Les méthodes

d’auscultation

structurelle

ENPC (MPREP)

Bruno GODART

2

PLAN Généralités

– Objectifs de l ’auscultation

Auscultation de la structure – étude géométrique des fissures : fissurographie

– mesures de déformations locales

– mesure des déformations générales et des mouvements

– mesures semi-globales

– mesure des forces sur ouvrages

GENERALITES

Référentiel

Objectifs de l ’auscultation

4

Référentiel

Instruction technique de 1979 (ITSEOA) 1ère partie, et additif de décembre 1995

Fascicules complémentaires ( 2ème partie ) : • fascicule 01 : dossiers d'ouvrages

• fascicule 03 : Auscultation, surveillance

renforcée , haute surveillance, et mesures

de sécurité immédiate ou de sauvegarde • fascicule 02 : généralités sur la surveillance et

aspects sur la sécurité

•autres fascicules concernent des sujets

spécialisés

5

Référentiel

Auscultation des ouvrages

7

Objectifs Généraux de

l ’Auscultation

AUSCULTATION

MATERIAUX •Identification

•Etat de

dégradation

•Propriétés

STRUCTURE •Etat mécanique

•Comportement

sous chargement

- réponse globale

- comportement local

DIAGNOSTIC Causes et étendue des désordres

évolution probable

définir ou étayer des hypothèses de calcul

=> Situation de départ pour réparer

8

Objectifs spécifiques Apprécier la qualité du (ou des) matériau(x)

en place – études et analyses sur prélèvements

– techniques d ’examen des matériaux en place : » visuel

» méthodes plus raffinées et plus puissantes

(radiographie, auscultation sonique, auscultation électromagnétique, méthodes électrochimiques,…)

Analyser le mode de fonctionnement réel de la structure – mesures topographiques ou géométriques

» (évolution du nivellement ou mesure de déformation générale ou de déplacement sous chargement

– mesures directes de forces

– mesures locales de fonctionnement » (mesures de déformation locale, extensométrie)

AUSCULTATION DE

LA STRUCTURE

fissurographie

11

Fissurographie

Élément très important du

diagnostic

relevé

– nature

– apparition et évolution

– ouverture

plan de fissuration

interprétation

12

Fissuromètres

13

Fissuromètres

Fissuromètre tridimensionnel

Modèle VINCHON (Société Roctest)

14

Fissuromètres

Fissuromètre 3D (type Saugnac)

15

Fissuromètres

Fissuromètre translucide

16

Fissuromètres

Capteur de déplacement à cheval sur une fissure

Mesures de déformation

locales

18

extensomètre

19

jauge électrique

20

Témoin sonore

Corde

vibrante

21

Jauges d ’extensométrie

Corde

vibrante

Jauge

électrique

Fibre

optique

Mesures globales

23

Mesure des déformations

générales et des mouvements Suivi topographique

– mouvements (repérages de cibles)

– mesure de déformations sous chargements » flèches

niveau hydraulique

nivellement topographique

fleximètre mécanique

capteur de déplacement

flexigraphe laser

» rotations clinomètres (appuis et sections

pendule (inclinaison piles et murs)

Mesures de distance fil invar

Infrarouge

Planimétrie Laser

24

Mesure des déformations

générales et des mouvements

Suivi topographique – mouvements (repérages de cibles)

25

Problématique des mesures

de flèche sous chargement – Intérêt réduit de la mesure de flèche sous

chargement en absolu (problème de l ’estimation de l ’inertie réelle….) - sauf si flèche mesurée supérieure au calcul…

– Intérêt de la mesure de flèche sous chargement en relatif (répétition dans le temps permettant de faire du suivi) - exemple de l ’alcali-réaction…

– Ne permet pas de repérer un désordre local (sauf gros désordre visible déjà à l ’œil….) - exemple de fissures dans les joints de ponts en BP...

26

Inclinomètres électriques

Inclinomètre de

précision 10-6 rd

Inclinomètre de

précision 10-8 rd

27

Pendules Pendule direct et

distancemètre vertical

Pendule indirect

28

Mesure des déformations

générales et des mouvements

mesure de distance fil invar

infrarouge

29

Distancemètre à fil invar

Chaîne de mesure

Distancemètre

30

Distancemètre infrarouge

Distancemètre

sur support goniomètrique

Réflecteur

catadioptrique

31

Planimétrie laser

Emetteur

laser en

position

verticale

Mire récepteur de

faisceau laser

Mesures semi-globales

33

Courburemétrie

Permet – d ’évaluer la variation de courbure d ’une

zone de l ’ouvrage sous une variation de moment

Principe – La courbure est égale à la pente du « Navier

de déformations.

