L’innovation pour l’intégration en milieu urbain – atténuer le bruit et les vibrations dans les centres-villes

Thomas Lorent, Directeur du groupe de pilotage Transit chez Pandrol, examine la question des nuisances sonores et des vibrations associées au transport ferroviaire et nous explique la manière dont les dernières innovations en matière de conception des voies permettent aux habitants des zones adjacentes de vivre en paix avec les voies ferrées.

Nos villes attirent de plus en plus de personnes désireuses d’y vivre, mais aussi d’y travailler, avec un nombre croissant de personnes habitant près des lignes. Selon l’étude « World Urbanization Prospects : Highlights 2018 » des Nations Unies, 55 % de la population mondiale vit désormais dans des zones urbaines, alors que ce chiffre n’était que de 30% en 1950. On prévoit que d’ici 2050, 68% de la population mondiale vivra dans en ville. Le défi consiste donc à assurer une urbanisation durable au fur et à mesure que ces 2,5 milliards de nouveaux arrivants rejoindront les villes d’ici 2050.

De nouveaux projets résidentiels apparaissent chaque jour dans le monde, incitant les populations à vivre plus près du réseau de transport qui leur permettra de se déplacer. Dans le même temps, les gouvernements encouragent une plus grande utilisation des transports durables dans et autour des villes, les déplacements en train, tramway et métro étant généralement considérés comme plus efficaces et moins polluants, car ils ne créent pas de bouchons et ne dépendent pas de la combustion de combustibles fossiles et produisent moins de CO₂. Tous ces facteurs ont rapproché les habitants et les réseaux de transport ferroviaires et, du fait de la densité croissante de la population, ont entraîné une augmentation des mécontentements concernant les niveaux sonores et de vibrations générés par l’infrastructure ferroviaire. De plus, de nombreuses lignes fonctionnant désormais 24/24, les nuisances sonores constituent un problème encore plus criant la nuit dans certaines villes.

Quelles sont les causes du bruit et des vibrations ?

Le principe de base du transport ferroviaire est le contact acier-acier à faible frottement entre la roue et le rail. C’est la raison même de l’efficacité du transport ferroviaire (entretien réduit, charge à l’essieu élevée…), mais aussi de son principal fardeau, car cela génère du bruit et des vibrations.

Les nuisances sonores directes des transports urbains sont principalement dues au bruit de roulement produit par les roues et les voies sous l’effet des vibrations. Ce bruit se propage dans l’air, depuis la voie jusqu’aux habitants situés à proximité.

Mais là n’est pas la seule nuisance. Les vibrations produites par le contact entre l’acier des roues et l’acier des rails pénètrent dans le sol et atteint les bâtiments voisins où elles sont « converties » en bruit secondaire lorsque les murs et le sol se mettent à vibrer et agissent comme des caisses de résonances géantes. Ce bruit secondaire s’appelle « bruit de structure » et constitue un problème pour les populations voisines des voies, même fenêtres fermées !

Les nouvelles voies et les nouveaux matériels roulants permettent de minimiser les nuisances, mais dès que des imperfections même légères apparaissent dans la géométrie et la surface de la roue ou de la voie, des vibrations se produisent. Celles-ci deviennent rapidement perceptibles par les habitants, entraînant des plaintes.

Comme le savent tous les opérateurs, les conducteurs qui freinent trop fort ou les feuilles qui rendent les rails glissants, peuvent entrainer des blocages et des frottements des roues et conduire à la formation de plats sur les roues, générant un bruit sourd et saccadé caractéristique souvent perçu par les passagers et les habitants lorsque les plats viennent frapper les rails.

Les courbes prononcées peuvent poser de gros problèmes pour les riverains à cause du bruit strident produit. Et cela peut devenir encore plus problématique le matin, lorsque chaque véhicule quittant le dépôt, généralement plein de courbes serrées, génère un crissement important lors du passage sur ces courbes.

Cependant, le bruit le plus commun, et certains diront même, le plus irritant, est le « tac-tac » émis par les voies sous l’effet du passage d’un train sur un défaut localisé. Il y a plusieurs causes potentielles. Un conducteur qui accélère trop fort sur une portion de voie peut entrainer un patinage des roues, ce qui crée une petite empreinte dans le rail. En cas de rail mal soudé ou mal fixé, ou un rail fixé avec des éclisses, cela entraînera également un défaut sur le champignon du rail.

Les zones de freinage ou d’accélération importantes et, dans certains cas, le comportement en courbe peuvent conduire à une ondulation des rails, un genre de défaut qui se reproduit sur de courtes distances tout au long de la voie, provoquant encore davantage de nuisances sonores.

L’autre cause majeure de bruit et de vibrations est la transmission de ces phénomènes à la structure des ponts. Il en résulte un bruit qui se propage dans l’air jusqu’aux personnes situées au-dessous et sur les côtés. Les imprécisions dans la géométrie de la voie, comme un défaut d’alignement, peuvent également générer des vibrations.

