circulation routière est exprimée en kilomètres parcourus annuellement par l’ensemble des véhicules (véhicules x kilomètres), regroupés par catégories. Des recoupements sont effectués avec les consommations de carburants. Ces données restent approximatives, mais les ordres de grandeur et les tendances sont vraisemblables. Le tableau est relatif à la totalité des véhicules ayant circulé sur le territoire. Le graphique est relatif aux seuls véhicules immatriculés en France, qui représentent 92% de la circulation totale. Ø Circulation routière par types de réseaux (tous véhicules confondus) (milliards de

véhicules x kilomètres)

Ø Répartition de la circulation routière par type de réseaux (tous types de véhicules confondus) (% de la circulation totale)


Page 12 sur 71

La répartition de la circulation entre réseau national, routes locales et agglomérations varie peu dans le temps. Sur le réseau national, on constate au fil des années que les routes nationales sont peu à peu déchargées au profit des autoroutes qui remplissent ainsi une de leurs fonctions principales. Depuis 2000, les statistiques officielles ne distinguent plus entre routes locales et agglomérations. Les deux graphiques ci-dessous montrent comment s'est répartie la circulation en 2005, par types de véhicules et par réseaux. A partir de ces deux graphiques, on peut en déduire que les autoroutes du territoire sont de plus en plus utilisées. La circulation croît régulièrement depuis l'origine de la concession des autoroutes en France, en raison de l'augmentation générale de la circulation, de l'adhésion croissante des automobilistes et des transporteurs routiers aux autoroutes, de l'extension du réseau et de l'effet de continuité et de maillage. Or nous avons vu précédemment qu’en ce qui concerne la construction et l’implantation de ces infrastructures routières, certaines régions, comme la région de la vallée du Rhône, étaient aux maximums de leurs expansions. Diagrammes récapitulatifs

La définition des « poids lourds » A compter du 1er janvier 2001, la définition des « poids lourds » au regard du péage a été sensiblement modifiée. Au sens des sociétés concessionnaires des autoroutes, le mot poids lourds était employé de façon différent de la norme européenne utilisée dans la plupart des séries statistiques. Les concessionnaires se basaient sur des critères géométriques, nombre d'essieux et hauteur au-dessus de l'essieu avant, alors que le critère officiel est le poids total en charge (« plus de 3,5 tonnes »). Le changement de classification, qui fait intervenir aussi des critères pondéraux, a eu pour résultat de transférer plus de la moitié des « poids lourds » de classe 3 (les camionnettes et autres) vers la catégorie des « véhicules légers ». Compte tenu des proportions respectives des différentes classes de véhicules, le «pourcentage de poids lourds» a ainsi été diminué d’environ 3 points. Cette nouvelle répartition rapproche désormais les différentes sources statistiques, et correspond mieux que par le passé à la notion courante de «poids lourd», à savoir les camions, les semi-remorques et les camions avec remorques. L’ambiguïté statistique a donc été atténuée, sans toutefois disparaître totalement.


Page 13 sur 71

1.5. Trafic sur l’axe autoroutier “mer du Nord-Méditerranée” >Axe Lille-Paris-Lyon-Marseille ; trafic moyen pondéré sur les parties concédées de A1, A6 et A7 (milliers de véhicules/jour par jour moyen de l’année).

> Axe Lille-Paris-Lyon-Marseille ; trafic moyen journalier annuel (pondéré) (véhicules par jour) (nouvelle classification à partir de 2001)

Les autoroutes A1, A6 et A7 Lille-Paris-Lyon-Marseille constituent un axe de circulation majeur (850 km d’autoroutes concédées interurbaines), achevé en totalité en 1971 et dont le trafic (ici pondéré par les longueurs respectives des trois grands tronçons) est un indicateur national intéressant. Le trafic est exprimé en moyenne journalière annuelle (parfois désigné par « intensité kilométrique »). L'effet de maillage et d'équilibrage du réseau autoroutier obtenu grâce aux mises en service des autres autoroutes d'orientation nord-sud (Paris-Clermont-Ferrand-Béziers, Lille-Reims- Dijon-Bourg-en-Bresse, Calais-Amiens-Paris) avait permis de contenir pendant quelques années la croissance du trafic, qui n'avait guère évolué entre 1991 et 1997, qu'il s'agisse des véhicules légers ou des poids lourds. A partir de 1998, le trafic avait recommencé à augmenter modérément ; il est stable depuis 2002. Le pourcentage de "poids lourds" est stable depuis plus de vingt ans : (environ 19% dans la nouvelle classification). Ø Encombrements routiers

La définition des " encombrements " a évolué au fil des années, en raison de la généralisation des instruments de mesures automatiques qui se substituent progressivement aux observations visuelles des services de police et de gendarmerie. C’est le cas notamment dans les grandes agglomérations où se rencontre l’essentiel des difficultés de circulation. Les séries ne sont donc pas complètement homogènes. A titre d’exemple, dans l’ancien système de collecte, on distinguait trois principaux types d’encombrements selon leurs causes : accident, travaux, trafic : seule cette dernière cause était considérée comme dénotant une insuffisance


Page 14 sur 71

temporaire de capacité. Dans la collecte automatique, la distinction n’est en général pas possible ; au surplus, aucun ralentissement n’échappe plus au système (sauf cas de panne). Par conséquent, on peut penser que les progrès des techniques d’investigation ont plutôt tendance à majorer l’importance des phénomènes observés qu’à les minorer. Les grands axes autoroutiers et les très grandes agglomérations possèdent leurs propres systèmes, baptisés d’un acronyme : c’est le cas de Sirius en Ile-de-France, qui couvre maintenant la quasi-totalité du réseau primaire de l’agglomération. La définition de l’encombrement est la suivante : le " bouchon " ou " encombrement " est qualifié lorsque la vitesse descend au-dessous de 30 km/h ; le trafic est réputé revenir à l’état " fluide " lorsque la vitesse repasse durablement au-dessus de 60 km/h. L’unité de mesure est l’heure-kilomètre, ramenée au kilomètre de file de circulation (un ralentissement de 1 km pendant 1 heure sur l’une des deux chaussées d’une autoroute à 2x3 voies représente 3 heures-kilomètres). > Encombrements routiers (milliers d’heures-kilomètres de file de circulation)

> Répartition des encombrements en province de 2002 à 2005 (en pourcentages des heures-kilomètres)


Page 15 sur 71

1.6. Trafic autoroutier entre la France et l’Espagne > Frontière espagnole, autoroutes côtières ; trafic moyen journalier annuel (véhicules par jour)

> Frontière espagnole, autoroutes côtières ; trafics moyens journaliers annuels (véhicules par jour) (nouvelle classification à partir de 2001)

Les trafics à la frontière franco-espagnole sur les deux autoroutes côtières (A63 à Hendaye côté Atlantique et A9 au Perthus côté Méditerranée) accueillent 90% du trafic total entre les deux pays. Depuis 1986, année de l'entrée de l'Espagne et du Portugal dans l'Union européenne, ce trafic a augmenté régulièrement. L'entrée en vigueur en 1993 du marché unique avait été largement anticipée par les Espagnols et les Portugais, ainsi que par leurs transporteurs. La croissance du trafic de marchandises est alimentée par le développement économique sans précédent de la péninsule ibérique et le dynamisme de ses entreprises de transport, et elle se manifeste évidemment aux frontières avec la France, qui constitue le passage terrestre obligé pour les Espagnols et les Portugais quelles que soient leurs destinations. Exprimé en termes d’augmentation d’une année sur l’autre, le taux de croissance du trafic lourd diminue progressivement au fil des années et tend à se stabiliser. Selon l'enquête réalisée en 1999 par la DAEI-SESP, le trafic de poids lourds recensé à la frontière espagnole est constitué à 46% de trafic de transit à travers le territoire français, dont 11% effectuent le trajet entre la frontière espagnole (poste du Perthus en grande majorité) et la frontière italienne (poste de Vintimille) par les autoroutes A9, A54 et A8. Une nouvelle enquête aux frontières a eu lieu en 2004, les résultats détaillés ne sont pas encore publiés.


Page 16 sur 71

1.7. Trafic autoroutier entre la France et l’Italie >Tunnels alpins (véhicules par jour)

Le trafic total de poids lourds franchissant les Alpes franco-italiennes (cumul des deux tunnels), stationnaire entre 1994 et 2002, diminue depuis lors. L'accident du 24 mars 1999 ayant entraîné la fermeture temporaire du tunnel du Mont-Blanc, le trafic de poids lourds s'était reporté sur le tunnel du Fréjus dont le trafic lourd avait ainsi été multiplié par deux. Le tunnel du Mont-Blanc a été rouvert par étapes en 2002. A partir de cette date, on peut voir sur le graphique que le trafic s’est réparti entre les deux tunnels mais que la fréquentation totale est restée presque constante. Dernièrement, on peut noter une faible diminution du nombre de poids lourds empruntant ces deux tunnels, du fait de l’ouverture de la ligne de ferroutage Aiton – Orbassano via le système Modalohr. Le tunnel du Fréjus a été à son tour fermé entre le 4 juin et le 4 août 2005 (réouverture totale le 24 août 2005) par suite d’un accident. Le trafic s’était alors reporté en majorité sur le tunnel du Mont Blanc.


Page 17 sur 71

>Trafic autoroutier entre la France et l’Italie : côte méditerranéenne (véhicules par jour)

Selon l'enquête réalisée en 1999 par la DAEI-SESP, environ 50% des poids lourds recensés à la frontière italienne de Vintimille effectuent des trajets de transit entre la frontière espagnole et la frontière italienne, (nouvelle enquête aux frontières en 2004, résultats non encore publiés). Les trafics entre l’Espagne, le sud de la France et l’Italie utilisent presque exclusivement le passage par Vintimille. Les tunnels franco-alpins, pour leur part, acheminent la quasi-totalité des transits provenant du Royaume-Uni et du Benelux, et des échanges de l’Italie avec les régions françaises autres que celles du sud. Ces deux itinéraires apparaissent donc comme très spécialisés chacun dans leur domaine, comme le suggère la géographie.


