Journées Techniques Routes 2013Nantes – 6 & 7 février 2013

Chaussée instrumentée : essai de fibres optiques sur le manège de fatigue

Pierre Hornych, Juliette Blanc, Xavier Chapeleau, IFSTTAR

Jean-Luc Gautier, Colas

Introduction

Les fibres optiques sont de plus en plus utilisées comme capteurs, pour la mesure des déformations, des températures, des pressions, dans le domaine des structures et des matériaux.

Intérêt de ces capteurs : possibilité de mesures sur toute la longueur de la fibre (pour certains types), faible encombrement, coût intéressant, durabilité, capteurs passifs.

Présentation de 2 essais réalisés sur le manège de fatigue, pour tester différents systèmes de mesure à fibres optiques dans les chaussées :

• Essai en collaboration avec l’Université Laval (Thèse de D.Grellet). Test de capteurs à fibres optiques de type interférométrique.

• Essai en collaboration avec Colas – test de fibres optiques à réseaux de Bragg, et fibres continues

P Hornych, J.L. Gautier – JTR 20132

Chaussée instrumentée : essai de fibres optiques sur la manège de fatigue

Les différentes technologies de capteurs à fibres optiques

Capteurs de type interféromètre Fabry-Perrot :

Principe :

• Mesures par interférométrie

• 1 seul capteur par fibre optique

• Très faible encombrement

• Grande précision

Les différentes technologies de capteurs à fibres optiques

Les réseaux de Bragg

Prinicipe : Réseaux d’indice de réfraction variable sur la fibre, conduisant à la réflexion de lumière dont la longueur d’onde dépend du pas du réseau

• Capteurs locaux de déformation

• Plusieurs réseaux de Bragg peuvent

être répartis sur une même fibre

• Fréquence d’acquisition : jusqu’à plusieurs kHz mesure dynamique

Fibre optique continue

Basée sur le principe de diffusion de Rayleigh :

• Mesure continue de déformation sur toute la fibre

• Sur une distance allant jusqu’à 70 m ou 2km (selon la résolution)

• Durée d’acquisition : 1 à 10 secondes pour une mesure mesure statique

Capteurs à fibres optiques développés à l’université Laval (interféromètre Fabry-Perrot)

Carotte instrumentée:

La carotte est prélevée sur place, instrumentée puis scellée sur site à la résine2 jauges en partie supérieure2 jauges en partie inférieure

Plaque instrumentée:

Épaisseur 5 mm

6 à 8 jauges horizontales en partie supérieureet en partie inférieure6 à 8 jauges verticales

Mise en place dans un trait de scie, scellée à la résine

Capteurs à fibres optiques développés à l’université Laval (interféromètre Fabry-Perrot)

Vue des carottes et plaques instrumentées

Plaque extraite de la chaussée en fin d’expérience

Exemple de mesures

-10

-5

0

5

10

3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2

t (s)

mic

rostr

ain

eps Leps T

contraction

extension

-100

0

100

200

300

3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1

t (s)

mic

rostr

ain

eps Leps T

contraction

extension

-30

-20

-10

0

10

3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6

t (s)

micr

ostra

in

eps LepsT no signal

contraction

extension

-500-400-300-200-100

0100

3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6

t(s)

mic

rostr

ain

eps Leps T

contraction

extension

interface ~22°C Interface ~ 42°C

Très différent hyp. usuellement admise

GB

GNT

BB

Chaussée

Déformations longitudinales et transversales au passage d’un tridem

0.7m

1.6 m bande de roulement

30.0 m

R = 19m

0.5 m 8 m7 m 7 m5 m

21 cm

0.5 m

21 cm

0.7m

0.5m 0.5m 1 m

FO continue

Jauge d’extensométrie

Essai manège en collaboration avec COLAS Plan d’instrumentation des chaussées

FO réseau Bragg et T°

Structure de chaussée : 8 cm BB – 30 cm GNT

Les fibres optiques à réseaux de Bragg

Mise en place des fibres optiques continues sur le manège

Mise en place des Fibres à réseaux de Bragg SensoLux

Fibres optiques à réseaux de Bragg : exemple de mesures

BBSG, 21°C

-60

-40

-20

0

20

40

60

1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

Temps (s)

Déf

orm

atio

n (m

def)

BBSG mesures du 11 septembre 2012 21°C

0

20

40

60

80

100

120

-60 -40 -20 0 20 40 60 80Position (cm)

Déf

orm

atio

n (m

def)

S_3_b_1S_3_b_2S_3_a_1S_4_a_2

Exemple de mesure dans un BBSG sous le passage d’un demi-essieu chargé à 65 kN

Même signal que les jauges d’extensométrie (résolution 5 def environ)

Bassin des maximums de déformations longitudinales pour 4 jauges à réseaux de Bragg dans le BBSG sous charge de 65 KNMême forme que les jauges d’extensométrie bonne répétabilité

Déformation longitudinale

Mesure du signal Rayleigh (fibre continue) : exemple de mesure sous chargement

Principe : • Une mesure de référence « sans chargement »• Une mesure avec chargement statique (demi-essieu manège chargé à 6.5 tonnes)• Calcul de la différence entre les deux mesures

Enrobé viscoélastique Réponse fonction du temps de chargement

Exemple de mesure à la base d’un EME

Pic de déformation

Déformation longitudinale

Mesure du signal Rayleigh : exemple de mesure sans charge à différents nombres de cycles

Principe : • Une mesure de référence

« sans chargement » à N1

cycles• Une mesure « sans

chargement » à N2 cycles

• Calcul de la différence entre les deux mesures

• Donne une déformation cumulée entre les 2 états

indicateur possible de l’endommagement de la structure ?

PCTS

Déformation longitudinale – base BBSGPar rapport à la référence à 150000 chargements

Apparition de « défauts »Orniérage ? Fissuration ?

Conclusion

Les essais réalisés montrent l’intérêt des techniques de mesure de déformations par fibres optiques dans les chaussées.

Bonne résistance des fibres aux conditions de mise en œuvre (température, compactage)

• Interféromètres Fabri-Perrot : Mesures de déformation locales à différents niveaux – détermination précise des champs de déformation dans les 3 directions – coût assez élevé.

• Fibres à réseaux de Bragg : utilisation et coût similaire aux jauges classiques utilisées sur manège. Grande durabilité.

• Fibres continues : mesure répartie sur toute la longueur de la fibre, mais uniquement en statique. Faible coût de la fibre . Indicateur possible d’endommagement ?

Application prévue sur une section de chaussée en 2013.

Evénement: 17/18 Octobre 2013

16

1978 – 2013Un parcours d’expériences inédites

http://35ans-manege.ifsttar.fr

Intentions de communication (100 mots max)

à soumettre avant le 15 avril 2013 à : 35ans-manege@ifsttar.fr