Brevet FR2695206A1 — publié le 19940304

PROCEDE POUR L'ETABLISSEMENT D'UN DIAGNOSTIC D'ETAT D'OUVRAGES D'ART ET APPAREILLAGE POUR SA MISE EN OEUVRE. La présente invention a trait à un procédé permettant la réalisation, de manière simple, efficace et rapide, de diagnostics d'états d'ouvrages d'art existants en béton, béton armé, maçonnerie, voire même en métal (fonte, acier) ; elle concerne également un appareillage permettant de mettre en oeuvre ledit procédé. Les structures d'ouvrages d'art en béton, béton armé, maçonnerie et, pour certaines d'entre elles, en fonte et en acier, se dégradent dans le temps. Une telle dégradation résulte notamment des actions physicochimiques de l'environnement qui provoquent des transformations et des déstabilisations des matériaux constituant de tels ouvrages. Par exemple, la maçonnerie d'une structure vieille d'un siècle, a subi une lixiviation de son liant sous l'action de circulation d'eau, notamment lorsqu'il s'agit de conduites ou encore, pour ce qui a trait aux nuisances plus récentes, celle résultant de l'épendage de solutions ioniques en vue de réaliser le déverglaçage, solution qui en contact du beton d'ouvrages d'art, entraîne la transformation non-adiabatique de certaines phases en d'autres phases.D'un autre côté, la modification de l'environnement de l'ouvrage peut créer des surcharges suppIémentaires qui font chuter le degré de sécurité initial de l'ouvrage. Ainsi, ces évolutions de l'état du matériau dont les caractéristiques mécaniques se trouvent diminuées, se traduisent par une perte de sécurité. Par suite, se pose le problème de pouvoir définir ce nouveau coefficient de sécurité en tenant compte des modifications de telle ou telle propriété de l'ouvrage. Pour parvenir à un tel résultat, l'utilisation d'un procédé, non destructif, souple à mettre en oeuvre, est nécessaire afin de recueillir des informations sur l'état de la structure et de son environnement (par exemple le sol environnant). Ces informations, une fois traitées en bureau d'études, permettent d'établir le comportement mécanique de la structure dans son environnement et d'en définir le coefficient de sécurité. A partir de ce coefficient de sécurité qui n'est pas forcément le même pour toutes les parties de la structure, le Maître d'Ouvrage peut donc décider des actions ultérieures à entreprendre, depuis une simple surveillance périodique jusqu'aux travaux de réhabilitation plus conséquents. A ce jour, le suivi de l'évolution de la sécurité des structures se fait dé manière plus ou moins empirique et phénoménologique par observations et relevés visuels de l'état de la structure. En fonction de l'importance des anomalies un diagnostic d'état est donné ainsi que les actions ultérieures à mener. Des auscultations non-destructives par différentes techniques faisant appel à la transmission ou à la réflexion d'ondes (géoradar, échographie ultrasonore, thermographie infrarouge, gammagraphie..), viennent compléter ces inspections visuelles. Elles apportent un complément d'informations sur l'aspect physique du matériau et de l'environnement, mais ne peuvent, en aucun cas, permettre d'établir un résultat en terme mécanique sur la réserve de sécurité de la structure.La seule solution permettant d'atteindre un tel objectif, est celle développée par le Demandeur et faisant l'objet du brevet européen no. 0392 937, et qui permet de donner un diagnostic d'état de la structure et de son coefficient de sécurité. Une telle solution présente certains inconvénients. En effet, elle n'est utilisable qu'uniquement dans les conduites enterrées et donne une information globale sur la structure et le sol environnant. De plus, pour les conduites d'un diamètre important, le système est très lourd à mettre en oeuvre et parfois même, il ne peut plus être utilisé. Ainsi, par exemple, le système ne permet pas le diagnostic des grands tunnels ou encore des galeries d'un métropolitain ni celui d'ouvrages d'art de grandes dimensions, tels que barrages, ouvrages routiers et autoroutiers... Or on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, un procédé simple et économique, qui permet de résoudre ces problèmes et qui ne nécessite pour sa mise en oeuvre, qu'un appareillage désigné par l'expression "générateur de choc", qui fait également partie de l'invention, de conception simple, particulièrement fiable et pouvant être utilisé indifféremment pour tous types d'ouvrages pouvant avoir de très grandes dimensions. Un tel procédé d'établissement de diagnostic d'état d'ouvrage sans destruction de ce dernier, fait appel à des mesures dynamiques et permet de réaliser une auscultation du mode de fonctionnement de n'importe quel type d'ouvrage, afin de récupérer des mesures qui, une fois traitées en bureau d'études, permettent de définir le niveau de sécurité de la structure. D'une manière générale, l'invention concerne donc un procédé permettant l'établissement d'un diagnostic d'état d'ouvrage existant, qui consiste, de manière connue, à: - recueillir des informations de manière visuelle sur le site, permettant non seulement de reconnaitre ce site, mais également de déterminer de manière globale l'état apparent de dégradation dudit ouvrage;; - effectuer une auscultation non-destructive permettant de juger de l'état dudit ouvrage, auscultation réalisée au moyen d'essais mécaniques, dynamiques, effectués de