Page 18 sur 71

1.7. Nécessité du Ferroutage Grâce à toutes les séries statistiques, graphiques et diagrammes présentés ci-dessus, on peut en ressortir plusieurs éléments importants. Dans un premier temps, sur tous les axes de transport important, il existe des autoroutes déjà en service depuis une dizaine d’années. Le nombre de portions d’autoroute construite est en diminution et actuellement les travaux se font essentiellement pour l’élargissement des voies de communication. Dans certain secteur, comme la vallée du Rhône, l’ensemble des infrastructures autoroutières arrive au maximum de son développement. Dans un deuxième temps, on constate que le trafic est en augmentation constante sur tout le réseau français. Depuis dix ans, les routes nationales et abord des grandes villes sont déchargés vers les autoroutes. Malgré que le nombre de camions immatriculés en France ait tendance à stagner, les exigences des transporteurs envers les constructeurs ont changé. En effet, les transporteurs préfèrent acheter des tracteurs avec plusieurs remorques de capacité différente pour couvrir les grandes distances. Pour les faibles trajets et livraisons particulières, on peut penser que l’utilisation la plus fréquente soit les véhicules utilitaires de moins de 3,5 tonnes. Le résultat est qu’on retrouve sur les autoroutes des camions de plus en plus lourds et donc moins rapide. Dans un troisième temps, les encombrements dus à la surcharge du trafic en province se repartissent essentiellement dans la vallée du Rhône (autoroute A7), dans la région de Lyon (périphériques), dans les Alpes et dans le Languedoc (autoroute A9). Ces vecteurs de communication sont de plus en plus utilisés par les transporteurs étrangers, dont le pourcentage de poids lourds circulant sur le réseau routier français est en constante augmentation depuis ces dernières années. On peut ajouter à cela, que le trafic entre l’Espagne, La France et l’Italie est pour une grande partie un trafic de transit qui passe uniquement par la France pour rejoindre le Nord de l’Europe. Avec tous ces éléments, on comprend qu’il devient urgent de trouver une solution à la congestion du trafic sur l’ensemble du réseau routier français. Une des solutions à ce problème est d’utiliser un système ferroviaire pour déplacer sur des distances plus ou moins grandes les poids lourds, afin de soulager les autoroutes. Ce système est couramment appelé ferroutage ou autoroute ferroviaire, il consiste à transporter des camions (tracteurs plus remorques) sur des wagons spéciaux. L’autoroute ferroviaire est un système qui est déjà très utilisé en Allemagne, Autriche, Italie, Slovénie et Suisse. En France un système de Route sur Rail innovant, appelé Modalohr est apparu avec la création d’une autoroute ferroviaire, dans les Alpes d’abord puis entre Perpignan et Bettembourg. Ce principe de Fret ferroviaire n’est malheureusement que peu développer dans l’hexagone par rapport à d’autres pays européens, mais des projets sont appelés à se développer dans l’avenir et il ne serait pas impensable qu’en 2030 il y ait un maillage d’autoroutes ferroviaires.


Page 19 sur 71

1.8. Système de Ferroutage existant 1.8.1. Les autoroutes ferroviaires en Europe Conçues dans les années 1970, les autoroutes ferroviaires se sont jusqu’à présent surtout développées autour du massif alpin. Il existe aujourd'hui en Europe deux systèmes en fonctionnement :

• la "route roulante" développée en Autriche et en Suisse qui s'appuie sur des wagons à "petites roues" de 36 cm de diamètre offrant un plancher plat continu qui permet le chargement des camions par une extrémité du train en file indienne.

• le système Modalohr qui a vu le jour sur la liaison entre Aiton en Savoie et Orbassano

dans la banlieue de Turin. Il utilise un wagon spécifique dont la partie centrale pivote pour y loger une semi-remorque. Ce système nécessite un chantier de transbordement avec des équipements spécifiques mais il rend le déchargement d'un wagon de façon indépendante ce qui permet à terme d'imaginer un fonctionnement avec des arrêts intermédiaires.

Tableau des principales autoroutes ferroviaires en Europe :

Voir l’annexe 4

Voir l’annexe 3


Page 20 sur 71

1.8.2. Carte des autoroutes ferroviaires en Europe


Page 21 sur 71

1.8.3. Le développement des autoroutes ferroviaires en France


Page 22 sur 71

1.8.4. Le système Modalohr


Page 23 sur 71


Page 24 sur 71


Page 25 sur 71

2. Notre Projet Au cours de notre projet, nous avons tenté de trouver une solution visant à réduire et améliorer la circulation des poids lourds dans les régions des Alpes, de la vallée du Rhône et du Languedoc Roussillon via un système de ferroutage à grande vitesse. Nous avons jugé d’après l’étude qui précède cette région comme étant un endroit sensible en termes de circulation routière, notamment le passage des Alpes vers l’Italie. De plus notre solution devra se faire à grande vitesse pour être complètement compétitif face aux transporteurs routiers. Nous avons imaginé un système calqué, en quelque sorte, sur le transport des voyageurs car les poids lourds arrivent en flux continu pour empruntent nos train pour traverser le Sud de la France. Il est clair que l’intervalle devra être réglé en fonction de la demande. 2.1. Programme de traction

• Charge remorquée : La charge remorquée devra comprendre le transport de camions, c'est-à-dire de remorques et de tracteurs d’un poids total autorisé en charge maximum de 44 tonnes. Les trains devront être capables de tracter au maximum vingt camions entiers. On se réservera le soin de proposer une solution modulable pour accueillir plus ou moins de camions suivant les tracés, les horaires et la demande.

• Parcours : Tracé 1 => Lyon -> Turin (via tunnel Montgenèvre)

Tracé 2 : Lyon -> Avignon (trafic mixte)

Construction d’une nouvelle LGV en parallèle de celle existante dans la vallée du Rhône. Avignon -> Montpellier

Utilisation de la ligne de contournement de Nîmes et de Montpellier sur lequel les trains pourront circuler à une vitesse de 220 km/h. Cette ligne acceptera aussi bien le fret et le transport de voyageur. Les pentes et les rampes n’excèderont pas les 10‰.

Montpellier->Perpignan Utilisation de la ligne mixte existante et utilisée par le système Modalhor.

Gare de dessertes : - Est de Lyon - Avignon - Marseille - Montpellier - Perpignan - Turin

• Horaire : Tracé 1 -> un départ toutes les 30 minutes Tracé 2 -> un départ toutes les heures


Page 26 sur 71

2.2. Cahier des charges Afin de mieux adapter l’offre, nous avons décidé de créer quatre cahiers des charges différents, pour concevoir quatre trains légèrement dissemblables qui répondrons à des demandes différentes.

• Convois roulant à 200km/h et pouvant transporter 10 camions : - Vmax = 200km/h - γ = 0.3m/s² - Rampe max = 25‰ - µ0 = 0.2 - Tension d’alimentation pour la puissance max : 25kV 50Hz (lignes dédiés)

• Convois roulant à 200km/h et pouvant transporter 5 camions : - Vmax = 200km/h - γ = 0.3m/s² - Rampe max = 25‰ - µ0 = 0.2 - Tension d’alimentation pour la puissance max : 25kV 50Hz(lignes dédiés)

• Convois roulant à 160km/h et pouvant transporter 15 camions : - Vmax = 160km/h - γ = 0.3m/s² - Rampe max = 18‰ - Rayon de courbure min = 450m - µ0 = 0.2

• Convois roulant à 140km/h et pouvant transporter 20 camions : - Vmax = 140km/h - γ = 0.2m/s² - Rampe max = 15‰ - Rayon de courbure min = 450m - µ0 = 0.2

Ces différents trains devons être faire l’objet de la même étude. Il est sous entendu que le choix de la motorisation devra permettre d’assurer les différents trains sans changer ou rajouter d’élément moteur (Locomotive ou système de motorisation complet). Les trains devront pouvoir circuler sur le réseau français et italien.


Page 27 sur 71

2.3. Calculs relatifs au train 2.3.1. Détermination de la résistance à l’avancement du train RAV = A + B.V + C.V² Avec : A = 0,0165 . M . (10 / m)1/2 B = M . 10-4 C = K1 . S + p . (L + nc . l) . K2 + nb . Kb + np . Kp et : M = masse du train en tonnes m = masse par essieu en tonnes K1 = coefficient applicable aux extrémités du train, estimé à 1,089 . 10-5 S = surface frontale en m² p = périmètre rail à rail en m L = longueur du train nc = nombre de césures entre voitures l = longueur équivalente d’une césure, estimée à 2 m K2 = coefficient applicable à la « surface mouillée », estimé à 6,89 . 10-8 nb = nombre de bogies Kb = coefficient applicable aux bogies, estimé à 1,75 . 10-5 np = nombre de pantographes levés Kp = coefficient applicable aux pantographes, estimé à 2,1 . 10-5

2.3.2. Détermination de l’effort de traction Ftraction = Rav + Rprofil + Faccel Avec :

i' g M Rprofil ⋅⋅= où R

800 i i' += , R rayon de courbure en m et M masse (statique) du train en

T.

+

−

+

⋅⋅=

1005max

1005max

V

VVMFaccel d γ où Md est la masse dynamique du train.