Enfin, et malgré des améliorations notables dans leur conception, les aiguillages et les passages à niveau sont une source importante de bruit et de vibrations, car ils impliquent des changements d’écart et d’alignement pour guider les roues.

Quelle que soit la raison du bruit, une des caractéristiques communes est qu’une fois que les habitants considèrent que les niveaux de vibration et de bruit sont trop élevés, un changement important doit être apporté pour atténuer leur ressenti.

Contrôle du bruit et des vibrations

Il existe quatre façons, au niveau de la voie, de limiter les nuisances sonores et les vibrations pour les habitants.

À savoir :

• Mettre en place un nouveau système à la pointe de la technologie
• Surveiller et entretenir le réseau
• Réduire la dégradation de la voie en ajoutant de l’élasticité
• Atténuer le bruit et les vibrations

En général, le meilleur moyen d’atténuer les effets du bruit et des vibrations consiste à intégrer des mesures correctives dans la conception d’une voie nouvelle ou rénovée. Avec le bruit et les vibrations, la prévention est beaucoup plus facile que la guérison et les mesures d’atténuation doivent être soigneusement examinées et intégrées dans tous les réseaux de tramway, de train et de métro modernes.

Intégrer des solutions d’atténuation du bruit et des vibrations dans la conception de la voie

La construction doit être réalisée avec soin afin d’éviter tous les types de défauts localisés générant du bruit et des vibrations (planéité de la géométrie de la voie, conception appropriée des roues et des interactions avec les rails, soudage et meulage corrects des rails, élasticité de la voie). Un certain niveau d’élasticité est généralement intégré dans les voies modernes afin d’atténuer les transferts de forces dynamiques de l’ensemble roue/rail au support de voie. Cela permet d’offrir une qualité de voie initiale visant à éviter la production de vibrations.

Surveillance de la qualité des voies et des roues

Veiller à la qualité et à la géométrie de la voie est essentiel pour atténuer les bruits et les vibrations. Pour ce faire, l’état de la voie doit être surveillé en permanence et toutes les interventions d’entretien ou de réparation doivent être effectuées avec efficacité pour réduire ou maintenir le niveau de vibrations et éviter qu’elles ne s’aggravent ou n’entrainent de problèmes secondaires sur la voie. Le kit de soudage Head Wash Repair (HWR) de Pandrol est une solution populaire offrant une moyen rapide et économique de réparer les défauts localisés sur le champignon du rail et réduisant considérablement les coûts d’entretien des réseaux ferroviaires modernes. Le procédé HWR ouvre de nouvelles possibilités pour la maintenance des voies en permettant d’éliminer des défauts allant jusqu’à 1 pouce, en fonction du profil du rail. Par exemple, la réparation des soudures par étincelage, ayant fréquemment tendance à s’affaisser.

Une surveillance active des roues doit être effectuée pour s’assurer que les essieux sont en bon état et qu’ils ne risquent pas d’endommager la voie. Ce problème a conduit au développement du système WheelChex®, qui permet aux opérateurs de mieux comprendre les comportements des roues des trains ou métros et permet de mettre en place des plans de conception et des programmes d’entretien appropriés. WheelChex® est un appareil de mesure unique intégrant trois technologies de mesure : la mesure l’accélération d’un rail, verticalement et latéralement, ainsi que la température au coeur de l’âme du rail.

Le contrôle de la qualité de la voie par l’élasticité

Outre l’entretien des voies et des roues, l’introduction d’un élément élastique offrant des caractéristiques de ressort spécifiques, c’est-à-dire l’élasticité de la voie, aide à maintenir la qualité de la voie à un niveau supérieur tout au long de sa durée de service.

Exemple, pour les voies ballastées, les semelles sous traverses (USP) Pandrol sont des systèmes élastiques, fabriqués sur mesure destinés à réduire les besoins en entretien des voies et à permettre une atténuation des vibration par le biais de la fixation d’éléments élastiques sous les traverses.

Disposer d’une rigidité correctement définie et/ou d’un soutien continu du rail permet également de réduire le phénomène d’ondulation et l’augmentation associée des vibrations, ainsi que les besoins en meulage d’entretien. Cet objectif peut être atteint grâce aux systèmes QTrack® de Pandrol à support continu, ainsi qu’à des systèmes de selles à haute élasticité tels que les solutions Vanguard et DFF ADH de Pandrol.

Les principes d’isolation des voies

Si ces trois premières mesures ne sont pas suffisantes, une atténuation supplémentaire des vibrations générées par la voie est nécessaire. L’idée de base est de créer un système de ressort de masse avec la voie en introduisant un élément élastique offrant des caractéristiques d’élasticité et d’amortissement spécifiques permettant de découpler la voie des structures adjacentes. Le résultat est que l’énergie vibratoire reste dans la voie et n’est pas perçue par les habitants.

Pour simuler les conditions de voie et surveiller l’efficacité de nos solutions, Pandrol a développé le logiciel Track Elastic Model (TEM). Cet outil peut également être utilisé pour simuler des conditions de voie lors de la transition entre deux types de voie différents et ainsi lisser la conception pour éviter toute dégradation localisée et donc une augmentation des vibrations.