– Reliée au moment par la formule :

DC = DM / EI

– Il donne, par le biais d ’une mesure d ’angle, une courbure moyenne sur la demi-envergure de l ’appareil (de 1 à 3 mètres)

Résolution – environ 0,3 10-6 m-1

34

Courburemétrie

Domaine – VIPP pour essayer de détecter la fissuration

de la fibre inférieure en zone centrale

– et d ’une manière générale toute structure dont on veut suivre la variation de la courbure locale

Fonctionnement – mesure de la courbure à l ’aide d ’une règle

posée sur le tablier sur deux points, un troisième point comportant un capteur de déplacement qui mesure la variation de distance entre la règle et le tablier

35

Courburemétrie

Fonctionnement d

C = -------

a 2

Courburemétrie

Courburemètres en place sur une poutre de VIPP

37

Courburemétrie

Courbure

(en 1/EI)

Sollicitations

de flexion (Mf)

EI décroit lentement

la fissure remonte

l'âme de la poutre

EI décroit rapidement

Zone de transition progressive

de l'état quasi-élastique à l'état

d'endommagement mécanique

Exemple des VIPP : Définition de la capacité portante

résiduelle conventionnelle par référence à l’évolution

de la courbure mesurée dans une section critique.

Mesures de Forces

Pesage de forces de

précontrainte

méthode vibratoire

méthode de l ’arbalète

39

Pesage des forces de

précontrainte

Permet – d ’évaluer l ’effort dans le câble ou le

tirant

Principe – tirage de la tête d ’ancrage ou de la

barre

– détermination de la force correspondant au décollement

Matériel – vérin

– capteur de déplacement

Condition – armature non adhérente

40

Pesage de force

Pesage de tirants d’un mur de soutènement

41

Mesure de tension par

méthode vibratoire

Permet – d ’évaluer la tension dans un câble

Principe – principe de la corde vibrante : fréquence

fonction de la tension

Domaine – câbles de ponts suspendus

– haubans

– précontrainte extérieure

– barre ( conditions d ’extrémité)

Voir Méthode d‘essai LPC 35

42

Méthode de l ’arbalète

but

évaluation de la tension résiduelle de câbles

tendus

principe l ’effort nécessaire pour dévier un câble de son

tracé est proportionnel à sa tension

43

Méthode de l ’arbalète

Application sur site

44

Méthode de l ’arbalète

exemple de calibration en

laboratoire

Pesée de réaction d ’appui

46

Pesée de réaction

d ’appui

Redistribution à long terme des efforts dans les

ouvrages hyperstatiques

47

Pesée de réaction

d ’appui

but :

évaluation de la redistribution des efforts

dans les ouvrages hyperstatiques

» valider ou corriger les hypothèses du calcul

à la conception

» expliquer les désordres observés sur la

structure

» détecter des anomalies dans la répartition

des charges permanentes

précautions :

– mesures avec précision

– isoler l ’influence des effets thermiques

48

Pesée de réaction

d ’appui

variation des réactions d ’appui

49

Pesée de réaction

d ’appui

Gradient thermique

50

Pesée de réaction

d ’appui

principe de la mesure

51

Pesée de réaction

d ’appui

graphique

Libération

de l ’appui Flexion du

tablier

52

Pesée de réaction

d ’appui

Double vérin et vérin plat

53

Pesée de réaction

d ’appui

Condition d ’utilisation de la

méthode précision des mesures ( 1% sur culée; 0,1 %

sur appui intermédiaire )

hauteur libre sous le tablier ( au moins 150 mm)

pour pouvoir mettre en place le matériel

surface d ’appui suffisante

résistance suffisante du tablier dans la zone

d ’appui des vérins

absence sur l ’ouvrage de dispositions

incompatibles avec les manœuvres de

soulèvement

Méthode de libération de

contrainte

55

Méthode de libération

de contrainte

But :

évaluation directe de la contrainte

locale dans le béton

Principe de la méthode – réalisation d ’un entaille dans le béton

– libération de la contrainte

– compensation en pression à l ’aide

d ’un vérin plat inséré dans l ’entaille

– suivi en parallèle des déplacements en

surface à proximité de l ’entaille

56

Méthode de libération

de contrainte

Principe de la méthode

57

Méthode de libération

de contrainte

Exemple sur site

58

Méthode de libération

de contrainte

Application de la méthode au cas

d ’un béton comprimé et d ’un

béton tendu

59

Méthode de libération

de contrainte

informations fournies :

– contrainte moyenne locale du béton au niveau de l ’entaille

– profil local des contraintes avec la profondeur

» par des mesures progressives au fur et à mesure de l ’approfondissement de l ’entaille et utilisation d ’un modèle numérique

– distribution des contraintes dans une section transversale de l ’ouvrage

» par application de la méthode à différents niveaux dans une même section

60

Méthode de libération

de contrainte

exemples de contraintes à différents

niveaux dans une poutre de VIPP

61

Méthode de libération

de contrainte Comparaison entre contraintes calculées

et mesurées dans une section de VIPP :

difficulté d ’évaluer l ’effort Normal

62

Méthode de libération

de contrainte

précaution

– stabilité thermique pendant le

sciage (variation retstant

inférieure à 1°C)

précision

– au moins + 0.5 N/mm²

Méthode des moments de

décompression

64

Méthode des Moments

de décompression

but : – évaluer le déficit de résistance à la flexion

d ’une structure précontrainte présentant

des joints ou sections fissurés

principe :

– soumettre ces sections à des moments

fléchissants croissants, obtenus par des

chargements connus ( déplacement

progressif d ’un convoi de camions)