Page 28 sur 71

2.3.3. Effort à transmettre, limité par l’adhérence, puis par la puissance Ftransmissible = MIN (Fadhérence ; Fpuissance) Avec :

gnbmAdliFadhérence ⋅⋅⋅= où m est la masse à l’essieu (moteur), nb le nombre d’essieux moteur et Adli est l’adhérence limite calculé comme suit :

VVAdli

⋅+⋅+

⋅=2.081.08

0µ où V est en km/h

VPtotaleFpuissance = où V est en m/s²


Page 29 sur 71

2.4. Architecture des rames

2.4.1. Première Etude

En regard du cahier des charges, nous remarquons que la capacité de notre offre doit être modulable et tout en se déplaçant à des vitesses élevées pour du transport que nous qualifierons de Fret. En effet le ferroutage sur lignes dédiées n’existe pas pour des lignes où la vitesse de croisière devra avoisiner les 200km/h. Ceci implique de fortes puissances au vues des masses à déplacer. De plus, des rampes élevées doivent êtres prisent en comptes, ce qui augmente la puissance nécessaire à fournir, mais aussi à transmettre à la voie. Transmettre la puissance est en effet un point très singulier du transport guidé sur « fer », car le coefficient d’adhérence est à la fois sont atout et son point faible. Le transport ferroviaire n’a pas une résistance de contact (avec la voie) et donc de frottement qui freinerait le train, ce qui permet de ne pas perdre continuellement de l’énergie, mais par contre ceci induit un faible effort transmissible (de part le fait que la surface en contact est faible).

Par définition un train est composé d’un élément moteur et d’un ou plusieurs éléments résistants (Wagons, Voitures). Une locomotive peut transmettre un effort max de part sa masse à l’essieu et son nombre d’essieux. Pour ce qui est du fret, les locomotives respectent la norme de 22,5 tonnes sur 4 essieux. Cette norme n’est vraie que pour des vitesses classiques (c'est-à-dire 160 à 180 km/h pour le fret). Dans notre cas, les vitesses demandées sont de l’ordre de la grande vitesse et sont donc trop importantes. Ceci impose une masse à l’essieu plus faible, de l’ordre de 20 tonnes. Plus tard il est démontré que la puissance, la masse, le volume, l’effort de traction et la vitesse, ainsi que d’autres paramètres comme le profil et les accélérations minimales, imposent plus d’essieux moteur qu’une locomotive standard ou même deux, ne pourraient avoir (2*6 = 12 essieux). Deux solutions s’offrent à nous pour respecter le cahier des charges :

• Faire une motrice rallongée : rajouter des bogies moteurs sur les véhicules adjacents aux locomotives

• Utiliser la motorisation répartie sur toute la rame de notre futur train

Par ailleurs, pour limiter la résistance à l’avancement du train nous avons fait le choix de mettre une structure fermée légère autour des camions en faisant attention à ne pas avoir une masse à l’essieu à vide supérieur à 10 tonnes.

Après quelques premières estimations nous avons jugé que la motorisation répartie devenait indispensable, si la place disponible dans les véhicules permettait d’insérer les éléments moteurs et autres organes de puissance. A priori, comme le gabarit ferroviaire est en général « courbe » sur les cotés à contrario des camions qui ont un gabarit très « droit » sur leurs flans, les convertisseurs d’énergie et gestionnaires quelconques pourrons donc y trouver leurs places. Nous rappelons que nos véhicules serons carénés ce qui protègera les équipements. Pour ce qui est de la motorisation, avec les nouveaux moteurs synchrones à aimant permanents1, il est possible d’avoir un rapport poids - puissance égal à 1, ce qui devrait nous permettre de mettre directement les moteurs dans les bogies sans trop aggraver la quantité de masses non suspendues. La motorisation répartie implique donc la réversibilité des rames ainsi que leur insécabilité.

1 CF le paragraphe « La chaine de traction »


Page 30 sur 71

Après cette phase préparatoire, nous avons décidé de l’architecture globale de nos trains :

- Motorisation répartie - Véhicules carénés - Réversibilité mais insécabilité d’une unité

2.4.2. Configuration des rames

Nous allons maintenant essayer d’affiner l’architecture de manière à en trouver une qui s’adapte aux différentes parties du cahier des charges.

Notre rame utilisera le chargement et le déchargement en série à la différence du transport Modalohr qui est en parallèle. En effet, du fait de la structure présente sur chaque wagon et servant à protéger les camions, le chargement ne pourra se faire qu’en tête ou en queue du train.

Il faudra minimiser au maximum les temps de chargement et de déchargement en gare pour ne pas affecter le temps de parcours. De plus pour faciliter le transport, les tracteurs seront attelés aux remorques dans les wagons afin de faciliter les phases de chargement.

Rappelons que notre mode de transport se doit d’être un transport rapide et donc concurrentiel sur de courtes distances par rapport au « tout route ». Nous avons choisi de prendre 5 camions comme nombres de camions max qui serons chargés et déchargés par la même « porte » (< 1minute par mouvement de camion è Max = 10 minutes). De plus cela permet de gérer plus facilement les camions qui serons éventuellement déchargés intermédiairement ;

Par exemple : 7 camions veulent embarquer de la GARE D : A1, A2, A3 qui vont jusqu’a la GARE A, B1, B2 jusqu’a GARE B et C1, C2 jusqu’a GARE C.

Quatre gares :

Gare D (départ) GARE A GARE B GARE C

A1 A2 A3 B1 B2 C1 C2


Page 31 sur 71

Un sectionnement de 5 véhicules permet de faire monter les trois camions pour A et les 2 pour B dans la première « porte », et les deux camions C dans la deuxième porte.

Ce qui permettra de décharger les A et les B sans demander à C de se déplacer.2 Nous

devons donc avoir une « porte » de chargement/déchargement » tous les 5 camions et en bout de chaque train deux cabines de conduite. Nous allons donc mettre une porte et une cabine en chaque bout de train ainsi qu’une porte tout les 5 camions ; Voici l’architecture d’une partie de rame :

Nous voyons bien que le premier élément à gauche sera quasiment vide durant les

trajets, et en sachant qu’une porte ne mesurera que 20m de large nous pouvons laisser entrevoir de l’espace inutilisé ; Nous l’occuperons donc avec les éléments de captage du courant ainsi que de transformation (transformateur par ex) et les autres équipements qui ne pourrons êtres répartis (compresseur par ex). Nous arrivons donc à un schéma comme suit :

Où un élément « 0 » sera un élément comprenant des portes et une cabine de conduite, ainsi que les éléments non répartis comme dit précédemment. Un élément « 2 » sera un wagon ne comportant que des « portes ». Et l’élément « 1 » sera un élément indissociable de 5 wagons, chacun portant un camion complet (remorque + tracteur). Chacun de ces trois éléments participera à l’effort total de traction et/ou de freinage (principe de la motorisation répartie).

Les études de freinage et de répartition de la motorisation seront effectuées dans la partie étude des différentes configurations.

2 Cf annexe pour un exemple plus parlant

0 1 2

B1 B2 A1 A2 A3 Vide Vide Vide C1 C2

Porte 1 Chargement (Porte 1déchargement) Porte 2 Chargement Porte 2 déchargement

Portes

Camions

Cabine


Page 32 sur 71

2.4.3. Etude des différentes configurations

2.4.3.1. Configuration 10 camions « V200 »

D’après l’étude précédente, pour obtenir une capacité de 10 camions nous devons adopter une configuration 0-1-2-1-0. Les résultats de calculs3 donnent :

Vmax 200,00 km/h nbEssieux Moteurs 20

Puissance par essieux 900 kW SORTIE

Puissance Totale 18 000 kW Accélération 0,3 m/s²

Marge 5 % Temps arrivé Vmax 9,78 min

Distance arrivée Vmax 23,52 km Masse essieux moteur 20,00 T

nbEssieux Moteurs 20 essieux Puissance par essieu 900 kW

TRACTION

Puissance totale 18000 kW Vitesse initiale 55,56 m/s

Coefficient de décélération 0,45 m/s² Distance de Freinage 3 429,36 m

Effort de freinage 778,89 kN nb de disques fonte 6,7

FREINAGE

nb de disques acier 3,9 +8semelles Masse Wagon 80,00 T

Longueur Wagon 25,00 m Nombre wagon camion 10 Nb wagon intermédiaire 1

Masse wagon inter 40 T Masse train 1000 T

Longueur train 325 m

CHARGE

Masse à l'essieux Wa 20 T Vmax désirée 200 km/h

µ0 0,2 Coefficient des inerties en

rotation 1,04 Nb essieux porteurs 32 essieux Masse dynamique 1040 T Surface frontale 10 m² Périmètre r à r 11 m nb de césures 12

longueur eq césure 2 m nb pantographes 2

K1 1,09E-05 K2 6,89E-08

TRAIN

Kb 1,75E-05

3 Feuille Excel ANNEXE


Page 33 sur 71

Kp 2,10E-05 A 11,6672619 B 0,1 C 8,49E-04

Rayon de courbure max 1,00E+11 m Rampe 25 ‰ VOIE

Rampe corrigée 25 ‰

Courbe d'équipuissance

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 200,00 220,00

Vitesse (km/h)

Effo

rt (k

N)

Transmissible

Effort résistant

Pour une Vmax de 200km/h dans une rampe de 25‰, avec un µ0 de 0.2 et une

accélération maximale de 0.3 au démarrage, (Accélération résiduelle de 5% à 200km/h) on obtient une rame composée comme suit :

La puissance du train, en adoptant une architecture à motorisation répartie, doit être de 17536 kW, soit approximativement 18kW au total, répartie sur 20 essieux moteurs (soit 10 bogies moteurs).

