Des voies silencieuses

Le bruit des trains est malsain. Certes, des centaines de millions de francs ont déjà été investis dans des parois antibruit, des systèmes de freinage plus silencieux et d'autres mesures visant à protéger au moins 80 pour cent de la population suisse des émissions d'ici 2025 - mais comme le trafic ferroviaire va continuer à augmenter, il reste beaucoup à faire.

Pour réduire encore la charge, des chercheurs de l'Empa et de la Haute école d'économie et d'ingénierie du canton de Vaud, sous la direction de l'EPF de Lausanne, misent sur un élément discret du système de rails : des "Rail Pads" en plastique élastique, insérés entre les rails et les traverses en béton. Ils servent à ménager la voie de roulement très sollicitée, composée de ballast compacté et de traverses en béton, en permettant aux rails de bouger au minimum - comme une corde de guitare qui est pressée à plusieurs endroits à la fois sur la touche. Mais c'est justement cette absence d'oscillations qui fait "résonner" davantage le rail - et ce bruit est le facteur décisif lorsque les vitesses sont fréquemment comprises entre 60 et 160 km/h.

Un matériau composite sur mesure

En Suisse, les Rail Pads sont généralement constitués d'une matière plastique dure, l'éthylène-acétate de vinyle (EVA). Certes, un matériau plus souple ménagerait encore mieux la voie de circulation - mais au prix d'une pollution sonore plus élevée. C'est donc un dilemme que l'équipe mandatée par l'Office fédéral de l'environnement (OFEV) veut résoudre avec un matériau composite. L'idée : une coque dure, un noyau mou. Plus précisément : une coque en EVA et un noyau en polyisobutylène (PIB), un matériau souple dont l'amortissement est précisément adapté à la plage de fréquences d'environ 200 à 2'000 hertz, dans laquelle les vibrations sont particulièrement bruyantes.

Un terrain inconnu donc. C'est pourquoi les spécialistes ont conçu des dizaines de variantes : des structures en sandwich composées de couches plates - avec ou sans "couvercle" en EVA. Des remplissages en PIB en zigzag, des surfaces avec des incisions et toutes sortes d'autres choses. Mais pour étudier en laboratoire les effets de tel ou tel type de construction, des travaux préparatoires complexes ont été nécessaires.
L'interaction complexe entre les rails, les traverses et le ballast a été simulée par une "cellule unitaire à trois traverses" : un petit bout de voie, d'à peine deux mètres de long, équipé d'un "shaker" qui génère des fréquences définies et d'une sonde qui mesure l'intensité sonore. Cette cellule de mesure ne reproduit certes pas le comportement réel d'une voie ferrée, mais elle permet d'effectuer des comparaisons précises dans différentes conditions.

Parallèlement, les chercheurs de Bart van Damme, du département "Acoustique / Réduction du bruit" de l'Empa, ont développé une simulation du système à l'aide de méthodes d'éléments finis qui correspondaient bien aux résultats des expériences : la base pour extrapoler finalement le comportement à une ligne ferroviaire plus longue. Avec ces outils, les chercheurs ont examiné à la loupe leurs conceptions de rail pad. Résultats : Pour ménager le lit de la voie tout en réduisant le bruit, les structures en sandwich, qui se plient facilement grâce à des encoches, n'étaient pas appropriées, selon van Damme. Le remplissage en PIB en forme de zigzag n'a pas non plus apporté d'avantages. La meilleure solution s'est avérée être une teneur en PIB de plus de 50 pour cent, insérée dans une "coque" en plastique EVA plus rigide.

Tests sur des lignes ferroviaires réelles

Une structure simple donc - avec des avantages pour les tests qui auront lieu à partir de mars prochain sur une voie ferrée à Nottwil. "Ces Rail Pads sont faciles à fabriquer. Sur la ligne de 100 mètres de long, nous en aurons besoin de près de 400", explique van Damme - c'est pourquoi une entreprise est à bord, qui se charge de la fabrication des éléments déjà brevetés.

Les mesures du bruit, des vibrations, des déformations et d'autres données caractéristiques permettront de voir comment les Rail Pads se comportent. "Nous espérons qu'ils produiront moins de bruit de manière audible et qu'ils protégeront mieux le ballast que les intercalaires durs traditionnels", explique van Damme.

L'optimisme règne en tout cas au sein de l'équipe de recherche. "Les modèles développés dans le cadre du projet permettent une optimisation ciblée des exigences parfois contradictoires", explique Jean-Marc Wunderli, chef de département à l'Empa. Et : "Comme on ne s'attend pas à des coûts supplémentaires notables pour la fabrication des couches intermédiaires, j'espère qu'elles seront utilisées à grande échelle et qu'elles contribueront ainsi de manière significative à la réduction du bruit ferroviaire".

Source : Empa