Long rail soudé

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

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

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

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

Appareil de dilatation pour LGV.

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

Les rails peuvent être soudés sur plusieurs dizaines de kilomètres sans joint de dilatation. Les appareils de dilatation sont généralement réservés aux ouvrages d'art tel que les ponts. Ces appareils compensent la dilatation du tablier du pont.

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

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

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

Soudure aluminothermique de deux barres de rails soudés.

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

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

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

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

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

${\displaystyle \Delta L=\alpha .\Delta T.L~}$

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

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

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

${\displaystyle \Delta }$ T = 55 °C

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

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

${\displaystyle \Delta L=}$264 mm

F = 1 070 kN et ${\displaystyle \sigma }$ = 137 MPa