Par ailleurs, partie la plus importante pour un engin ferroviaire, le freinage, avec un coefficient de décélération de 0,45, l’arrêt complet du train s’effectuera en moins de 3,5km. Pour cela chaque bogie porteur recevra 4 disques de frein en acier haute dissipation d’énergie4, plus quatre essieux équipés de semelles, le tout développant un effort de freinage total de 647kN.

4 Cf paragraphe « Freinage »


Page 34 sur 71

Architecture d’une demi-rame :

Le véhicule de tête est composé d’une cabine de conduite, ainsi que des équipements de conversion pour alimenter une ligne 3000V desservant toute la partie du train à motorisation répartie. Les conversions possibles serons 25kV > 3000V et 1500V > 3000V pour la France, aucune conversion supplémentaire n’est nécessaire pour l’Italie (3000V = à la caténaire). Cette ligne de 3000V desservira les différentes chaines de traction réparties sur la rame (sur les bas cotés ou en dessous) et sur les bogies (moteurs à aimant permanents d’une puissance de 900kW). Ce véhicule « 0 » abritera les compresseurs et la gestion du freinage, le SIE (Système Informatique Embarqué), le compteur d’énergie, ainsi qu’un quai de chargement pour les camions.

Figure 2 : Schéma de la chaine de conversion intégrée dans un élément « 0 »

BP BP BM BP BM BP BM BP BM BP BM BP BP BP

0 1 2

25 000V

AUX 380V

3000V alternatif

Convertisseur Alternatif continu :

Redresseur 3000V =

Convertisseur Continu - continu : Hacheur

1500V = / 3000V =


Page 35 sur 71

Pour cette configuration avec une masse totale du train de 1000T, charge de 10 camions comprise, une longueur de 10*25+25+2*25 = 325m, le temps d’arrivée à 200 km/h est de moins de 10 minutes et la distance à parcourir en aillant une accélération continuelle est de 23,5km.

Transformateur

20m 2m 3m

Zone indéformable

1,5m


Page 36 sur 71

2.4.3.2. Configuration 5 camions « V200L » (light)

De la configuration précédente ont peut aisément déduire une configuration réduite pour répondre à une plus petite offre tout en pouvant atteindre des vitesses élevées. Cette configuration « light » est composée de 0 – 1 – 0 et peut donc logiquement embarquer 5 camions.

Etant donné que la masse totale n’est pas diminuée par deux (toujours deux véhicules de tête), la puissance à développer est de 10MW sur l’ensemble de la rame. En conservant les mêmes bogies, moteur ou pas, développant chacun une puissance de 1,8MW, il est nécessaire d’en mettre 6, tout en respectant les limites d’adhérences.

Vmax 200,00 km/h

nbEssieux Moteurs 12 Puissance par essieux 900 kW

SORTIE





TRACTION



Effort de freinage 437,82 kN nb de disques fonte 6,7

FREINAGE

nb de disques acier 4,0 +16semelles Masse Wagon 80,00 T




CHARGE



rotation 1,04 Nb essieux porteurs 16 essieux Masse dynamique 582,4 T Surface frontale 10 m² Périmètre r à r 11 m nb de césures 6


K1 1,09E-05

TRAIN

K2 6,89E-08


Page 37 sur 71

Kb 1,75E-05 Kp 2,10E-05 A 6,53366666 B 0,056 C 5,17E-04




0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

500,00

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 200,00 220,00

Vitesse (km/h)

Effo

rt (k

N)

Transmissible

Effort résistant

Les temps d’accélération et de freinage sont relativement les mêmes seul la disposition

des BM doivent être revue (Ajout d’un bogie moteur) :

L’élément « 0m » est l’élément 0 où les éléments de traction ont été déposés et un bogie moteur à été mis à la place du bogie porteur arrière.

BP BP BM BP BM BP BM BP BM BP BM BP BM BP

0 1 0m


Page 38 sur 71

Remarque sur le freinage : Cette configuration sera équipée de 4 disques de frein par essieux porteur, soit 16 essieux, et 16 semelles réparties sur 4 bogies moteurs. NOTA : Ces deux configurations peuvent être mises en UM, (possibilité d’UM3 et d’UM4 pour la configuration V200L) sans pertes de performances (Sous réserve d’installations fixes supportant ces puissances).

Une configuration pouvant rouler à 200km/h n’est pas utile sur ligne classique, c’est pourquoi des configurations modulaires sont disponibles :


Page 39 sur 71

2.4.3.3. Configuration 15 camions « V160 » Le cahier des charges impose quatre paramètres :

Une vitesse max de 160km/h, une accélération de 0.3m/s², une rampe max de 18‰ et un rayon de courbure max de 450m. En se basant sur la configuration V200, on arrive à ceci :







TRACTION



Effort de freinage 860,42 kN nb de disques fonte / essieu 3,4

FREINAGE

nb de disques acier / essieu 2,0 Masse Wagon 80,00 T




CHARGE





K1 1,09E-05 K2 6,89E-08 Kb 1,75E-05 Kp 2,10E-05 A 16,8008571 B 0,144

TRAIN

C 1,18E-03


Page 40 sur 71




0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 200,00 220,00

Vitesse (km/h)

Effo

rt (k

N)

Transmissible

Effort résistant

On constate qu’avec ces caractéristiques, on pourra atteindre 160km/h mais pas avec

une accélération constante de 0,3. Par ailleurs il faut remarquer qu’un train ne prendra pas une courbe de 450m de rayon à 160 km/h. Il est donc possible de faire une configuration 0 – 1 – 2 – 1b – 2 – 1 – 0 où « 1b » est un élément « 1 » dé motorisé.


Page 41 sur 71


0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 200,00 220,00

Vitesse (km/h)

Effo

rt (k

N)

Transmissible

Effort résistant

Cette courbe sans l’effort accélérateur nous montre qu’il est bien possible d’atteindre

160 km/h avec une marge de puissance supérieure à 5%.

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Transmissible

Effort Résistant

Ce graphique nous permet de vérifier que le train pourra démarrer. NOTA : La différence entre la courbe de l’Effort transmissible et de l’Effort résistant

nous montre la marge d’effort qui pourra être attribué à l’accélération.

On remarquera que sur ces derniers résultats, la distance de freinage est réduite à 2,2km. La vitesse max fixée à 160km/h sera atteinte en 7 minutes et sur une distance d’environ 15km, ce qui est relativement rapide. Ces résultats dépendent bien évidement du profil de la ligne.


Page 42 sur 71

2.4.3.4. Configuration 20 camions « V140 » En utilisant toujours les mêmes briques de bases nous allons essayer de répondre au dernier cas du cahier des charges :

Vmax = 140km/h Gamma = 0.2m/s² Rampe max = 15‰ Rayon de courbure max = 450m Pour répondre à la charge de 20 camions on va utiliser la configuration 0-1-2-1b-2-1b-

2-1-0, qui utilise toujours notre puissance de 18MW répartie sur 20 essieux moteurs. Tout d’abord dans les pires conditions, on obtient :







TRACTION



Effort de freinage 1 069,14 kN nb de disques fonte / essieu 2,2

FREINAGE

nb de disques acier / essieu 1,5 Masse Wagon 80,00 T




CHARGE





TRAIN

K1 1,09E-05


Page 43 sur 71

K2 6,89E-08 Kb 1,75E-05 Kp 2,10E-05 A 21,9344524 B 0,188 C 1,51E-03




0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 200,00 220,00

Vitesse (km/h)

Effo

rt (k

N)

Transmissible

Effort résistant

Comme pour la configuration V160, il est inimaginable de passer sur une courbe de

450m à 140km/h. Ici nous pourrions le faire avec une accélération inférieure ce qui est relativement satisfaisant, l’essentiel étant bien sûr de pouvoir décoller dans les pires conditions (remarque en plus le µ0 = 0,2 !).


Page 44 sur 71

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Transmissible

Effort Résistant

Courbe de marge d’effort pour l’accélération.

NOTA : Dans une rampe de 15‰ on aura une accélération au décollage d’environ 0.05m/s², ce qui permettra de faire redémarrer le train même dans la rampe maximum.

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Transmissible

Effort Résistant

Tout ceci nous montre bien que notre configuration 20 camions est possible et ne rencontrera pas de difficultés à s’insérer dans un trafic Fret (Temps 0 è 140km/h d’environ 10 minutes, distance < 17 km). On remarquera la distance d’arrêt qui s’est encore réduite à 1,7km, et en appliquant des coefficients de freinage plus important (80 essieux « freineurs » pour un train de 2000 T) on peut réduire cette distance pour les freinages d’urgences.


Page 45 sur 71

2.5. Freinage 2.5.1. Principes En freinage, la distance d’arrêt conditionne la sécurité des circulations, car pour une vitesse donnée, elle doit être inférieure à la distance d’implantation des signaux d’avertissements et d’arrêt. La conception du système de freinage d’un train doit répondre à trois impératifs :

• respect de la distance d’arrêt, imposée par la signalisation et l’espacement entre deux circulations.

• respect du confort des voyageurs (dans notre cas ce critère est négligé) • respect de l’intégrité du matériel : dans la plupart des systèmes de freinage l’énergie

cinétique est transformée en chaleur par frottement. L’échauffement qui en résulte en très peu de temps peut provoquer la dégradation des matériaux en présence.

2.5.2. Paramètres du freinage Le principe fondamental de la dynamique nous donne : L’énergie cinétique mise en jeu est donnée par :

La loi fondamentale de la cinématique est :

La puissance développée est donnée par :

Influence de la vitesse : On en déduit donc l’expression de la distance d’arrêt en fonction de la vitesse limite de la ligne :

On peut donc observer que la distance d’arrêt est très dépendante de la vitesse et de la valeur de la décélération. Pour minimiser cette distance, il faut avoir la décélération la plus forte possible. Influence de la masse : L’énergie cinétique que le convoi doit vaincre, donnée par , est proportionnelle

au carré de la vitesse et à la masse en mouvement. Exemple : Pour un train de 720 tonnes à 160 km/h,

Si ce train s’arrête en 60 secondes (ce qui correspond à une décélération de 0,75 m/s²), la puissance de freinage est :

Lorsque la charge remorquée augmente, l’énergie cinétique à dissiper devient si grande qu’un seul véhicule ne peut assurer le freinage. Il faut donc combiner le freinage de plusieurs véhicules.


