Brevet FR3059031A1 — publié le 20180525

ARCHITECTURE DE BAIE THERMOPLASTIQUE Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine du transport en général, et celui du transport ferroviaire en particulier. Le transport par bus peut également être ainsi concerné par une telle architecture innovante. Elle concerne plus particulièrement les vitrages pour véhicules ferroviaires compatibles des profils de mission de circulation les plus sévères. De façon générale, et au-delà du besoin évident de transparence, ces vitrages doivent répondre à de nombreuses exigences techniques liées à leur fonction et aux conditions d'utilisation des véhicules, conditions d'utilisations liées à l'environnement (température, humidité), à la durée d'utilisation (plusieurs décennies), mais également liées à la présence de passagers (agressions de type rayure, graffitis, ...) et aux conditions de circulation (projections de ballast, verglas, neige, vent traversier, ...). Comme pour tout moyen de transport, ces exigences techniques doivent être atteintes avec une masse la plus faible possible. En effet, une masse plus faible conduit en général à un coût énergétique d'exploitation plus faible. De plus, le coût est à considérer comme le coût global sur la durée de vie d'un train. Etat de la technique 3 0 Dans le domaine ferroviaire, les baies vitrées sont définies par des normes, notamment la norme NF 01-492-01, qui porte sur les fenêtres. Il s'agit d'une norme générique, qui traite notamment du montage, de l'homologation etc. 3059031 2 Cette norme est complétée par trois autres normes, qui décrivent : Les verres feuilletés trempés (norme NF 31-129) Les verres feuilletés (norme NF 31-250) Les vitrages isolants (norme NF 31-314). 5 La présente invention concerne les vitrages isolants. Ils sont constitués d'au moins deux « composants verriers » séparés par au moins une lame d'air. La norme citée ci-dessus précise diverses exigences de fabrication, spécification tolérance, homologation et essais. 10 La partie de cette norme concernée plus particulièrement par la présente invention en est le paragraphe 6.1 qui traite de la résistance au choc, et plus particulièrement : - Le paragraphe 6.1.1 qui traite de la résistance à l'impact, plus 15 particulièrement impact d'un élément de ballast de la voie. - Le paragraphe 6.1.5 qui traite des sollicitations des ondes de surpression / dépression (phénomène physique consécutif aux passages en tunnels ainsi que lors des croisements de trains). Le problème induit par les aspects liés aux chocs de ballast sur les baies 20 pour les opérateurs ferroviaires est majeur. Ainsi, à titre d'exemple, la SNCF (Société Nationale des Chemins de Fer français) est amenée à changer tous les ans une large proportion de ses baies de TGV (Trains à Grande Vitesse) suite à des impacts de ballast. Les surcoûts de maintenance sont donc considérables, qui plus est pour les baies de type courbe. 25 Les matériels urbains, tels les bus et les tramways ou encore les trains régionaux, qui subissent traditionnellement des dégradations importantes de certains usagers sont également concernés par ce phénomène. 3 0 Le marché du « rétrofit » est également potentiellement très intéressé par une baie qui permettrait d'obtenir une très bonne résistance aux impacts. 3059031 3 Les normes précédemment citées définissent en fait deux familles de solutions : - Les solutions ne comportant qu'une seule vitre - Les solutions comportant deux ou plusieurs vitres. 5 Dans les deux cas, les vitres sont en principe en verre, feuilleté ou non. En ce qui concerne les solutions comportant une pluralité de vitres, la norme NF 31-314, dans son §3.1 en précise la composition générale, telle qu'illustrée en Figure 1. 10 On observe sur la Figure 1 un côté extérieur 21 et un côté intérieur 22, des composants verriers 23, un produit d'assemblage 24 et une lame d'air 25. Sur cette Figure 1, l'élément désigné par la référence numérique 26 est un verre feuilleté, selon la norme NF 31-250, entre les deux (2) éléments verriers 15 de ce feuilleté se trouve donc une intercalaire (clair ou translucide, teinté ou sem i-réfléch issants) La Figure 2 en donne une représentation plus complète, et qui intègre la prise en compte d'autres paramètres, par exemple la protection contre les 20 rayonnements UV, le contrôle de la condensation susceptible d'apparaitre sur les vitrages ou le montage sur la structure de caisse voyageurs. On observe sur la Figure 2 une baie avec un côté extérieur et un côté intérieur, intégrant des composants et cales divers pouvant être en silicone 31, 32, 33, 34, en mousse 35, un cadre métallique 36 et différentes couches 25 destinées à filtrer les rayonnements solaires 37 et à faible émissivité 38. La baie est par ailleurs fixée sur la caisse par l'intermédiaire de goujons ou de vis 39. Plus particulièrement, ladite baie se compose d'un vitrage feuilleté 3 0 extérieur composé de : o Un vitrage extérieur ; o Un film de type PVB (Poly Vinyl Butyral) ou équivalent intégrant un film solaire réfléchissant; 3059031 4 o Un vitrage intérieur (panneau intérieur ayant une faible émissivité). - Une lame d'air intérieure - Un verre trempé intérieur, conforme à la norme NF 31-129. 