Brevet FR2681683A1 — publié le 19930326

DISPOSITIF DE MESURE DES VARIATIONS DE LONGUEUR D'UN ELENENT ALLONGE APPARTENANT A UN OWRAGE D'ART La présente invention a pour objet un dispositif de mesure des variations de longueur d'un élément allongé appartenant à un ouvrage d'art. Dans les bâtiments et les ouvrages de travaux publics sont utilisés de façon traditionnelle des éléments allongés appelés tirants destinés à réaliser la précontrainte interne ou externe des ouvrages auxquels ils appartiennent. De façon traditionnelle, les tirants sont réalisés en acier. I1 existe aujourd'hui de nouveaux éléments de renfort ou tirants réalisés en matériaux composites, tels que verre-polyester, présentant des avantages par rapport à l'acier, notamment en offrant une densité beaucoup plus faible, tout en ayant une limite d'élasticité très élevée. Une préoccupation importante des responsables de projets dans le domaine du bâtiment et des travaux publics, ainsi que des exploitants d'ouvrages d'art est de disposer d'un moyen permettant d'assurer un suivi permanent des contraintes imposées aux tirants dans ces ouvrages. Différentes solutions sont proposées, telles qu'une instrumentation des points de fixation des tirants avec des jauges de contraintes. I1 est également possible par des mesures de longueur, par exemple par des télémètres à laser, de mesurer des variations de distance entre des éléments de référence de l'ouvrage. Toutefois, ces solutions se révèlent coûteuses et difficiles à mettre en oeuvre et à généraliser du fait de leur spécificité à l'ouvrage d'art. I1 a été également imaginé d'assurer la mesure des contraintes à l'intérieur des tirants par incorporation de fibres optiques. Toutefois, la faible précision de ces mesures, leur manque de reproductibilité ainsi que le coût inadapté au plan économique pour des ouvrages d'art quasiment statiques. Le but de l'invention est de fournir un dispositif de mesure des variations de longueur d'un élément allongé, qui soit intégré à cet élément ou tirant, dont le principe et la réalisation soient simples, qui permette d'effectuer un contrôle permanent de la contrainte dans un ouvrage d'art de façon précise et peu onéreuse, sans nécessiter de maintenance. Ce but étant atteint, il est possible de généraliser la présence de ce dispositif de mesure dans les ouvrages d'art sans modification sensible de leur coût global. A cet effet, dans le dispositif qu'elle concerne, à l'élément est associé au moins un fil s'étendant sur la longueur de l'élément et solidaire de celui-ci, isolé électriquement de l'élément, et réalisé en un alliage métallique conducteur à faible coefficient de température ou à coefficient de température maîtrisé, les extrémités du fil dépassant du tirant étant équipées de moyens de connexion à un appareil de mesure de sa résistance ohmique. Les moyens selon l'invention mettent en oeuvre la caractéristique selon laquelle une variation de la longueur du fil conducteur se traduit par une modification de la résistance ohmique de celui-ci, suivant la relation. dans laquelle R = résistance e = résistivité L = longueur S = section KO = coefficient de température a = allongement = = variation La résistance ohmique étant proportionnelle (pour de très faible valeur de a) à l'allongement et l'allongement proportionnel à la charge, on peut directement traduire, par connaissance du module d'élasticité longitudinale E par la section S du tirant, une implication tel que La quasi proportionnalité étant obtenu d'après AR = (2AL + AL2).R en négligeant les termes du 2ème degré. L'erreur sur F étant Un circuit correcteur de mesure peut ramener cette erreur à 2 F Il est important que le fil conducteur soit isolé électriquement de l'élément allongé ou tirant auquel il est associé, afin que la variation de résistance mesurée ne soit pas influencée par l'état électrique du tirant. Le fil métallique conducteur peut être soit fixé à la surface de l'élément allongé auquel il est associé, soit noyé à l'intérieur de celui-ci. Ce dernier agencement est facilité lorsque l'élément allongé est constitué par un ensemble de fibres en matière synthétique verre ou carbone, liées entre elles par un élément homogène ou composite, enfermant le fil conducteur dans le sens longitudinal des fibres. Dans le cas où les fibres seraient conductrices de l'électricité, le fil conducteur subit à la fois un traitement pour assurer son adhérence à l'élément allongé, et un traitement d'isolation thermique par un revêtement isolant, tel qu'un vernis ou un traitement chimique par oxydation. Selon une forme d'exécution de ce dispositif, l'élément allongé est équpé de plusieurs fils conducteurs ou comprend plusieurs tirants équipés chacun de fils conducteurs qui sont reliés à l'une de leurs extrémités, tandis que leurs autres extrémités sont regroupées dans une prise multipoints destinée à être connectée à un appareil de mesure susceptible de traiter les informations sous forme matricielle, afin de déterminer la mesure de la charge absolue de l'élément, la répartition de cette charge par