Page 46 sur 71

2.5.2. Puissance de freinage La puissance de freinage d’un train dépend des équipements de freinage du train et également de facteurs physiques non négligeables :

• Variation du coefficient de frottement des matériaux en présence, dans le cas du freinage par frottement, résultant de l’humidité, du degré d’usure, des états de surfaces.

• Temps d’établissement de l’effort de freinage (temps de réponse du système) Ø En freinage électrique, la montée en intensité du courant dans le rhéostat est à

prendre en compte. Ø En freinage pneumatique, le temps de propagation dans la conduite est d’autant

plus long que le convoi est long. • Limite de transmission de l’effort retardateur (caractérise la puissance de freinage,

également appelée masse freinée) au niveau du contact roue-rail ; les conditions d’adhérence sont fondamentales. En effet, comme en traction l’effort de freinage appliqué à la roue ne peut dépasser la limite physique de frottement au contact. Pour qu’il y ait roulement, il faut que : Avec Q : charge de la roue S : effort appliqué à la semelle p : coefficient de frottement semelle-roue f : coefficient de frottement roue-rail C’est la relation fondamentale du freinage. Le problème est qu’il faut tenir compte des variations de la qualité du contact roue-rail.

2.5.3. Problématique La solution retenue pour la motorisation est la motorisation répartie. Plutôt que de consacrer une remorque à la traction, on dispose des bogies moteurs tout au long du convoi. Cela a pour conséquence d’alléger la masse du train car les moteurs utilisés sont moins puissants donc beaucoup moins lourds. Cependant cette solution peut être handicapante au niveau du freinage. En effet, avec ce choix de motorisation le convoi dispose de moins de bogies porteurs. Ces organes sont très utiles lors du freinage car elles sont dénuées de transmission, on peut donc utiliser cet espace pour installer des disques de freins. Ces derniers apportent l’essentiel de la puissance de freinage pour des vitesses inférieures à 200 km/h ce qui correspond à la plage de vitesse que nous désirons utiliser. La problématique suivante est donc posée, disposerons nous d’un nombre de bogies porteurs suffisant (et donc d’une puissance de freinage suffisante) sur nos rames et en particulier pour les rames courtes pour respecter les normes de sécurité et notre programme de traction.


Page 47 sur 71

2.5.4. Inventaire des solutions technologiques existantes Il existe deux méthodes pour freiner soit en utilisant l’énergie de frottement ou bien l’énergie dynamique.

• Le freinage par frottement :

Il existe deux principaux types de frein par frottement qui sont les plus répandus : Ø Le frein à semelles :

Principe : Une semelle par roue vient en contact avec la table de roulement de la roue lors du freinage. L’énergie créée par le frottement est dissipée en chaleur.

Bloc de freinage compact avec semelle composite double sur roue motrice d'automoteur TER X 72500

Avantages : système peu couteux et très bonne insensibilité à l'humidité du coefficient de frottement. Inconvénients : dégradation et usure prématurée de la table de roulement performance de freinage limitées. De plus, durant le freinage elle produit des crissements désagréables, notamment vis-à-vis de l'environnement extérieur.


Page 48 sur 71

Ø Le frein à disques :

Principe : Des garnitures enserrent un ou plusieurs disques calés sur l’essieu. Dans ce cas, l’énergie créée par le frottement des garnitures sur les disques est dissipé en chaleur non plus sur les roues mais sur les disques qui peuvent être ventilés grâce à des ailettes.

Disque en fonte ventilé calé sur essieu porteur d'automoteur TER X 725 00

Avantages : L’avantage de ce système est d’éviter une usure et une déformation de la table de roulement causé par le frottement des semelles de frein. Inconvénients : Du fait du manque de place sur les bogies moteurs, ce type de freinage ne peut être installé que sur des bogies porteurs.

• Le freinage dynamique :

Le freinage dynamique englobe tous les systèmes qui n’utilisent pas le frottement pour ralentir le train. Ils génèrent eux-mêmes leur propre effort résistant. Nous citerons les trois principaux systèmes qui sont :

Ø Le freinage électromagnétique à courant de Foucault:

Principe : Le principe est d'utiliser le phénomène suivant lequel un objet aimanté déplacé devant une masse métallique y induit des courants (dits courants de Foucault, du nom de leur inventeur) qui, en retour, créent une force magnétique s'opposant à l'objet de leur création, en l'occurrence au mouvement de l'aimant. Pour ce faire, on utilise un patin, qui lors du freinage est abaissé à quelques millimètres au dessus du rail, L’espace entre le rail et le patin forme alors un entrefer et à l’aide d’un bobinage le rail est placé dans un champ magnétique inducteur. D’après la loi de Lentz, ce champs crée un champ magnétique induit qui s’oppose à la variation du champ inducteur et donc au déplacement du patin.


Page 49 sur 71

Frein linéaire à courants de Foucault monté sur bogie moteur de TGV

Avantages : Ce frein présent l’avantage d’être sans usure et parfaitement modulable (l'effort étant proportionnel au courant dans les bobinages sur une grande plage de vitesses). Inconvénients :

• Pour fonctionner, les patins doivent être amenés à proximité du rail, l'entrefer devant être d'environ 8 à 10 mm : ceci implique qu'hors phase de freinage, ils soient relevés, tandis qu'en position de freinage ils doivent être approchés à l'aide de vérins pneumatiques.

• Par ailleurs, le fonctionnement n'est optimal que si l'entrefer est maintenu sensiblement constant tout au long du freinage : ceci nécessite que les patins soient calés sur un référentiel en-dessous de la suspension primaire, à savoir sur les boîtes d'essieux. Mais alors, ils constituent une masse non suspendue, et leur masse importante (1200 kg environ pour deux patins et le cadre associé) est difficilement compatible avec la circulation à grande vitesse (qui nécessite une stricte limitation des masses non suspendues). Cet aspect explique aussi qu'il soit nécessaire de les relever hors phase de freinage, et qu'il faille un dispositif assez imposant de butées sur les boîtes d'essieux, qui plus est réglables, pour pouvoir obtenir un entrefer constant sur toute la plage d'usure des roues.

• Il présente par ailleurs un autre inconvénient : l'effort de freinage décroît rapidement avec la vitesse en-dessous de 200 km/h, tandis que l'effort d'attraction patin-rail augmente de manière exponentielle lorsque la vitesse décroît, ce qui interdit son utilisation en-dessous de 150 km/h environ, faute d'arracher les rails ou (et) de déformer les châssis de bogie (et le patin!). Il est donc réservé au domaine des grandes vitesses.


Page 50 sur 71

Ø Le freinage électrique :

Principe : Les moteurs utilisés pour la traction du convoi sont des moteurs électriques réversibles. Ils produisent de l’énergie mécanique si en amont on leur a fourni de l’énergie électrique. Mais ils peuvent également fonctionner en générateurs, en produisant de l’énergie électrique à partir d’une énergie mécanique. Cette énergie électrique développe un couple résistant qui va faire décroitre la vitesse du train. Il existe deux types d’application pour utiliser l’énergie électrique produite :

- Freinage rhéostatique :

L’énergie est dissipée dans une résistance. En effet, les moteurs sont déconnectés de l’alimentation et branchés sur une ou plusieurs résistances ventilées. Le réglage du couple résistant voulu se fait par variation de la valeur de la résistance.

Avantages : Ce freinage est indépendant du réseau d’alimentation et est utilisable en traction autonome (traction électrique). Inconvénients : Installation lourde et encombrante, coût et bruit de ventilation élevé et l’énergie de freinage est dissipée en pure perte.

- Freinage par récupération :

Les moteurs restent connectés à l’alimentation qui va recevoir l’énergie électrique. Cette énergie va être récupérée par un autre convoi ou par le réseau d’alimentation, à condition qu’il soit réversible, sur la ligne. Ce fonctionnement implique donc la présence d’au moins un récepteur sur la ligne. Avantages : L’installation et le schéma de puissance est identique à la traction et les coûts sont négligeables. Le bilan économique de l’exploitation des véhicules est amélioré sensiblement.

Inconvénients : Le freinage par récupération nécessite d’avoir des moteurs réversibles et performants, de manière à pouvoir renvoyer dans la ligne d’alimentation un courant de caractéristiques proches de celui fourni par les sous-stations. Il nécessite également la présence de consommateurs en même temps sur la ligne d’alimentation car l’énergie électrique ne pouvant pas se stocker. Ce type de frein ne peut donc pas fonctionne pendant les heures creuses, ou alors nécessite des sous-stations réversibles (donc plus chère) pour renvoyer l’énergie électrique vers le distributeur.


Page 51 sur 71

2.5.5. Comparaison des courbes de l’effort en fonction de la vitesse des différents systèmes de freinage

Ce qui résulte de ces courbes est que certain système de freinage fonctionne mieux à vitesse « faible » et inversement d’autre sont pus efficace à vitesse « élevée ». En effet, le freinage par frottement est très efficace pour les basses vitesses alors que le freinage électrique lui n’est pas suffisant pour ces basses vitesses (le couple engendré par les moteurs fonctionnant en générateur n’est pas suffisant). Pour optimiser le freinage du convoi, on peut utiliser la conjugaison de plusieurs systèmes. Par exemple, le freinage électrique peut être mis en œuvre en même temps que le freinage par frottement. L’intérêt de cette méthode est de limiter l’usure des roues. Par ailleurs, il faut rester vigilent et ne pas dépasser les limites d’adhérence. Une loi de régulation permet de ne pas dépasser ces limites.