5 On connaît également dans l'état de la technique différents types de vitrages entrant dans la constitution des avions, qu'ils soient à vocation aéronautique traditionnelle ou plus rarement spatiale. Dans le cas de l'avion spatial, il convient de prendre en compte une 10 contrainte de température beaucoup plus forte, du fait des échauffements dus à la rentrée atmosphérique ou au froid du vide spatial. Néanmoins, les solutions sont du type à plusieurs parois séparées par des lames d'air ou de vide, et on retrouve les problématiques d'isolation thermique, de protection contre le rayonnement et contre les chocs de débris 15 spatiaux (par exemple : météorites, morceaux de satellites). Les matériaux employés dans les vitrages dans le domaine de l'aéronautique sont plus variés que ceux mentionnés dans les normes ferroviaires, et incluent en particulier des matériaux de type thermoplastique réputés pour leur tenue aux chocs en général : on mentionne en particulier les 20 matériaux de type polycarbonate, par exemple le « Lexan » (marque déposée), réputés pour leur tenue aux chocs (250 fois plus résistant que le verre). On connaît également dans l'état de la technique des vitrages ferroviaires incorporant des thermoplastiques. 25 L'utilisation d'un matériau thermoplastique en lieu et place de produits verriers, ou associés à des produits verriers a déjà été proposée de façon à bénéficier de la bonne tenue aux chocs de ce type de matériaux, et également de sa faible densité ; ces deux aspects conduisant à une baie plus légère, ce 3 0 qui, comme déjà indiqué est un des objectifs permanents des améliorations des véhicules de transport. Dans le principe, un matériau en polycarbonate peut remplacer le verre dans un vitrage simple : les fournisseurs de Lexan (marque déposée par le 3059031 5 Groupe « General Electric ») mentionnent effectivement l'utilisation pour des applications ferroviaires, mais ne décrivent pas son application seule. On en trouve toutefois la possibilité évoquée dans la demande de brevet américain N° 2014/0128924, qui se rapporte toutefois plutôt à des vitrages d'autobus. 5 Cette demande de brevet américain porte en réalité sur l'utilisation des plastiques comme « garde » pour protéger les vitrages du vandalisme. Le seul matériau mentionné est une résine acrylique. Le brevet américain N° US 6 047 500 porte sur le même sujet, mais la problématique globale est plus large 10 (métro et autobus), et dans ce cas également, la garde est en résine acrylique. On connaît également dans l'état de la technique la publication scientifique suivante : « Development of Window Unit of Insulation Glass & Polycarbonate (IGP) », 8th world congress on Railway Research, Mai 2008, 15 Séoul, Corée du Sud, qui décrit une garde en matériau de type polycarbonate. Dans ce cas, ladite garde est destinée à la protection des vitrages contre les chocs, et ce du fait des impacts de ballast en particulier. Dans cette publication scientifique, différents montages sont indiqués, 20 que la garde protège un vitrage en verre ou lui-même en polycarbonate, ou que le polycarbonate protège un double vitrage, ou qu'il renforce un vitrage en verre par collage sur ce vitrage, ceci pour des applications de type TGV (« Shinkansen » au Japon). 25 Dans d'autres solutions de l'état de la technique, le polycarbonate n'est plus utilisé comme garde, mais comme constituant intrinsèque d'un double vitrage ; c'est en particulier le cas de la demande de brevet américain N° US 2014/65330, dans laquelle le polycarbonate constitue la paroi externe du double vitrage, la paroi interne étant en verre feuilleté. Cette demande de brevet américain présente l'intérêt également de bien décrire la problématique des vitrages de train : - Recherche de la légèreté, de la résistance aux chocs et au vandalisme 3059031 6 - Problème de l'étanchéité du double vitrage, problèmes liés à l'utilisation du polycarbonate comme la dilatation différentielle, la faible résistance aux rayures et à l'environnement climatique. On connaît également dans l'état de la technique les brevets et 5 demandes de brevet suivants, qui se rapportent