ÉVALUATION DYNAMIQUE DES OUVRAGES

Antoine CLEMENT - SITES, Lyon, France

Colloque le Pont

Toulouse

2018

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Le PontToulouse

2018

INTRODUCTION

L’évaluation dynamique vise

à tirer des mesures résultant

des investigations

dynamiques une information

susceptible d’apporter une

appréciation plus pertinente

de la performance d’un

ouvrage sur son cycle de vie

(construction, réception,

service).

Evaluation dynamique des ponts, C.CREMONA, LCPC

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Le PontToulouse

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INTRODUCTION

Large champ des possibles…

Types d’investigation dynamique :

• Mesure du confort

• Evaluation des sollicitations

• Analyse structurale

• Surveillance du comportement

Variable mesurée

• Inclinaison

• Déformation

• Vitesse

• Accélération

Instant

• Construction

• Réception

• Exploitation

• Maintenance

• Réhabilitation

Echelle

• Globale

• Locale

Principes d’analyse

• Signaux bruts

• Temps/fréquence

• Identification modale

Durée de collecte

• Ponctuelle

• Continue

• Sur seuils

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Notions de dynamique

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Le PontToulouse

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NOTIONS DE DYNAMIQUE

Parenthèse sur les caractéristiques modales

Que représentent les caractéristiques modales : 𝑓0, 𝜉0 𝑒𝑡 𝐴0 ?

Excitation :

Impulsion

Structure :

lampadaireMesure

Exponentielle

décroissante

𝑒−𝜉0…

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Parenthèse sur les caractéristiques modales

Modification de la masse

NOTIONS DE DYNAMIQUE

Structure : Modèle FRF

lampadaire

a) Lampe plus grande →

m=4kg m=10kg m=20kg

• 𝑓0

• Amplitude

Oscillations plus lentes et plus grandes

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Parenthèse sur les caractéristiques modales

Modification de la raideur

NOTIONS DE DYNAMIQUE

Structure : Modèle FRF

lampadaire

b) Poteau plus large →

Φ = 10cm Φ= 15cm Φ = 25cm• 𝑓0

• Amplitude

Oscillations plus rapides et moins grandes

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NOTIONS DE DYNAMIQUE

Parenthèse sur les caractéristiques modales

Généralisation : Mouvement complexe d’un tablier

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NOTIONS DE DYNAMIQUE

Torsion

…

Flexion Verticale

…

Flexion Horizontale

…

Mouvement vibratoire = somme de mouvements élémentaires (structures linéaires)

𝑓𝐹𝑉1, 𝜉𝐹𝑉1, Φ𝑉𝐹1

𝑓𝐹𝑉2, 𝜉𝐹𝑉2, Φ𝑉𝐹2

𝑓𝐹𝑉3, 𝜉𝐹𝑉3, Φ𝑉𝐹3

𝑓𝐹𝐻1, 𝜉𝐹𝐻1, Φ𝑉𝐻1

𝑓𝐹𝐻2, 𝜉𝐹𝐻2, Φ𝑉𝐻2

𝑓𝐹𝐻3, 𝜉𝐹𝐻3, Φ𝑉𝐻3

𝑓𝑇1, 𝜉𝑇1, Φ𝑇1

𝑓𝐹𝑇2, 𝜉𝑇2, Φ𝑇2

𝑓𝑇3, 𝜉𝑇3, Φ𝑇3

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𝑓 𝑓𝑟é𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒𝜉 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑠𝑠𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡Φ 𝑑é𝑓𝑜𝑟𝑚é𝑒

Dépendent des propriétés de la

structure :

