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Description jointe à une demande de
BREVET BELGE déposée par : Kazimierz GAMSKI
Edward OLEDZKI
Les Entreprises SBBM ayant pour objet : Elément d'appui des rails d'une voie ferrée renforcé d'une armature discontinue Qualification proposée : BREVET D'INVENTION
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Elément d'appui des rails d'une voie ferrée renforcé - --------------------------------------------------d'une armature discontinue -------------------------- La présente invention concerne des éléments en béton destinés à servir d'appui aux rails de voies ferrées.
Parmi ces éléments d'appui, les traverses de rails de chemins de. fer sont les plus représentatives.
Pour supporter les rails de roulement on utilise traditionnellement des traverses en bois, mais durant les dernières décennies on a commencé à utiliser des traverses en béton armé ou précontraint qui ont une longévité plus grande. Un inconvénient majeur des traverses en béton est leur rigidité considérablement plus élevée que celle des traverses en bois, ce qui provoque dans les traverses et le ballast des sollicitations dynamiques beaucoup plus grandes sous l'action des charges dynamiques exercées sur les rails. D'après les essais effectués, le coefficient de suspension d'une voie est égal à K = 12. 103 N/m avec des traverses en bois et K = 18. 103 N/m avec des traverses en béton. Le rapport des charges exercées par les rails sur des traverses en béton et en bois est de l'ordre de 1,17 à 1,28.
Les contraintes mesurées dans le ballast d'une voie avec traverses en béton sont approximativement de 30 à 50% plus élevées que les contraintes mesurées dans le ballast d'une voie avec traverses en bois.
Un inconvénient majeur des traverses en béton est que leur plus grande rigidité à la flexion détériore
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sensiblement le confort des voyageurs et influence de façon négative l'entretien des voies. Afin de diminuer la rigidité des voies avec traverses en béton on place parfois sous les rails, des semelles en caoutchouc ou en un autre matériau élastique, mais une telle solution est peu économique.
Un autre inconvénient majeur des traverses en béton armé d'une armature continue réside dans le fait que les vibrations engendrées par les convois se déplaçant à des vitesses différentes provoquent une altération de l'adhérence entre l'armature et le béton, ce qui affecte la longévité des traverses.
L'invention a pour but de réaliser un élément d'appui de rails en béton armé qui possède des propriétés élastiques telles qu'il présente une déformabilité à la traction et à la flexion comparable à celle des traverses en bois et dont la structure interne ne favorise pas la détérioration due à la propagation des vibrations.
Ce but est atteint par un élément d'appui de rails de voie ferrée constitué d'un matériau composite comprenant une matrice en béton et une armature discontinue constituée de fibres dispersées quasi-uniformément dans la matrice en une quantité déterminée en fonction du diamètre des fibres par la relation
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où p est le pourcentage en volume des fibres dans la matrice en béton (%) compte tenu du coefficient d'efficacité des fibres d est le diamètre des fibres (cm)
C est une constante caractéristique pour le matériau de la matrice et le matériau des fibres.
Dans une variante de réalisation, le matériau composite selon l'invention, c'est-à-dire un béton renforcé de
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de fibres dispersées dans la masse, peut lui-même servir de matrice de second ordre à laquelle est incorporée une autre armature.
L'avantage de l'élément d'appui selon l'invention est qu'il présente une rigidité à la flexion du même ordre de grandeur que celle des traverses en bois traditionnelles et en outre une résistance élevée aux sollicitations dynamiques engendrées par le passage des convois sur les rails.
En outre, en raison de ses propriétés de déformabilité et de résistance, l'élément d'appui selon l'invention peut être avantageusement réalisé avec une dimension suivant la direction axiale de la voie ferrée, largement plus grande que celle des traverses traditionnelles.
L'élément d'appui selon l'invention a également pour avantage de pouvoir être fabriqué moyennant une technologie simple et sûre.
L'invention est exposée plus en détails dans ce qui suit.
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1 Après avoir choisi la composition du béton devant constituer la matrice de l'élément d'appui en fonction de la résistance à la traction souhaitée, on en mélange les composants et les fibres de l'armature discontinue en sorte de former un matériau composite macroscopiquement homogène et isotrope. La quantité de fibres dispersées est déterminée en fonction du diamètre des fibres par la relation :
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où p est le pourcentage en volume des fibres dans la matrice en béton compte tenu du coefficient d'efficacité des-fibres d est le diamètre des fibres en centimètres
C est une constante caractéristique pour le matériau de la matrice et le matériau des fibres.
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La constante C est une fonction complexe entre autres du rapport des modules d'élasticité de la matrice et du matériau constituant l'armature discontinue dispersée.