à des vitrages pour voitures de trains : US 2013/023666 et JP 2004/076448 (problème d'humidité entre les deux vitres des double-vitrages), FR 2 723 135 (amélioration des vitrages pour leur isolation acoustique), ainsi que des documents qui portent sur l'amélioration des polycarbonates pour les rendre compatibles avec une 10 application dans des trains : JP 2004/083753 (amélioration de la tenue au feu), JP 2012/017023 (amélioration de la compatibilité avec les environnements climatiques) et CN 202045957 (améliorations plus générales). On note ici que les documents cités ci-dessus portent essentiellement 15 sur la résolution des problèmes rencontrés par les double-vitrages. En tout état de cause, dans toutes les demandes de brevets et les brevets de l'état de la technique, la partie du vitrage située du côté intérieur de la voiture est en verre, sauf lorsqu'il ne s'agit pas de vitrages doubles. 20 Comme indiqué ci-dessus, les polycarbonates présentent une excellente résistance aux chocs, et une faible densité, ce qui conduit à les utiliser dans les vitrages ferroviaires afin de résister notamment aux chocs de ballast. 25 Toutefois, le polycarbonate est connu pour présenter des défauts, notamment - Faible résistance à la rayure, - Perte de transmission lumineuse dans le temps, - Faible résistance au feu, 3 0 - Toxicité des gaz émis en cas de combustion, - Coût. 3059031 7 De nombreux brevets et de nombreuses demandes de brevet de l'état de la technique portent sur la façon d'améliorer ces défauts. Les fabricants proposent sur le marché des produits qui ne présentent plus ces défauts, comme par exemple le produit commercialisé sous la marque Lexan (marque 5 déposée). Exposé de l'invention La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art 10 antérieur en proposant une nouvelle architecture de double vitrage, particulièrement adaptée aux trains à grande vitesse, qui soit optimisée en termes de masse, tout en respectant les exigences générales que doit supporter un tel vitrage, en particulier l'exigence relative à l'isolation thermique et l'exigence relative à la tenue aux surpressions et aux dépressions lors des 15 passages en tunnels et croisements de trains. A cet effet, la présente invention concerne, dans son acception la plus générale, une baie thermoplastique comportant un double vitrage, comportant : - Un composé verre/polycarbonate sur sa partie extérieure, la couche 20 de verre et la couche de polycarbonate étant reliées entre elles par une couche réflective de type « stopsol » ; - Une couche de polycarbonate sur sa partie intérieure ; Ledit composé verre/polycarbonate et ladite couche de polycarbonate étant séparées par une lame d'air. 25 La baie thermoplastique selon la présente invention présente un excellent comportement aux impacts extérieurs (ballasts + balles de 22 LR) et intérieurs (salle voyageurs). Elle comporte un complexe à épaisseurs variables selon les requis techniques permettant de satisfaire aux exigences du profil de 3 0 missions et des normes requises. 3059031 8 Cette configuration permet une réduction très importante des frais de maintenance pour les opérateurs ferroviaires du fait de la très grande résistance à l'impact des polycarbonates (250 fois plus élevée que le verre). 5 Selon un mode de réalisation, l'ensemble du complexe thermoplastique est d'une épaisseur optimisée d'environ 28 mm pour permettre d'avoir une flèche maximum d'environ 1,5 mm et un chargement de + 4500 Pa génère une contrainte maximum (ne) dans le polycarbonate de 1,18 MPa et (or) de 8,33 Mpa dans le verre. 10 Cette configuration d'architecture assure une flexion minimale pour un gain de masse de 50% vs la baie de référence. La baie thermoplastique selon la présente invention présente une très bonne tenue mécanique et une excellente résistance aux impacts de ballast. Cette architecture présente également l'avantage d'être paramétrable 15 (épaisseur des différents panneaux, localisation des matériaux, interposition de couches protectrices intégrant si besoin des fonctionnalités particulières (possibilité d'obscurcissement, intégration d'informations à destination des voyageurs), ...) de pouvoir, à partir d'une configuration complexe (par exemple le Train à Grande Vitesse ayant le profil de missions et les performances 20 requises les plus sévères) de pouvoir extrapoler une architecture simplifiée pour un autre segment (par exemple métro, tramway, ...) ou pour un autre mode de transport (bus par exemple). Avantageusement, ledit polycarbonate possède des performances au moins équivalentes à celles d'un polycarbonate de type « Lexan Margard 25 FMR5E ». Selon un mode de réalisation, ladite lame d'air présente une épaisseur de douze millimètres. Selon un autre mode de réalisation, ladite lame d'air présente une 3 0 épaisseur de six millimètres. 