Page 52 sur 71

2.5.6. Choix des systèmes de freinage pour notre train Louis Armand, président-directeur-général de la SNCF dans les années 1950, à dit «L’adhérence est au chemin de fer ce que la portance est à l’aviation ». Il avait vu juste, c’est l’adhérence qui limite l’effort transmissible à la jante. Donc pour dimensionner notre système de freinage, nous avons cherché une distribution d'effort sur les différents bogies qui respecte les principes généraux suivants :

• Sollicitation homogène de l'adhérence roue-rail sur les différents bogies en freinage d'urgence, le frein rhéostatique étant inhibé (cas dimensionnant pour le frein mécanique)

• Sollicitation d'adhérence roue-rail ne dépassant pas 15% au maximum, en visant même plutôt 12 à 13%.

Notons que de toute façon nous cherchons des matériaux de friction dont les caractéristiques soient quasi indépendantes de la vitesse (effort constant durant tout le freinage), nous partirons donc de cette hypothèse d'un effort constant durant tout le freinage. Pour déterminer l’effort de freinage, il nous faut fixer un objectif de décélération et utiliser l’équation suivante :

(M statique + M rotation) • décélération = F global de freinage + • F résistants

Avec • F résistants = R avancement totale - R pente

Ensuite, cet effort sera réparti entre les différents essieux sur la base d’une équi-sollicitation d’adhérence en respectant les principes indiqués ci-dessus. Puis, il faut déterminer l’énergie et la puissance par essieu au cours d’un freinage d’urgence avec les efforts obtenus et à partir de ces résultats déterminer les équipements adéquats. L’énergie totale dissipée et la puissance de freinage sont données par les relations suivantes :

E totale dissipée = F global de freinage × d arrêt avec d arrêt =

P dissipée = F global de freinage × V0

En connaissant l’énergie et la puissance dissipée par les différents éléments de freinage, il est par la suite aisé de déterminer le nombre d’éléments nécessaire.


Page 53 sur 71

Technologie Puissance

maximale dissipée (kW)

Energie maximale dissipée (MJ)

Masse du disque (kg)

Disque fonte ventilés Ø 640 mm épaisseur 110 mm

400 10 238

Disque acier Ø 640 mm épaisseur 110

mm 500 15-17 277

Frein à semelles sur roues Ø 1020 mm 350-400 8-10

Les disques de freins en fonte proposent de nombreux avantages. En effet, ce matériau étant facile à mouler, cela permet de réaliser des disques ventilés monoblocs avec des ailettes. De plus, la fonte diffuse très bien la chaleur qui se répartit uniformément dans le disque, évitant la formation de points chaud, et s’évacue facilement. Dernier avantage, ce matériau est peu onéreux.

Disque en fonte ventilé boulonné sur la roue - Document SAB WABCO


Page 54 sur 71

Les disques de freins en acier ont pour inconvénient que ce matériau est très difficile à mouler sans défaut. De ce fait, ces disques ne sont pas ventilés. Ils sont réalisés par forgeage, technique permettant d’éviter les défauts de fabrication. Mais ces éléments de freinage se distinguent par leurs importantes capacités de dissipation énergétique. En effet, à dimensions équivalentes un disque en acier dissipe 2,5 fois plus d’énergie qu’un disque en fonte. Ceci est du au type d’acier utilisé, un acier allié à haute limite élastique, qui est traité en surface pour améliorer sa dureté superficielle. De plus, la puissance maximale dissipée est également supérieur au disque en fonte.

Disque double en acier pour TGV - Document SAB WABCO

Du fait des meilleures propriétés de l’acier, il faudra moins de disques en acier que de disques en fonte. Donc en choisissant l’acier, nous optimiserons la masse des équipements de freinage de notre train et nous aurons moins de masses non suspendues. Notre choix se portera donc sur des freins à disques en acier sur les essieux porteurs complétés par des freins à semelles en matériau fritté sur quelques essieux moteurs (haut coefficient de frottement, faible sensibilité à l’humidité et à la vitesse, dépolissage de la table de roulement favorable pour les sollicitations d’adhérence mais augmente le bruit émis au roulement). Quand au frein électrique, le frein rhéostatique à été préféré au freinage par récupération car il est moins contraignant au niveau de l’installation électrique et ne nécessite pas la présence d’un autre train sur la ligne. Normalement, pour valider ce choix, il faudrait voir ce que donnent les sollicitations thermiques sur une marche type (un parcours avec des freinages de ralentissement et d’arrêt reproduisant les sollicitations des équipements de frein en exploitation normale). En effet, un couple de matériau peut remplir les conditions du freinage d’urgence et ne pas convenir pour la marche type et inversement.


Page 55 sur 71

2.6. La chaine de traction 2.6.1. Principes fondamentaux

• Loi de Laplace :

Un conducteur de longueur L parcouru par un courant I, soumis à un champ d’induction B, est le siège d’une force F qui se déplace. Réciproquement, un conducteur que l’on déplace dans un champ magnétique est le siège d’un courant induit.

• Principe des moteurs électriques :

Un bobinage fixe, le stator, crée un flux magnétique •S. Une spire mobile en rotation, le rotor, est parcourue par un courant I. Ce courant créé un flux •R. Les forces s’exerçant sur les conducteurs de la spire tendent à réaligner •S et •R.


Page 56 sur 71

2.6.2. Moteur à courant continu Il repose sur les deux principes énoncés ci-dessus. Une spire tournante, le rotor ou induit, est alimentée par deux semi-bagues, le collecteur, de sorte qu’elle soit parcourue par un courant toujours de même sens. Placée dans le flux d’un aimant, le stator ou inducteur, les conducteurs parallèles de la spire sont le siège d’une force donc d’un couple créé par la réaction des deux flux magnétiques : le flux inducteur •S et le flux •R engendré par le courant I dans la spire.

Constitution d’un moteur à courant continu

Le courant est acheminé à la spire du rotor par deux balais frottant sur deux demi-bagues appelé collecteur. Celles-ci permettent d’inverser le sens de circulation du courant au moment ou la tension induite s’annule. Dans la réalité, le rotor comporte un grand nombre de spires logées dans des encoches connectées chacune à deux lames de collecteur et l’inducteur est composé de plusieurs paires de pôles. Il existe trois modes d’excitation pour le moteur à courant continu : l’excitation série, parallèle ou mixte. En traction ferroviaire, l’excitation série est la plus utilisée. Dans cette configuration, les inducteurs sont connectés en série avec l’induit. Ainsi, le courant d’excitation est le courant d’induit. Le moteur à courant continu est le moteur le mieux adapté au transport ferroviaire. Les avantages et inconvénients du moteur à courant continu sont repris ci-dessous : Avantages

• Accompagné d'un variateur de vitesse électronique, il possède une large plage de variation (1 à 100 % de la plage),

• Régulation précise du couple, • Son indépendance par rapport à la fréquence du réseau fait de lui un moteur à large

champ d'application • Très fort couple de démarrage • Simple à mettre en œuvre • Couple quasi proportionnel au courant • Vitesse quasi proportionnelle à la tension d’alimentation • Changement de sens simple


Page 57 sur 71

Inconvénients :

• Peu robuste par rapport aux machines asynchrones • Source de parasites (alimentation, électromagnétisme) • Coût très variable selon la qualité du moteur • Nécessite une alimentation continue • Contrôle en vitesse/position délicat, nécessité d’asservissements complexes • Parfois bruyant (moteur ou contrôleur de mauvaise qualité) • Investissement important et maintenance coûteuse (entretien du collecteur et des

balais)

Les inconvénients par rapport à la maintenance ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé « moteur à courant continu sans balais », ou moteur sans balais.

2.6.3. Moteur Synchrone

Ce moteur fonctionne selon le principe de l’alternateur. Le stator est constitué de trois enroulements décalés de 120° les uns par rapport aux autres. Ces enroulements sont alimentés par des tensions décalées elles aussi de 120°. Les courants du stator créent un champ magnétique tournant dans le stator. Sa fréquence de rotation est proportionnelle à la fréquence de l'alimentation électrique. La vitesse de ce champ tournant est appelée vitesse de synchronisme. L'enroulement au rotor est alimenté par un courant continu ce qui le rend semblable à un aimant. Il peut d'ailleurs être constitué d'aimants permanents, le rotor n'a alors plus besoin d'alimentation. Le champ magnétique du rotor créé cherche en permanence à s'aligner sur celui du stator. C’est pourquoi cette machine est dite synchrone : le champ du rotor ne peut tourner qu'à la même vitesse que le champ du stator.

Fonctionnement d’un moteur synchrone

Les enroulements sont alimentés successivement et créent un champ magnétique. Ce champ magnétique fonctionne comme si l’enroulement était un aimant, créant un pôle sud à son extrémité. Le rotor, qui peut être considéré comme un aimant, amène son pôle nord vers l’enroulement alimenté. Ainsi en alimentant les conducteurs de façon cyclique, on obtient la rotation du rotor.


Page 58 sur 71

Conducteur

Rotor


Page 59 sur 71

Les avantages et les inconvénients du moteur synchrone sont : Avantages

• Peu de parasites • Couple sans à-coups • Très puissant • Réversible • Léger

Inconvénients

• Pas de couple de démarrage (incapable de démarrer) • Procédure de démarrage complexe • Nécessite une alimentation alternative (220V) tri • Destiné à travailler à une seule vitesse • Coût élevé

Du fait de leur forte puissance et de leur faible poids, ces moteurs disposent d’un bon rapport poids-puissance. Par exemple, les nouveaux moteurs synchrones à aimants permanents disposent d’un rapport poids-puissance proche de 1.