• Répartition de la masse

• Répartition de la raideur

• Phénomènes dissipatifs

NOTIONS DE DYNAMIQUE

𝑀𝑜𝑑𝑒1

𝑀𝑜𝑑𝑒2

𝑀𝑜𝑑𝑒3

𝑀𝑜𝑑𝑒4

Flexion V Torsion Flexion H

𝑓𝐹𝑉1, 𝜉𝐹𝑉1, Φ𝑉𝐹1

𝑓𝐹𝑉2, 𝜉𝐹𝑉2, Φ𝑉𝐹2

𝑓𝐹𝑉3, 𝜉𝐹𝑉3, Φ𝑉𝐹3

𝑓𝐹𝑉4, 𝜉𝐹𝑉4, Φ𝑉𝐹4

𝑓𝐹𝐻1, 𝜉𝐹𝐻1, Φ𝑉𝐻1

𝑓𝐹𝐻2, 𝜉𝐹𝐻2, Φ𝑉𝐻2

𝑓𝐹𝐻3, 𝜉𝐹𝐻3, Φ𝑉𝐻3

𝑓𝐹𝐻4, 𝜉𝐹𝐻4, Φ𝑉𝐻4

𝑓𝑇1, 𝜉𝑇1, Φ𝑇1

𝑓𝐹𝑉2, 𝜉𝑇2, Φ𝑇2

𝑓𝑇3, 𝜉𝑇3, Φ𝑇3

𝑓𝑇4, 𝜉𝑇4, Φ𝑇4

Caractéristiques modales

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Mesure du confort

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MESURE DU CONFORT

Confort des usagers important pour les passerelles

Passerelle du Millenium Passerelle Simone de Beauvoir

Guide SETRA - Passerelles piétonnes, Évaluation du comportement vibratoire sous l’action des piétons

Résonnances = inconfort

Dir

ect

ion

vert

icale

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MESURE DU CONFORT

Confort des usagers important pour les passerelles

Passerelle du Millenium Passerelle Simone de Beauvoir

Rigidification ou installation d’ADA

Présentation P.Charles, P.Vion, Rencontre CTOA/DOA de CETE 2006

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MESURE DU CONFORT

Investigations dynamiques :

Vérifications Efficacité ADA ou Evaluation de l’ancien

• Mesures des niveaux d’accélérations pour différents

scénarios de marche piétonne

• Identification des fréquences propres

Mesures CSTB, Passerelle léopold sédar senghor

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Evaluation des sollicitations

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EVALUATION DES SOLLICITATIONS

Objectif : Obtenir des éléments permettant d’évaluer la

résistance de l’ouvrage à son environnement vibratoire

• Coefficient de majoration dynamique

Dépend du point de mesure

Dépend du chargement

Dépend de la définition

Mesure qualitative sous un

front de camion (Reco. SETRA)

Evaluation précise sur une

période longue avec station

de pesage

Evaluation dynamique des ponts, SETRA, C.Cremona

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EVALUATION DES SOLLICITATIONS

Objectif : Obtenir des éléments permettant d’évaluer la

résistance de l’ouvrage à son environnement vibratoire

• Contraintes en fatigue

Dépend des cycles de

chargement réels

Mesure d’un historique réel de

déformations

Calculs des histogrammes

rainflow

Evaluation dynamique des ponts, SETRA, C.Cremona

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Analyse Structurale

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ANALYSE STRUCTURALE

Objectif : Déterminer le comportement dynamique réel de

l’ouvrage à partir des mesures vibratoires

Mesures ➠ Modèles numériques

Ou

Modèle numérique ➠ Prédictions VS Mesures

⤷ Meilleure compréhension du comportement de la structure

⤷ Meilleure définition des marges de sécurité

⤷ Hypothèses moins restrictives

⤷ Réduction des coefficients de sécurité

⤷ Vérification bon fonctionnement (joints, rotules, appuis, tension haubans)

➥ Analyse modale expérimentale ou opérationnelle (identification des caractéristiques modales)

➥ Modèle de comportement vibratoire

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Identification des caractéristiques modales

• Quels modes (flexion, torsion, ordre) ?

• Quelles caractéristiques (amortissement, fréquences, déformées) ?