Pour des fibres d'acier dispersées dans une matrice en béton, par exemple, il a été déterminé que la valeur de la constante-C est 4.
La relation indiquée ci-dessus n'est économiquement valable que pour une armature discontinue de petit diamètre (dz cm). De plus, il est indispensable que l'accroissement de la déformabilité en flexion du matériau composite soit accompagné d'une résistance adéquate à la fissuration et à la fatigue. La dispersion de fines fibres métalliques et la composition adéquate du béton constituant la matrice contribuent aussi à l'augmentation de la résistance aux sollicitations dynamiques et aux chocs.
Le mélange du matériau de la matrice et des fibres étant effectué, on le met en place dans un moule, puis on procède au compactage. Les fibres peuvent être simplement ajoutées aux constituants du béton de la matrice pendant l'opération de malaxage de celui-ci, ce qui est une opération relativement simple et peu coûteuse. Un tel procédé de fabrication est bien plus simple et plus économique que les procédés de fabrication classiques de pièces en béton armé ou précontraint. En effet, la mise en place des armatures et la mise en précontrainte sont des opérations relativement délicates et coûteuses de la production.
Ces inconvénients de fabrication sont évités dans le procédé selon l'invention.
Le matériau composite constitué, selon l'invention, d'une matrice et d'une armature discontinue formée de fibres dispersées dans la masse, peut lui-même servir de matrice de second-ordre pour l'incorporation d'une armature traditionnelle. Dans ce cas, il est avantageux ou nécessaire que l'armature discontinue dispersée dans la masse
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avant la mise en place dans le moule constitue au moins une partie appréciable (au moins 30 %) de la totalité de l'armature de l'élément d'appui.
A titre d'exemple, des traverses de voie ferrée ont été réalisées expérimentalement selon l'invention avec les particularités suivantes : a. la matrice de premier ordre est constituée de béton conçu de façon à obtenir une résistance à la traction élevée ; b. l'armature discontinue est constituée de fibres d'acier Bekaert type ZC-60/80 ; c. l'armature complémentaire est constituée d'acier Be-50 de 1cm de diamètre ; d. les traverses ont comme dimensions principales : longueur 2400 mm largeur de base 300 mm hauteur 220 mm Le ci-dessous donne à titre de comparaison la rigidité à la flexion des traverses selon l'invention et la rigidité de traverses classiques :
Béton armé EJ = 67,7 x 105 Nm2
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c Béton précontraint EJ = 36, 8 x 105 Nm2 Béton armé de fibres d'acier EJ = 6,7 x 105 Nm2 Bois EJ = 6,8 x 105 Nm2 Ces résultats montrent que la déformabilité d'un élément d'appui en béton armé de fibres selon l'invention est du même ordre de grandeur que celle d'un élément en bois.
Outre ses avantages de déformabilité comparable à celle des traverses en bois et de résistance accrue aux sollicitations dynamiques, l'élément en béton selon l'invention a l'avantage de permettre une technologie de fabrication simplifiée, sûre et économique.
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BELGIAN PATENT filed by: Kazimierz GAMSKI
Edward OLEDZKI
SBBM Companies having for object: Support element of the rails of a railroad reinforced by a discontinuous reinforcement Qualification proposed: PATENT OF INVENTION
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Reinforced rail support element - ------------------------------------- ------------- of a discontinuous reinforcement -------------------------- The present invention relates to elements made of concrete intended to serve as a support for rail tracks.
Among these support elements, the rail cross ties. iron are the most representative.
To support the running rails we traditionally use wooden sleepers, but in recent decades we have started to use reinforced or prestressed concrete sleepers which have a longer life. A major drawback of concrete sleepers is their considerably higher rigidity than that of wooden sleepers, which causes in the sleepers and the ballast much greater dynamic loads under the action of dynamic loads exerted on the rails. According to the tests carried out, the suspension coefficient of a track is equal to K = 12.103 N / m with wooden sleepers and K = 18. 103 N / m with concrete sleepers. The ratio of the loads exerted by the rails on concrete and wooden sleepers is of the order of 1.17 to 1.28.
The stresses measured in the ballast of a track with concrete sleepers are approximately 30 to 50% higher than the stresses measured in the ballast of a track with wooden sleepers.
A major drawback of concrete sleepers is that their greater flexural rigidity deteriorates
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passenger comfort and negatively influences track maintenance. In order to reduce the rigidity of the tracks with concrete sleepers, rubber or other elastic materials are sometimes placed under the rails, but such a solution is not very economical.