– mettre en évidence le moment qui

provoque l ’ouverture du joint ou de la

fissure

précaution : – suivi de la température

65

Méthode des Moments

de décompression

procédure : deux étapes

– 1ère étape : identifier les sections

les plus critiques

(à l ’aide de capteurs de déplacement,

sous l ’effet du trafic et de la

température)

– 2ème étape : instrumentation

complète des 2 ou 3 sections les plus

critiques => méthode des moments

de décompression

66

Méthode des Moments

de décompression

instrumentation : paires de

jauges/capteurs de

déplacement

(10 à 20 dans chaque

section étudiée)

- complément éventuel

mise en place de

jauge de déformation

sur les câbles

67

Méthode des Moments

de décompression

Difficultés d ’interprétation :

– défauts de contact dûs à l ’effet

des câbles de continuité

– différence de retrait entre parties

d ’épaisseur différente

68

Méthode des Moments

de décompression

graphique jauge/capteur de déplacement

69

Méthode des Moments

de décompression

Variation de la contrainte dans le câble

en fonction du moment fléchissant

CONCLUSION

71

Méthodologie d ’une

intervention

Bien définir et délimiter le problème

posé

» dialogue bureau d ’études - laboratoire

situer les ordres de grandeur des

quantités à mesurer

» choix des techniques de mesure

mettre en œuvre des moyens de

mesure suffisants

» redondance des points de mesure

» recoupement par des dispositifs

indépendants

» mesures annexes ( température par

exemple

72

bibliographie

Maintenance et réparation des ponts

Sous la direction de J.A. Calgaro et R. Lacroix

( publié par Presses de l ’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées en 1997)

voir : chapitre 2 sur l’auscultation

Cahier Interactif

Auscultation des Ouvrages d’art

IFSTTAR / CEREMA

http://www.ifsttar.fr/collections/

CahiersInteractifs/CII1/index.html

COMPLEMENT

Fibres optiques

74

Fibres optiques

Spécificités

– Insensible aux influences

électromagnetiques

– partie sensible du capteur et

support de transmission de

l ’information confondus

– Localisation

– Possibilité de multiplexage

75

Fibres Optiques

gaine optique gaine

mécanique

Cœur

N1 revêtement

primaire

Grandeurs

agissant sur

la

propagation

lumineuse :

• Géométrie du

guide

• Indices de

réfraction

Condition de

propagation

lumineuse

N1 > N2

N2

Principe

76

Fibres optiques

Types

– Microcourbures

– Biréfringence

– Réseaux de Bragg

– Interférométrie

» Fabry-Pérot

» Michelson

– A effet Brillouin

77

Microcourbures

Gaine

mécanique

170 mm

Cœur

100 mm

Hélice

métallique

Gaine optique

140 mm

78

Biréfringence

Fibre optique monomode

Polarisation

initiale

Rubans métalliques

Pression extérieure Polarisation

finale

Température, Pression

79

Réseaux de Bragg

Température

Déformation

Pression

•pour

chaque

réseau :

B = 2.n.

Intensit

é

B1 B2 B3

condition de

Bragg

cœur

gaine

optique

RdB-3 RdB-2 RdB-

1

2 3 1 x

Spectre incident

Intensité

Spectre réfléchi

Spectre transmis Intensit

é

B1 B2 B3

Indice de réfraction

X

80

Interférométrie Fabry - Pérot

Principe du capteur

Capteurs commercialisés noyés ou fixés en surface

d ’ouvrage en béton

cavité Fabry-

Pérot

Micro-

capillaire

fibre optique miroirs semi-

réfléchissants

fibre

optique

câble

fibre

optique

Déformation - Extensométrie

81

Interférométrie

Michelson

structure à surveiller

zone de mesure

miroirs fibre de

mesure

fibre de

référenc

e matériau

Déformation - Extensométrie

82

Fibres optiques

Mise en oeuvre – conditionnement de la partie sensible joue

un rôle dans le fonctionnement du capteur

étalonnage du capteur après

conditionnement

étalonnage du capteur dans son milieu

d ’emploi

Correction des paramètres influençants

dans le milieu d ’emploi (température,..)

83

Fibres optiques

Exemple de schéma

d ’nstrumentation

84

Fibres optiques Détection de fissures

Fonctionnement binaire

de la Fibre optique

Fixation

d ’une valeur seuil

du signal lumineux

arrêt de

transmission

lumineuse

Etablir un lien

physique entre le

signal enregistré

avec la FO et la

caractéristique

physique étudiée

Maîtrise de

l ’interface

matériau/capteur et

capteur/partie sensible

Correction

des effets influençant

85

Fibres optiques

Mise en oeuvre

86

Nouvelle construction BPR en usine

Comportement thermique de la structure

Suivi sur près de 2 ans

Exemple d ’application

87

Fibres optiques

Conclusions

La possibilité de détecter des fissures

à l ’aide de Fibres optiques dépend :

– du conditionnement de la fibre

– de la mise en œuvre sur site

– de l ’étalonnage sur site

88

Jauges d ’extensométrie

Corde

vibrante

Jauge

électrique

Fibre

optique