3059031 9 Selon une variante, ladite couche de polycarbonate sur la partie intérieure de ladite baie thermoplastique présente une épaisseur comprise entre cinq et huit millimètres, selon le niveau de flexion résiduelle requis. 5 Selon un mode de réalisation, ladite baie thermoplastique comporte un cadre de baie en aluminium. Selon un autre mode de réalisation, ladite baie thermoplastique comporte un cadre de baie en matériau composite. 10 Avantageusement, ledit matériau composite est à base de résine phénolique. Ceci permet d'avoir un classement feu / fumées conforme aux prescriptions (HL2- R1) de la norme EN 45.545. 15 Selon un mode de mise en oeuvre particulier, ladite baie thermoplastique est mise en oeuvre dans le domaine ferroviaire. Selon un autre mode de mise en oeuvre particulier, ladite baie thermoplastique est mise en oeuvre dans le domaine des autobus. 20 Brève description des dessins 25 On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux Figures dans lesquelles : - La Figure 1 illustre une architecture connue de l'état de la technique comportant une pluralité de panneaux, telle que définie 30 par la norme NF 31-314 ; - La Figure 2 représente un vitrage de l'état de la technique ; et 3059031 10 - Les Figures 3 et 4 illustrent une architecture de baie thermoplastique selon la présente invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention 5 Les Figures 3 et 4 illustrent une baie thermoplastique 10 selon la présente invention. La présente invention se rapporte à une baie thermoplastique 10 10 comportant un double vitrage, et comportant en outre : - Un composé verre/polycarbonate 11 sur sa partie extérieure, la couche de verre 11', par exemple d'épaisseur 6 mm environ, et la couche de polycarbonate 11", par exemple d'épaisseur 6 mm environ, étant reliées entre elles par une couche 12 réflective de type 15 « stopsol ». La principale fonctionnalité de ce complexe est d'isoler des agressions extérieures le vitrage interne, notamment vis-à-vis des impacts de ballast et autres tirs de balles 22 LR. - Une couche 13 de polycarbonate sur sa partie intérieure ; qui dans un mode de réalisation, présente une épaisseur comprise entre cinq et huit 20 millimètres selon la flexion résiduelle maximum admissible sous phénomène d'ondes de pressions. Ledit composé verre/polycarbonate 11 et ladite couche 13 de polycarbonate sont séparés par une lame d'air 14 , par exemple de 12 mm d'épaisseur. La fonction principale de ce matériau (vs un vitrage 25 trempé classique) est de permettre un allègement conséquent de la baie (---= 15%). Dans un mode de réalisation, ladite baie 10 thermoplastique comporte un cadre de baie 15 en aluminium. 30 Dans un autre mode de réalisation, ladite baie 10 thermoplastique comporte un cadre de baie 15 en matériau composite. 305 903 1 11 Dans un mode de réalisation, ledit matériau composite est à base de résine phénolique Les Inventeurs de la présente invention ont réalisé des calculs (sous 5 « Radioss bulk ») consistant à étudier la déformée du vitrage pour des conditions de surpressions dépressions représentatives du passage d'un train de type TGV dans un tunnel de section droite 90 m2. NB: Selon les prescriptions de la norme NF F31.314, les valeurs de pression auxquelles peuvent être soumises ces baies sont ci-après rappelées : 10 - 106 cycles avec des variations de pression AP1, - Ondes de pression sinusoïdales ayant une fréquence de 2 Hz, - AP1 : - 4 000 Pa +4 000 Pa, - 5.104 cycles avec des variations de pression AP2, 15 - Ondes de pression en cycle carré de fréquence 0.5 H, - AP2 : - 5 000 Pa +5 000 Pa, - 5.104 cycles avec des variations de pression AP3, - Ondes de pression en cycle carré de fréquence 0.5 H, 20 - AP3 : - 8 000 Pa +8 000 Pa. On constate qu'effectivement, le polycarbonate permet des gains de masse très importants des fenêtres, au prix d'une augmentation relativement faible de son épaisseur (+ 5 mm / 23 mm pour la solution de référence). Les 25 contraintes dans les matériaux ne dépassent pas les contraintes admissibles. La principale utilisation de la baie thermoplastique selon la présente invention, compte tenu des spécificités du système normatif et des contraintes d'exploitation et des profils de mission, concerne le domaine du transport en 3 0 général et le transport ferroviaire en particulier, et ceci pour tous les segments concernés : Trains à Grande Vitesse, trains régionaux, transport urbain (métro, tramways), monorails etc. 3059031 12 La présente invention peut également trouver des applications dans d'autres domaines techniques, par exemple mais non exclusivement, les domaines de l'aéronautique, les bus, les engins agricoles, les engins militaires et les engins de police (bus, camions, ...), et le bâtiment. 