Another major drawback of reinforced concrete sleepers with a continuous reinforcement lies in the fact that the vibrations generated by the convoys moving at different speeds cause an alteration in the adhesion between the reinforcement and the concrete, which affects the longevity of sleepers.
The object of the invention is to produce a support element for reinforced concrete rails which has elastic properties such that it has a deformability in traction and in bending comparable to that of wooden sleepers and whose internal structure does not not promote deterioration due to the propagation of vibrations.
This object is achieved by a support element for rail tracks made of a composite material comprising a concrete matrix and a discontinuous reinforcement consisting of fibers dispersed almost uniformly in the matrix in a quantity determined according to the diameter of the fibers. by relationship
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where p is the volume percentage of the fibers in the concrete matrix (%) taking into account the efficiency coefficient of the fibers d is the diameter of the fibers (cm)
It is a characteristic constant for the matrix material and the fiber material.
In an alternative embodiment, the composite material according to the invention, that is to say a concrete reinforced with
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fibers dispersed in the mass, can itself serve as a second order matrix in which is incorporated another reinforcement.
The advantage of the support element according to the invention is that it has a flexural rigidity of the same order of magnitude as that of traditional wooden sleepers and in addition a high resistance to dynamic stresses generated by the passage of convoys on the rails.
In addition, because of its deformability and strength properties, the support element according to the invention can advantageously be produced with a dimension in the axial direction of the railroad, much larger than that of traditional sleepers.
The support element according to the invention also has the advantage of being able to be manufactured using simple and safe technology.
The invention is set out in more detail below.
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1 After having chosen the composition of the concrete which should constitute the matrix of the support element as a function of the desired tensile strength, the components and the fibers of the discontinuous reinforcement are mixed in such a way as to form a composite material macroscopically homogeneous and isotropic. The quantity of dispersed fibers is determined according to the diameter of the fibers by the relation:
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where p is the percentage by volume of the fibers in the concrete matrix taking into account the efficiency coefficient of the fibers d is the diameter of the fibers in centimeters
It is a characteristic constant for the matrix material and the fiber material.
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The constant C is a complex function among other things of the ratio of the modulus of elasticity of the matrix and of the material constituting the dispersed discontinuous reinforcement.
For steel fibers dispersed in a concrete matrix, for example, it has been determined that the value of the constant-C is 4.
The relation indicated above is economically valid only for a discontinuous reinforcement of small diameter (dz cm). In addition, it is essential that the increase in the flexural deformability of the composite material is accompanied by adequate resistance to cracking and fatigue. The dispersion of fine metallic fibers and the appropriate composition of the concrete constituting the matrix also contribute to the increase in resistance to dynamic stresses and impacts.
The mixing of the matrix material and the fibers being carried out, it is placed in a mold, then the compaction is carried out. The fibers can simply be added to the constituents of the matrix concrete during the mixing operation thereof, which is a relatively simple and inexpensive operation. Such a manufacturing process is much simpler and more economical than the conventional manufacturing processes for reinforced or prestressed concrete parts. Indeed, the installation of the reinforcements and the prestressing are relatively delicate and costly operations of production.
These manufacturing disadvantages are avoided in the process according to the invention.
The composite material made up, according to the invention, of a matrix and of a discontinuous reinforcement formed of fibers dispersed in the mass, can itself serve as a second-order matrix for the incorporation of a traditional reinforcement. In this case, it is advantageous or necessary that the discontinuous reinforcement dispersed in the mass
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before being placed in the mold, constitutes at least an appreciable part (at least 30%) of the entire reinforcement of the support element.
By way of example, railway sleepers have been made experimentally according to the invention with the following particularities: a. the first-order matrix is made of concrete designed to achieve high tensile strength; b. the discontinuous reinforcement consists of Bekaert steel fibers type ZC-60/80; vs. the additional reinforcement is made of Be-50 steel 1cm in diameter; d. the sleepers have as main dimensions: length 2400 mm base width 300 mm height 220 mm The below gives for comparison the bending stiffness of the sleepers according to the invention and the stiffness of conventional sleepers:
Reinforced concrete EJ = 67.7 x 105 Nm2
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c Prestressed concrete EJ = 36, 8 x 105 Nm2 Concrete reinforced with steel fibers EJ = 6.7 x 105 Nm2 Wood EJ = 6.8 x 105 Nm2 These results show that the deformability of a concrete support element reinforced with fibers according to the invention is of the same order of magnitude as that of a wooden element.
In addition to its advantages of deformability comparable to that of wooden sleepers and of increased resistance to dynamic stresses, the concrete element according to the invention has the advantage of allowing a simplified, safe and economical manufacturing technology.