• Nombre

• Position

• Direction

Capteurs

• Impulsion

• Contrôlée

• Ambiante

Excitation

• Temporelle

• Fréquentielle

Méthode d’analyse

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Le PontToulouse

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Identification des caractéristiques modales

• Quels modes (flexion, torsion, ordre) ?

• Quelles caractéristiques (amortissement, fréquences, déformées) ?

• Nombre

• Position

• Direction

Capteurs

• Impulsion

• Contrôlée

• Ambiante

Excitation

• Temporelle

• Fréquentielle

Méthode d’analyse

• Fréquences des modes symétriques de flexion verticale

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Le PontToulouse

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Identification des caractéristiques modales

• Quels modes (flexion, torsion, ordre) ?

• Quelles caractéristiques (amortissement, fréquences, déformées) ?

• Nombre

• Position

• Direction

Capteurs

• Impulsion

• Contrôlée

• Ambiante

Excitation

• Temporelle

• Fréquentielle

Méthode d’analyse

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Le PontToulouse

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Identification des caractéristiques modales

• Quels modes (flexion, torsion, ordre) ?

• Quelles caractéristiques (amortissement, fréquences, déformées) ?

• Nombre

• Position

• Direction

Capteurs

• Impulsion

• Contrôlée

• Ambiante

Excitation

• Temporelle

• Fréquentielle

Méthode d’analyse

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Le PontToulouse

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par

rapport aux modèles, Mesures CSTB, FEUP, SITES

Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques

identifiées

• Flexion verticale

• Flexion transversale

(piles)

• 2 accéléro fixes (ref.)

• 2 accérélo déplacés

⇒ 28 pts sur tablier

Ambiante • Fréquences

• Déformées

modales

• 6 acc. bi. fixes tablier

• 3 acc. bi. fixes piles

• 3 acc. bi. fixes pylônes

Magalhães2012

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par

rapport aux modèles, Mesures CSTB, FEUP, SITES

Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques

identifiées

• Flexion verticale

• Flexion transversale

(piles)

• 2 accéléro fixes (ref.)

• 2 accérélo déplacés

⇒ 28 pts sur tablier

Ambiante • Fréquences

• Déformées

modales

• 6 acc. bi. fixes tablier

• 3 acc. bi. fixes piles

• 3 acc. bi. fixes pylônes

Magalhães2012

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par

rapport aux modèles, Mesures CSTB, FEUP, SITES

Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques

identifiées

Flexion

verticale

• 13 acc. Tablier

• 8 acc. Pylones

Impulsion

entre P5 et P6

• Fréquences

• Amortissement

Torsion • 2 Paires d’acc. Impulsion Fréquence

Magalhães2012

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par

rapport aux modèles, Mesures CSTB, FEUP, SITES

Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques

identifiées

Flexion

verticale

• 13 acc. Tablier

• 8 acc. Pylones

Impulsion

entre P5 et P6

• Fréquences

• Amortissement

Torsion • 2 Paires d’acc. Impulsion Fréquence

Magalhães2012

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ANALYSE STRUCTURALE

Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle

➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par

rapport aux modèles – Mesure de la tension des haubans (SITES)

Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques

identifiées

Haubans 1acc Impulsion Fréquences

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Surveillance du comportement

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Objectif : Détecter un changement de comportement par une

modification des caractéristiques vibratoires

• Identification de comportement anormaux

• Vérification des mesures de renforcement

• Vérification de l’intégrité après un phénomène exceptionnel

• Diagnostic de l’endommagement

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Le PontToulouse

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Identification de comportement anormaux

➡ Comme l’Analyse structurale mais de façon continue ou

régulière

• Problème de la densité de capteurs

• Effets facteurs environnementaux

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Le PontToulouse

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Identification de comportement anormaux