En fonction des méthodes, différents niveaux de réduction des vibrations peuvent être atteints. Celles-ci vont de l’introduction de fixations souples à l’intégration d’une voie sur dalle flottante souple, en fonction des exigences et des conditions de conception spécifiques.

Les solutions souples de Pandrol incluent les selles VIPA, DFF ADH à liant résine et DEE, ainsi que les blocs coulés et les semelles sous traverses.  Ces solutions aident à réduire les impacts et les vibrations dans les zones urbaines où les exigences sont faibles à moyennes. Les tapis souples sous ballast sont une autre option à considérer en cas de voie ballastée.

La solution choisie pour de nombreux métros est le système Pandrol VIPA DRS, qui est adapté à l’installation sur voies non ballastées et dans des zones où une réduction des vibrations et du bruit secondaire est requise. Il se compose d’une selle Pandrol e-Clip placée sur une semelle en caoutchouc naturel pastillée qui assure l’élasticité du système. Dans certaines limites, la configuration peut être ajustée pour répondre aux exigences en matière de charge à l’essieu et de rigidité. Le système VIPA DRS a d’ores et déjà été installé dans de grandes métropoles telles que Bangkok, Chennai, Delhi, Dubaï, Hong Kong, Istanbul, Calcutta, Kuala Lumpur, Sao Paulo, Séoul et Singapour.

En cas d’exigences d’atténuation plus élevées, les solutions Pandrol VANGUARD et de tapis pour dalle flottante (FSM) sont recommandées.

Vanguard

La solution Vanguard de Pandrol est un système de fixation offrant une très faible rigidité dynamique verticale permettant de réduire très efficacement les niveaux de vibration. Elle peut être utilisée sur traverses en béton ou en bois, sur voie sur dalle, sur les tabliers de pont et dans les tunnels. Ses avantages résident dans sa compacité, le système pouvant ainsi être facilement installé a posteriori avec différentes conceptions d’encombrement, et offre de grandes amplitudes de réglage latéral et vertical. Un grand nombre de villes, dont Barcelone, Madrid, Milan, Londres, Stockholm, Sydney, Sao Paulo, Philadelphie et Boston ont opté pour ce système lors des programmes de modernisation de leurs réseaux. Dans plusieurs cas, les niveaux de bruit dans les bâtiments ont pu être atténués de 10 à 12 dB(A). Cela a été suffisant pour réduire les nuisances sonores jusqu’à un niveau à peine perceptible et pour éliminer complètement les plaintes.

Tapis de dalle à pose flottante

Les tapis de dalle à pose flottante sont installés sous la voie dur dalle afin d’offrir une excellente atténuation des vibrations, cela crée un système de masse ressort très efficace, fonctionnant parfaitement aussi bien de jour (rames à pleine charge) que de nuit (rames quasi vides avec des limites de bruit très strictes).

À titre d’exemple, le projet de tramway bruxellois STIB-MIVB a opté pour l’installation des tapis de dalle à pose flottante (FSM) de Pandrol pour l’atténuation du bruit et des vibrations. Plus de 150 000 m² de FSM ont été installés dans des zones urbaines très denses avec un temps d’intervention limité. Les exigences étaient extrêmement élevées car les habitants se plaignaient régulièrement du bruit et des vibrations générés par le tramway dans les rues étroites et animées. Depuis la mise en oeuvre de la solution FSM, le nombre de plaintes des résidents concernant le bruit et les vibrations est minime. Un grand nombre d’autres villes ont également choisi ces solutions, dont Chennai, Sydney, Portland, Los Angeles, Toronto, Athènes, Lisbonne, Madrid, Rome, Milan, Florence, Bergen, Budapest, Szeged, Sofia, Alger, Casablanca, Rio, et Santiago.

Pour les zones aux exigences les plus strictes, le système de masse ressort par plaque sous dalle flottante est encore plus efficace, les tapis élastiques sont ici remplacés par des plaques plus petites et plus souples. Impliquant une utilisation sur voie sur dalles préfabriquées, la solution est plus onéreuse, mais elle offre un haut niveau d’atténuation des vibrations et constitue un système facile à installer et à remplacer. Ce système est idéal pour tous les projets de tunnel associés à des exigences très rigoureuses. La ville de Barcelone utilise ce système depuis la fin des années 90, à l’entière satisfaction de ses habitants.

Conclusion

Le transport ferroviaire étant un élément important d’un système de transport à faible émission de carbone et contribuant à réduire les embouteillages dans un monde où plus de 4 milliards de personnes vivent actuellement en zones urbaines, il est essentiel de réduire au maximum les bruits et les vibrations qu’il engendre.

Une bonne conception et un entretien suffisant et approprié en sont la clé. Des solutions efficaces en matière d’atténuation du bruit et de vibrations sont progressivement intégrées dans les réseaux ferrés existants ou à l’état de projet dans de nombreuses villes, permettant ainsi aux habitants de vivre en paix même à proximité des voies.