Page 60 sur 71

2.6.4. Moteur asynchrone Il fonctionne suivant le principe de la loi de Lenz (la force électromotrice induite s’oppose à la cause qui lui donne naissance). Si un pôle d’aimant, créant un champ magnétique B, se déplace devant une spire fermée à une vitesse V, celle-ci est le siège d’un courant induit I. Elle réagit sur la cause qui l’engendre par une force F. Pour que cette réaction ait lieu il faut qu’il y ait une vitesse relative de l’aimant par rapport à la spire, c'est-à-dire que le champ doit tourner plus vite que la spire (d’où le nom d’asynchrone). C’est le glissement du rotor par rapport au stator qui est générateur du couple. La vitesse de rotation du rotor et le glissement est dépendant de la fréquence de la tension d’alimentation statorique. Si l’on fait varier cette tension, la vitesse de rotation variera. Fonctionnement du moteur asynchrone : Il fonctionne sur le même principe que le moteur synchrone. A différence par rapport au moteur synchrone est que le rotor ne tourne pas à la même vitesse que le champ magnétique.

Les avantages et les inconvénients du moteur asynchrone sont évoqués ci-dessous : Avantages

• Peu de parasites • Couple sans à-coups • Simple à mettre en œuvre (marche/arrêt) • Coût peu élevé

Inconvénients

• Très faible couple de démarrage • Nécessite une alimentation alternative (220V) mono ou tri • Destiné à travailler sur une faible gamme de vitesse • Contrôle en vitesse/position très complexe • Changement de sens délicat


Page 61 sur 71

2.6.5. Choix du type de moteur De part ces difficultés de maintenances et de son manque de robustesse, le moteur à courant continu est écarté de notre choix. Il nous reste à choisir entre le moteur synchrone et le moteur asynchrone. Le facteur le plus déterminant pour notre choix est le poids de chaque moteur à puissance égale. Or le moteur synchrone est beaucoup plus efficace sur ce point. En effet, le dernier moteur synchrone à aimants permanents conçu pour une puissance nominale de 720 kW, ce moteur ne pèse que 740kg. Autrement dit, c’est celui qui offre, de très loin, la plus forte puissance massique : environ 1kW/kg, contre 0,6 à 0,7 kW/kg pour l’excellent moteur asynchrone du TGV-POS. Notre choix se portera donc sur les moteurs synchrones à aimants permanents. Cela permettra de mettre directement les moteurs dans les bogies sans trop aggraver la quantité de masses non suspendues.


Page 62 sur 71

Conclusion

Grâce à ce projet nous avons pu mener une pré-étude de dimensionnement d’un système de ferroutage afin la congestion du trafic routier dans le sud de la France. L’innovation que nous avons essayé de mettre en œuvre est de proposer un service de ferroutage à grande vitesse, qui plus est en utilisant la motorisation répartie.

Le point à approfondir dans la continuité de cette étude est l’exploitation des rames sur la ligne Perpignan-Montpellier. En plus des trains de voyageurs circulant sur la ligne classique, des trains de fret et des convois Modalohr s’ajoutent au trafic journalier. Ne disposant pas des horaires de ces derniers nous n’avons pas pu créer le plan de transport de notre système.

De plus sur le tronçon Avignon-Perpignan la vitesse est limité à 160 km/h et un relèvement de vitesse sur ce tracé est très difficile et induirait de très importants investissements. En effet, cette ligne traverse des étangs ce qui rend impossible la modification des rayons de courbures sur une partie du linéaire. Cette limitation va à l’encontre même de notre objectif de ferroutage à grande vitesse. Pour pallier à cet inconvénient, il sera possible dans le futur de pouvoir utiliser les lignes nouvelles mixte qui en sont encore au stade des pré-études. Il est prévu la réalisation d’un contournement de Nîmes et Montpellier sur lequel les trains de voyageurs pourront circuler à une vitesse de 220 km/h à sa mise en service. Cette ligne nouvelle accepte le fret, elle est conçue mixte avec des pentes et rampes à 10 ‰. Actuellement RFF mène des pré-études fonctionnelles sur la section Montpellier-Perpignan afin de définir les fonctionnalités d’une future ligne nouvelle. Ces fonctionnalités seront débattues lors d’un débat public au printemps 2009. Ces perspectives nous permettraient de tenir des objectifs de vitesse élevées sur tout notre tracé


Page 63 sur 71

Annexe 1 : Carburants Les champs statistiques des tableaux et du graphique ne sont pas exactement les mêmes (livraisons, ventes, consommations, prise en compte ou non du gazole sous douane, variations de stocks, achats aux frontières), ce qui explique quelques légères différences. Mais chaque série est homogène. > Ventes annuelles de carburants routiers sur le marché intérieur français (millions de m3)

Le supercarburant plombé a été supprimé en France à compter du 1er janvier 2000 et remplacé par un carburant « additivé », lui-même en voie de disparition. Parmi les carburants autres que les essences et le gazole, seul le GPLc (gaz de pétrole liquéfié carburant) peut figurer dans le tableau ci-dessus (le parc français de véhicules au GPLc est actuellement d'environ 200 000 unités). Les autres carburants sont réservés à des "flottes" spécialisées et représentent une consommation trop faible. En 2005, le gazole représente 70% du volume des carburants consommés. Depuis 2002, la tendance est à une diminution de la consommation totale de carburants routiers. En 2005, la consommation est comprise entre celles de 2000 et de 2001. Plusieurs raisons semblent avoir concouru à ce résultat : meilleures performances énergétiques des moteurs, ralentissement de la croissance de la circulation, respect des vitesses réglementaires, forte augmentation du prix des carburants.

Ø Ventes annuelles de carburants routiers (millions de m3)


Page 64 sur 71

> Consommations de carburants routiers par catégories de véhicules (hors GPLc) (millions de m3)


Page 65 sur 71

Annexe 2 : Réglementation sur les gabarits des véhicules routiers

TITRE II Dispositions spéciales applicables aux véhicules automobiles y compris

les trolleybus et aux ensembles de véhicules (art. R. 54 à R. 137) CHAPITRE 1er - Règles techniques

PARAGRAPHE II GABARIT DES VEHICULES

Article R61

Sous réserve des dispositions des articles R. 48 à R. 52 : 1° La largeur totale des véhicules ou parties de véhicules, y compris les superstructures amovibles et les pièces de cargaison normalisées telles que les conteneurs et caisses mobiles, mesurée toutes saillies comprises dans une section transversale quelconque, ne doit pas dépasser les valeurs suivantes, sauf dans les cas et conditions où des saillies excédant ce gabarit sont explicitement autorisées par arrêté du ministre chargé des transports : 2,60 mètres pour les superstructures à parois épaisses conçues pour le transport de marchandises sous température dirigée ; 2,55 mètres pour les autres véhicules ou parties de véhicules ;

2° La longueur des véhicules et ensembles de véhicules, et leurs distances mentionnées ci-dessous, mesurées en comprenant les superstructures amovibles et les pièces de cargaison normalisées telles que les conteneurs et caisses mobiles, et toutes saillies comprises dans une section longitudinale quelconque, ne doivent pas dépasser les valeurs suivantes, sauf dans les cas et conditions où des saillies excédant ce gabarit sont explicitement autorisées par arrêté du ministre chargé des transports : - véhicule automobile, non compris les perches et dispositifs enrouleurs de cordes s'il s'agit d'un trolleybus : 12 mètres ; - remorque, non compris le dispositif d'attelage : 12 mètres ; - semi-remorque, 12 mètres entre le pivot d'attelage et l'arrière de la semi-remorque, et 2,04 mètres entre l'axe du pivot d'attelage et un point quelconque de l'avant de la semi-remorque ; - véhicule articulé : 16,5 mètres ; - autobus ou autocar articulé, non compris les perches et dispositifs enrouleurs de cordes s'il s'agit d'un trolleybus : 18 mètres ; - train routier : 18,75 mètres. En outre, les trains routiers doivent satisfaire aux conditions ci-dessous : a) La distance mesurée parallèlement à l'axe longitudinal du train routier entre les points extérieurs situés le plus à l'avant de la zone de chargement derrière la cabine et le plus à l'arrière de la remorque de l'ensemble, diminuée de la distance comprise entre l'arrière du véhicule à moteur et l'avant de la remorque, ne doit pas excéder 15,65 mètres ; b) La distance mesurée parallèlement à l'axe longitudinal du train routier entre les points extérieurs situés le plus à l'avant de la zone de chargement derrière la cabine et le plus à l'arrière de la remorque de l'ensemble, ne doit pas excéder 16,40 mètres ; - train double : 18,75 mètres. En outre, les trains doubles doivent satisfaire aux conditions suivantes : a) La distance mesurée parallèlement à l'axe longitudinal du train double entre les points extérieurs situés le plus à l'avant de la zone de chargement derrière la cabine et le plus à


Page 66 sur 71

l'arrière de la semi-remorque attelée au véhicule articulé, diminuée de la distance comprise entre l'arrière du véhicule articulé et l'avant de la semi-remorque, ne doit pas excéder 15,65 mètres ; b) La distance mesurée parallèlement à l'axe longitudinal du train double entre les points extérieurs situés le plus à l'avant de la zone de chargement derrière la cabine et le plus à l'arrière de la semi-remorque attelée au véhicule articulé ne doit pas excéder 16,40 mètres ; - autres ensembles de véhicules : 18 mètres. Le ministre chargé des transports fixe par arrêté les modalités d'application du présent article.