composant, et la variation dans le temps de la charge absolue, ainsi que sa répartition. Pour un fil métallique d'alliage cuivre nickel dans des proportions de 60/40 %, le coefficient de température KO est de l'ordre de 1.10-5 par OC sur la résistance ohmique de ce fil, alors que la représentation de la charge en résistance ohmique pour ce même fil est de l'ordre de 1.10-2. On obtient de ce fait une précision de l'ordre de 1.10-2 sur la charge par 10 C de variation de température. Dans bien des cas, cette précision est acceptable, mais pour certains ouvrages elle peut se révéler insuffisante notamment pour des ouvrages sensibles, (exemple mouvement de terrain de part et d'autre d'un pont) ou à haut niveau de sécurité (exemple : barrage, centrale nucléaire). Pour obtenir une plus grande précision dans la mesure de charge d'un élément de renfort comportant plusieurs tirants-capteurs, un tirant-capteur de référence pourra être inséré dans l'ensemble sans supporter toutefois la charge de l'ouvrage d'art. La résistance ohmique de ce tirant-capteur ne subissant plus que la variation de la température, il autorise une correction sur les autres tirants-capteurs soumis à charge. Dans la relation, si la charge est nulle, la variation de longueur due à celle-ci est également nulle. Réf seul KO influence Réf. Le rapport de résistance ohmique entre le tirantcapteur de référence et un autre tirant X s'établit comme suit RX FX' = FX.Ref FX' valeur corrigée de la variation de température. L'annulation de fait de la variation de la résistance à la température autorise une plage d'utilisation plus étendue pouvant englober toutes les conditions climatiques auxquelles les ouvrages d'art peuvent être soumis de - 700C à +1000C, par exemple avec une précision sur la variation de charge effective du renfort supérieure à lJ%. Des conditions industrielles plus extrêmes peuvent s'envisager avec des variations supérieures à 250"C. Il doit être noté que le fil métallique peut être utilisé tel quel ou peut subir un certain nombre d'opérations avant d'être inséré dans le tirant, notamment être soumis à un traitement thermique lui procurant un module d'élasticité supérieur ou égal à celui du tirant dans lequel il est destiné à être inclus, et un traitement de surface tel que sablage ou oxydation, afin de favoriser l'adhérence du fil à l'intérieur du tirant. Lors de la réalisation du tirant, si celui-ci est obtenu en matière composite, le fil métallique subit une tension analogue à celle des fibres, afin de produire un module homogène et éliminer les contraintes internes. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce dispositif: Figures 1 et 2 sont deux vues d'un brin de tirant formant capteur respectivement de côté et en coupe transversale à échelle agrandie Figures 3 et 4 sont deux vues similaires aux figures 1 et 2 respectivement, dans le cas d'un brin unique ; Figure 5 est une vue d'un tirant formant capteur soumis à une charge Figure 6 est une vue de détail d'un tirant formant capteur équipé de plusieurs brins Figure 7 est une vue très schématique de la liaison électrique entre les différents fils conducteurs ; Figure 8 est une vue similaire à figure 6 dans le cas d'un tirant-capteur comportant un brin libre de référence ;; Figure 9 est une vue schématique représentant la liaison électrique entre les différents fils conducteurs. La figure 1 représente un brin de tirant formant capteur désigné par la référence générale 2, et comprenant un fil métallique conducteur 3 à faible coefficient de température ou à coefficient de température maîtrisée, logé à l'intérieur du corps du brin 4 constitué par un matériau composite, comprenant par exemple des fibres liées entre elles par un élément homogène tel qu'une résine. Comme montré au dessin, les extrémités du fil conducteur 3 dépassent des extrémités du tirant 2. Les figures 3 et 4 représentent une vue similaire à celle de figures 1 et 2, dans le cas d'un brin unique 5 comportant un fil conducteur 6 disposé en double, et noyé à l'intérieur du corps d'un tirant 7, par exemple en matériau composite. Dans les deux cas, il est intéressant que le fil conducteur subisse un traitement thermique lui procurant un module d'élasticité élevé, au moins égal à celui du tirant, et par ailleurs, un traitement de surface, tel que sablage ou oxydation, favorisant son adhérence avec le tirant lors de la polymérisation de la matière constutive de celui-ci. La figure 5 représente très schématiquement un tirant-capteur 8, équipé à ses extrémités de deux attaches 9 à des points d'ancrage. Comme montré au dessin, ce tirantcapteur qui possède une longueur initiale L, est susceptible de subir une variation de longueur sous l'action d'une force F exercée sur les attaches 9 dans un sens d'écartement de celles-ci. Il est possible de mesurer la variation de longueur grâce à un appareil de mesure 10 de la résistance ohmique du ou des fils conducteurs inclus dans le tirant 8, en appliquant la formule indiquée précédemment. A cet effet, le ou les fils conducteurs inclus dans le tirant 8 sont rassemblés