5 Par ailleurs, sous l'effet des fonctions contraintes suivantes : Pouvoir de transmission Lumineuse, Qualité optique, Condensation, 10 Isolation thermique (température et hygrométrie) et acoustique, - Etanchéité, - Résistance aux radiations UV - Compatibilité aux produits chimiques, - Résistance au vandalisme, 15 - Résistance aux impacts de ballast et ondes de pressions, - Résistance à l'abrasion (machines à laver), - Résistance aux impacts de ballasts et de balles, - Pas d'explosion après impacts, - Identification des panneaux, 20 - Résistance Feu / Fumées, - Montage / démontage aisé, - Compatibilité avec le système de peinturage des caisses, - Compatibilité avec les tolérances de caisses et les dilatations différentielles, - Interchangeabilité, 25 - Masse minimum, Les fonctions principales et secondaires suivantes sont compatibles d'une telle architecture de baie thermoplastique : - Absorption d'eau : 24H selon (ISO 62) 3 0 - Tenue à la condensation selon (NF P78-452) 3059031 13 Anti grafitti : classification G1 selon (NF F31 - 112 / STM-C-004 / CP 54) Tenue à l'abrasion : 500 cycles / Test « Taber » selon (ASTM-D1044 / ISO 3575) Tenue à l'impact : Si = 258 J (poinçon en acier (2,3 kg) d'un diamètre de 5 profondeur 25,4 mm sur plaque de Lexan de 6 mm Dilatation différentielle : Lt = 6,7.10-5 m.m-1.K-1 selon (ASTM D 696 - VDE 0304/1) Conductivité thermique selon (DIN 52612 - ASTM C177) Transparence acoustique : e = 6 mm iq = 29 db(A) 10 Pouvoir de transmission lumineuse : Lt= 84-90 % selon (ASTM D 1003 / NF EN 410) Les différents constituants de la baie thermoplastique ont notamment pour fonction d'assurer : Un bon positionnement relatif des différents composants (grâce aux 15 différents calages internes), La bonne étanchéité de la baie vis-à-vis de l'environnement extérieur et intérieur des salles voyageurs (grâce aux différents mastics (silicone, ... ) et constituants à l'interface (mousse de fond de joint, absorption d'humidité, ...), 20 - Un excellent comportement mécanique de la baie dans son environnement (fixation sur la structure de caisse, dilatation différentielle), Un excellent comportement mécanique et d'excellentes qualités optiques dans le temps de par la sélection des matériaux constituant les différents panneaux thermoplastiques et leur assemblage avec le complexe verrier lui 25 octroyant une rigidité compatible de la flexion maximum résiduelle sous contraintes d'ondes de pression lors des passages en tunnels, Un principe de montage des différents constituants permettant à l'opérateur ferroviaire un montage / démontage nécessitant un temps minimum en cas de rétrofit, 3059031 14 - Une excellente aptitude aux opérations de maintenance des caisses (nettoyage des caisses sous rampe d'arrosage, très bonne tenue aux produits lessiviels et chimiques). L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu 5 que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. REVENDICATIONS1. Baie thermoplastique (10) comportant un double vitrage, caractérisée en ce qu'elle comporte - Un composé verre/polycarbonate (11) sur sa partie extérieure, la couche de verre (11') et la couche de polycarbonate (11") étant reliées entre elles par une couche (12) réflective de type « stopsol » - Une couche (13) de polycarbonate sur sa partie intérieure ; ledit composé verre/polycarbonate (11) et ladite couche (13) de polycarbonate étant séparées par une lame d'air (14). 2. Baie thermoplastique (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite lame d'air (14) présente une épaisseur de douze millimètres. 3. Baie thermoplastique (10) selon la revendication 1, caractérisée ladite 15 lame d'air (14) présente une épaisseur de six millimètres. 4. Baie thermoplastique (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite couche (13) de polycarbonate sur la partie intérieure de ladite baie thermoplaStique (10) présente une épaisseur comprise entre cinq et huit millimètres. 20 5. Baie thermoplastique (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un cadre de baie (15) en aluminium. 6. Baie thermoplastique (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un cadre de baie (15) en matériau composite. 25 7. Baie thermoplastique (10) selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit matériau composite est à base de résine phénolique. 8. Baie thermoplastique (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle mise en oeuvre dans le domaine ferroviaire.