Article R62

Par dérogation aux règles de l'article précédent : 1. La longueur maximale des autobus articulés peut être portée à 24,5 mètres lorsque l'autobus comporte plus d'une section articulée. 2. Dans des cas déterminés, pour des transports réguliers et sur proposition du préfet, le ministre chargé des transports peut autoriser une longueur totale maximum de 20 mètres pour un ensemble formé par trolleybus et sa remorque ou un autobus et sa remorque. 3. La longueur des ensembles formés par un véhicule remorqueur et un véhicule en panne ou accidenté peut dépasser 18 mètres, sans excéder 22 mètres. Toutefois, lorsque le véhicule en panne ou accidenté est un autobus articulé, la longueur maximale de l'ensemble ainsi constitué est portée à 26 mètres et à 34,5 mètres pour les autobus comportant plus d'une section articulée. La longueur des véhicules articulés transportant un véhicule en panne ou accidenté d'un poids total autorisé en charge supérieur à 3,5 tonnes peut, lorsqu'ils sont en charge, dépasser 16,5 mètres sans excéder 20 mètres, ce dernier chiffre comprenant l'éventuel dépassement du chargement vers l'arrière, qui ne doit pas être supérieur à 3 mètres. En outre, la largeur de ces ensembles de véhicules et véhicules articulés peut dépasser 2,5 mètres, sans excéder 3 mètres en cas de déformation du véhicule accidenté consécutive au choc reçu. 4. L'autorisation de circulation des autobus articulés mentionnés au 1 et des ensembles de véhicules mentionnés au 2 du présent article est délivrée par le préfet qui fixe, par arrêté, leurs conditions de circulation, leur zone d'utilisation et leur itinéraire. 5. La circulation des autobus articulés en dehors de leur zone d'utilisation n'est permise qu'à vide et est subordonnée à une autorisation délivrée dans les conditions prévues aux articles R. 48 à R. 51 du présent code.


Page 67 sur 71

Annexe 3 :L’autoroute ferroviaire Alpine (AFA) Une expérimentation riche d’enseignements Les Etats français et italien ont décidé, lors du sommet de Turin du 29 janvier 2001, de créer une autoroute ferroviaire expérimentale de 175 kilomètres à travers les Alpes. L'expérimentation entre Bourgneuf-Aiton, non loin de Chambéry et Orbassano, près de Turin, a permis de tester la fiabilité technique du wagon surbaissé Modalohr. Cette expérimentation a aussi été l'occasion d’évaluer les potentialités commerciales des autoroutes ferroviaires, avant même l'achèvement des travaux de mise au gabarit haut sur la ligne Dijon-Modane et en particulier ceux du tunnel ferroviaire du Mont-Cenis. Ils permettront d’accueillir, à la fin de l’année 2008, les remorques routières de 4,03 m de haut alors que le service est aujourd’hui limité aux remorques citernes ou de gabarit réduit. Le nombre de poids lourds transportés est en croissance continue. Plus de 45 000 camions ont utilisé ce service depuis le début de l’expérimentation, dont près de 20 000 sur la seule année 2006. La part du transport non-accompagné est devenue prépondérante et représente ainsi 75% des trafics du mois de janvier 2007. De plus, les poids lourds de 44 tonnes peuvent accéder à la plate-forme d’Aiton (Savoie), au lieu de 40 t sur les routes françaises. Cette nouvelle possibilité a permis de fidéliser les clients et de capter de nouveaux trafics. Elle représente 30% des passages.

Perspectives Le sommet franco-italien de Lucques du 24 novembre 2006, a confirmé l'engagement des deux Etats en faveur de la poursuite de l’expérimentation de l'autoroute ferroviaire alpine. La convention pour la prolongation de l’expérimentation est en cours de signature par les partenaires. Elle précisera des engagements nouveaux de l’opérateur sur la qualité du service et le niveau de trafic avec un objectif d’au moins 20.000 remorques par an. L’Etat français apportera 5,9 M€ à son financement en 2007. A partir de fin 2008, un service pérenne et plus fréquent sera mis en place après appel à projets, afin de maintenir la pertinence commerciale de l'autoroute ferroviaire alpine et proposer aux transporteurs routiers une réelle alternative à la route dans les Alpes. Devant le succès rencontré par ce service, l’extension de l’autoroute ferroviaire alpine est à l’étude vers l’agglomération lyonnaise et le nord de l’Europe. Elle pourra également être mise en réseau avec l’autoroute ferroviaire Perpignan-Luxembourg.


Page 68 sur 71

Annexe 4 : Autoroute ferroviaire Perpignan-Bettembourg Le service proposé A partir du mois de juillet 2007, le service d’autoroute ferroviaire proposera 40 places quotidiennes, puis un aller-retour par jour soit 80 places quotidiennes, ce qui représente une capacité annuelle de transport de près de 30 000 poids lourds. L’autoroute ferroviaire circulera sept jours sur sept. En France, les poids lourds seront autorisés à circuler le dimanche pour accéder aux plates-formes de l’autoroute ferroviaire. De plus, les poids lourds d'un poids total roulant de 44 tonnes pourront bénéficier d'une dérogation de circulation dans un périmètre de l'ordre de 150 km autour des plates-formes. La charge transportée par l’autoroute ferroviaire sera ainsi augmentée de 17%. L’augmentation de la capacité du service sera fonction de l’évolution de la demande de transport et pourra consister en un allongement des rames et un nombre croissant de fréquences. Le financement L’Etat, via l’Agence de financement des infrastructures de transport de France (AFITF), a financé les travaux d’infrastructure nécessaires à la circulation des wagons surbaissés utilisés sur les autoroutes ferroviaires à hauteur de 36 M€ suite aux travaux du tunnel de Roches de Condrieu (Rhône). 30 M€ ont donc été programmés en 2006 au budget de l’AFITF qui a également financé 80% du coût d'aménagement de la plate-forme du Boulou, pour un montant de 6 M€. Ces travaux, réalisés par Réseau Ferré de France, sont complétés par des aménagements permettant de fiabiliser les horaires des circulations, ainsi que par le dégagement d’un itinéraire alternatif en vallée du Rhône et en Lorraine. L’itinéraire (voir carte ci-jointe) L’itinéraire principal, partant de Bettembourg, passe en France par Zoufftgen, Metz, Onville, Lerouville, Toul, Dijon, Mâcon, Lyon, rive droite du Rhône, Nîmes, Narbonne, Perpignan. Le premier itinéraire alternatif qui sera mis à disposition par RFF, passe au Nord par Longwy et Conflans-Jarny, avant de rejoindre Onville. Après réalisation des travaux du tunnel des Roches de Condrieu (69), les trains pourront également circuler sur la rive gauche du Rhône. Perspectives L’autoroute ferroviaire Perpignan-Bettembourg sera à son lancement la plus longue d’Europe (1060 km contre 414 km pour la liaison entre Fribourg en Allemagne et Novara en Italie). Elle constituera donc en ce sens un signal fort pour le développement ultérieur d’autres services d’autoroutes ferroviaires longues distance. Ainsi, plusieurs axes de développement sont actuellement à l’étude autour de cette autoroute ferroviaire :

• prolongement vers les pôles industriels et portuaires situés autour du port de Marseille, • mise en réseau avec l’autoroute ferroviaire alpine autour de Lyon, • prolongements vers les agglomérations parisienne et lilloise. • une nouvelle plate-forme à proximité de Dijon est envisagée pour compléter cette

offre.


Page 69 sur 71

L'autoroute ferroviaire Perpignan-Luxembourg


Page 70 sur 71

Annexe 5 : Exemples Chargements déchargements

LILLE PARIS LYON AVIGNON PERPIGNAN

Trajet d’une rame V200 LILLE PERPIGNAN

APPLICABLE POUR UNE RAME V140


Page 71 sur 71

Lexique Ferroutage Terme générique définissant le transport de marchandises utilisant le fer et la route. Transport combiné rail-route (TC rail-route) Le TC rail-route est caractérisé par la conjonction des avantages propres au chemin de fer, apte à transporter de grandes quantités et qui se prête donc bien aux longues distances, et le camion, imbattable pour la collecte et la distribution sur les courtes et moyennes distances. Transport non-accompagné La forme la plus répandue de TC rail-route est le transport de conteneurs, caisses mobiles et semi-remorques. Ce transport non-accompagné nécessite tout un dispositif en matière de techniques, d’organisation et d’infrastructures. Ceci signifie principalement pour les entreprises de transport et d’expédition qu’elles doivent disposer de contenants spéciaux, «préhensibles par pinces», c’est-à-dire qui puissent être transbordés au moyen d’une grue mobile ou d’un portique. On parle alors de chargement vertical. La technique bimodale RoadRailer, qui consiste à faire circuler sur rail une semi-remorque routière (avec son train de roues) en la déposant sur des bogies escamotables, est apparentée à du transport non accompagné. Transport accompagné Dans le cas du transport accompagné, le camion tout entier accède par une rampe à un wagon spécial « surbaissé ». On parle alors de chargement horizontal. Pour lui permettre d’accompagner son camion, le chauffeur dispose d’une voiture spéciale aménagée de manière confortable. Autoroute ferroviaire Ce service permet de transporter des camions complets (tracteurs et remorques en compagnie du chauffeur) par voie ferrée dans des rames spécialement conçues à cet usage. Ce principe est celui du Tunnel sous la Manche. Route roulante Version suisse de l’autoroute ferroviaire où les wagons qui portent les camions sont équipés de petites roues permettant d’utiliser le gabarit des tunnels existants. Autoroute de la mer Service régulier maritime transportant des camions complets entre deux ports avec une fréquence et un horaire prédéterminé : exemple Toulon - Rome mis en service en 2005.

Documents

Rapport projet de dimensionnement d’un système ferroviaire