au niveau d'un connecteur disposé sur l'une des attaches 9, permettant le branchement de l'appareil de mesure grâce à une prise 12 que comporte celui-ci. La figure 6 est une vue de détail de la figure 5, montrant la réalisation d'un tirant 8 constitué à partir de plusieurs brins 2, tels qu'ils sont représentés de fa çon unitaire à la figure 1. Tous les brins 2 se comportent exactement de la même façon, et subissent la même contrainte, puisque leurs extrémités sont solidarisées par les attaches 9. Comme montré à la figure 7, les fils conducteurs 3 des différents brins 2 sont reliés à l'une de leurs extrémités par un fil 13, tandis qu'à leurs autres extrémités ils sont regroupés dans une prise multipoints 14 associée à un connecteur 15 destiné à recevoir la prise 12 de l'appareil de mesure 10. Il est ainsi possible, grâce à l'appareil de mesure de traiter les informations sous forme matricielle, afin de déterminer la mesure de la charge absolue de l'élément, la répartition de cette charge par composant de l'élément, et la variation dans le temps de la charge absolue et sa répartition. La figure 8 représente une variante d'exécution du dispositif représenté à la figure 6, dans laquelle les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références que précédemment. Dans ce cas, le tirant 16 comprend un certain nombre de brins 2 solidarisés aux attaches 9, ainsi qu'un brin 17 monté librement coulissant par rapport aux autres brins, afin de ne pas être soumis aux contraintes de l'ouvrage. Ce brin 17 est équipé de même que les autres brins, d'un fil conducteur 18. Le fil conducteur 18 est relié à l'une de ses extrémités à l'une des extrémités des brins conducteurs 3, tandis que les autres extrémités des fils conducteurs respectivement 3 et 18 sont regroupés dans une prise multipoints 19. Le brin 17 n'étant pas soumis aux contraintes mécaniques de l'ouvrage, la variation de sa longueur ne résulte que de la variation de température. Cette mesure permet d'introduire dans la mesure de résistance ohmique des autres brins un facteur correctif pour s'affranchir des variations de température. Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant un dispositif de mesure des variations de longueur d'un élément allongé dont la réalisation est simple, qui permet d'effectuer un contrôle permanent des contraintes à l'intérieur d'un élément allongé d'un ouvrage d'art, de façon fiable, précise et peu onéreuse. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure des variations de longueur d'un élément allongé appartenant à un ouvrage d'art, caractérisé en ce qu'à l'élément (8) est associé au moins un fil (3) s'étendant sur la longueur de l'élément et solidaire de celui-ci, isolé électriquement de l'élément, et réalisé en un alliage métallique conducteur à faible coefficient de température ou à coefficient de température maîtrisé, les extrémités du fil (3) dépassant du tirant étant équipées de moyens de connexion à un appareil de mesure de sa résistance ohmique. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil métallique (3, 6, 18) est noyé à l'intérieur de l'élément allongé (2, 5, 17). 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément allongé (2, 5) est constitué par un ensemble de fibres en matière synthétique verre ou carbone, liées entre elles pas un élement homogène ou composite, enfermant le fil conducteur (3, 6) dans le sens longitudinal des fibres. 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément allongé (8) est équipé de plusieurs fils conducteurs ou comprend plusieurs tirants (2) équipés chacun de fils conducteurs (3) qui sont reliés à l'une de leurs extrémités (13), tandis que leurs autres extrémités sont regroupées dans une prise multipoints (14) destinée à être connectée à un appareil de mesure (10) susceptible de traiter les informations sous forme matricielle, afin de déterminer la mesure de la charge absolue de l'élément, la répartition de cette charge par composant, et la variation dans le temps de la charge absolue, ainsi que sa répartition. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le cas d'un élement allongé (16) réalisé à partir de plusieurs tirants (2) équipés de fils conducteurs (3), l'un (17) des tirants est monté li brement coulissant par rapport aux autres afin de ne pas être soumis aux contraintes de l'ouvrage, l'appareil de mesure étant équipé pour corriger la variation de résistance ohmique des fils conducteurs associés aux différents tirants soumis à la charge, en tenant compte de la variation de résistance ohmique du fil de conducteur libre dont la résistance ne varie qu'en fonction de la température. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fil conducteur (3, 6, 18) est réalisé en alliage Cuivre-Nickel dans des proportions respectives de 60 %-40 %. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fil conducteur (3, 6, 18) est soumis, avant d'être assuré à l'élément allongé à équiper, à un traitement thermique augmentant son module d'élasticité et à un traitement de surface destiné à améliorer son adhérence avec l'élément.