➡ Comme l’Analyse structurale mais de façon continue ou

régulière

• Problème de la densité de capteurs

• Effets facteurs environnementaux

Peete

rs 2

00

1

Effet thermique 0,3%/°C possible sur les fréquences propres

Effet faible sur les modes, sauf modification du comportement

Mesure sur 6 mois essentielle

Pont Z24

Viaduc de Millau (Eiffage) Clement2018

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Vérification de mesures de renforcements

Vérification de l’intégrité après un phénomène exceptionnel

➡ Comparaison à un état de référence (mesure ou modèle) avec

prise en compte des effets thermiques si nécessaire

Pont-rail PK 075+317, Evaluation dynamique des ponts, SETRA, C.Cremona

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Le PontToulouse

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Diagnostic de l’endommagement (linéaires)

➡ Méthodes basées sur un modèle (MBM) : analyse inverse

➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des

variations des caractéristiques modales

Niveaux de Rytter (Rytter1996) :

1. Existence

2. Localisation

3. Quantification

4. Prédiction

MNBM

MBM

Alvandi2003

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Diagnostic de l’endommagement (linéaires)

➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des

variations des caractéristiques modales

• Fréquences : sensibles à la température, peu aux faibles endommagements

Alvandi2003

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Diagnostic de l’endommagement (linéaires)

➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des

variations des caractéristiques modales

• Fréquences : sensibles à la température, peu aux faibles endommagements

• Forme de modes (MAC, COMAC) : Beaucoup de capteurs nécessaires,

sensibilité locale sur les modes élevés

Alvandi2003

Alvandi2003

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Diagnostic de l’endommagement (linéaires)

➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des

variations des caractéristiques modales

• Fréquences : sensibles à la température, peu aux faibles endommagements

• Forme de modes (MAC, COMAC) : Beaucoup de capteurs nécessaires,

sensibilité locale sur les modes élevés

• Amortissement : difficile à estimer, très variable

Alvandi2003

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Le PontToulouse

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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT

Diagnostic de l’endommagement (linéaires)

➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des

variations des caractéristiques modales

• Fréquences : sensibles à la température, peu aux faibles endommagements

• Forme de modes (MAC, COMAC) : Beaucoup de capteurs nécessaires,

sensibilité locale sur les modes élevés

• Amortissement : difficile à estimer, très variable

➡ Indicateurs du second ordre :

Courbure des modes

Matrice de flexibilité

Energie de déformation

Alvandi2003

Alvandi2003

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Conclusion

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CONCLUSION

• L’évaluation dynamique ne propose pas de solutions clefs

en mains ➡ adaptation à chaque cas

• Expertise requise à chaque étape : définition de

l’instrumentation, enregistrement, analyse de mesures

• Outil précieux d’analyse structurale

• Outil complémentaire en surveillance du comportement

• Recherches toujours actives dans l’exploitation des mesures

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Le PontToulouse

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RÉFÉRENCES

(1) Evaluation dynamique des ponts

C.Cremona, LCPC

(2) Ambient and free vibration tests of the Millau Viaduct: Evaluation of alternative processing strategies

Filipe Magalhães et al., Engineering Structures,Volume 45, 2012

(3) From input-output to output-only modal identification of civil engineering structures.

Cunha, Á., & Caetano, E. (2005). In 1st International Operational Modal Analysis Conference (IOMAC)

(4) Vibration-based damage detection in civil engineering: excitation sources and temperature effects

Peeters, B., Maeck, J., & De Roeck, G. (2001), Smart materials and Structures, 10(3), 518.

(5) Vibrational based inspection of civil engineering structures

Rytter, A. (Doctoral dissertation, Dept. of Building Technology and Structural Engineering, Aalborg University), 1993.

(5) Contribution à l'utilisation pratique de l'évaluation dynamique pour la détection d'endommagements dans les ponts

Alvandi, A., 2003(6) Long-term monitoring of Millau Viaduct,

CLEMENT & al., Proceeding of IABSE symposium, Nantes, 2018

(7) Présentation P.Charles, P.Vion, Rencontre CTOA/DOA de CETE 2006