place en place le long de la structure de l'ouvrage, et elle se caractérise en ce que lesdits essais mécaniques, dynamiques, consistent à exercer contre la paroi de l'ouvrage un choc mécanique ou un mouvement entretenu par répétition de chocs à une fréquence donnée, provoquant une déformation élastique de la structure de l'ouvrage qui se traduit en termes de déplacements des différents points de la paroi et à mesurer l'accélération (a) du choc ainsi que les déplacements dynamiques (D) qui en résultent, afin de déterminer la rigidité (K) de l'ouvrage en interaction avec son environnement. La mesure de la rigidité en interaction avec son environnement, permet de réaliser un diagnostic de la totalité de la structure analysée par une prise de mesures en continu, compte tenu du fait que cette rigidité dépend des caractéristiques mécaniques, physiques et géométriques de l'élément de la structure (ouvrage) ainsi que de son état d'endommagement et des charges extérieures appliquées. En d'autres termes, le concept de l'invention est basé sur la transformation de l'énergie potentielle générée par un système extérieur (mouvement imposé, masse tombante, etc..) en une énergie de déformation de la structure inspectée. Comme dit précédemment, l'invention concerne également un appareillage permettant la mise en oeuvre du procédé précité, ledit appareillage se caractérisant en ce qu'il comprend: - un générateur de chocs contre la paroi de l'ouvrage à ausculter et permettant d'entraîner une vibration de cette dernière; - des moyens permettant de réaliser une mesure du déplacement dynamique et une évaluation de la force dynamique, et constitués essentiellement par des capteurs de déplacement disposés le long de l'élément de structure à analyser et par un accéléromètre fixé au niveau de l'impact; en fonction des ouvrages à ausculter, les capteurs et l'accéléromètre peuvent soit être disposés sur la face opposée de l'ouvrage à celle contre laquelle est exercé le choc soit, éventuellement, sur la même face que celle où est exercé ledit choc; - un pont de mesures permettant d'enregistrer les accélérations mesurées par l'accéléromètre ainsi que les déplacements mesurés par les capteurs. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, et qui est illustré par les schémas annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue générale montrant de manière schématique comment est réalisé le diagnostic d'un ouvrage conformément au procédé selon l'invention; - la figure 2 est une vue de détail montrant en coupe, un générateur de chocs particulièrement adapté pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Comme indiqué précédemment, le procédé conforme à l'invention permettant l'établissement d'un diagnostic d'état d'ouvrages d'art, se caractérise en ce que l'on réalise une auscultation non-destructive de l'ouvrage au moyen d'essais mécaniques effectués de place en place le long de ce dernier, lesdits essais consistant à exercer contre la paroi de l'ouvrage un choc mécanique ou un mouvement entretenu par répétition de chocs à une fréquence donnée, provoquant une déformation élastique de la structure de l'ouvrage et à mesurer l'accélération (a) du choc ainsi que les déplacements dynamiques (D) qui en résultent, afin de déterminer la rigidité (K) de l'ouvrage en interaction avec son environnement. Pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, on procède tout d'abord, avant réalisation d'un essai, à une analyse modale de la structure à ausculter. Une telle analyse a pour but de connaître les modes propres de vibration de l'ouvrage et, par conséquent, de définir la masse à appliquer lors de l'essai ainsi que les points de positionnement des capteurs contre la surface de l'ouvrage. Une telle analyse modale est réalisée en bureau d'études en modélisant la structure par éléments finis. L'essai, in situ, réalisé conformément à l'invention, permet de calculer la rigidité de l'élément de structure analysé (ouvrage) en interaction avec son environnement. A partir de la connaissance des matériaux (notamment propriétés mécaniques) et de leur loi de comportement, on réalise un calage du modèle numérique avec les résultats obtenus sur site, afin d'obtenir les valeurs des contraintes dans les parois de l'ouvrage (conduites par exemple). L'ensembles des mesures réalisées selon le procédé conforme à l'invention, permet de déterminer directement sur la structure de l'ouvrage les éléments suivants - l'accélération produite par le choc; - les déplacements imprécis en plusieurs points de la structure, - valeurs crêtes de ces déplacements, - fonction de déplacement: valeurs continues. De telles données sont obtenues par l'intermédiaire d'un appareillage comprenant: - un générateur de chocs, désigné par la référence générale (1) et dont une réalisation portable par un opérateur est illustrée plus en détail à la figure 2; - des capteurs, désignés par la référence générale (2) disposés contre la surface de l'ouvrage (O) à ausculter; - un pont de mesures (3) permettant d'enregistrer les informations données par les capteurs (2). Dans le mode de mise en oeuvre illustré aux figures 1 et 2, ces différents moyens (1,2,3) ont la structure suivante. Le générateur de chocs (1) est constitué essentiellement par un ensemble de type "canon" pouvant envoyer des masses, de façon répétitive, de différents calibres sur l'élément (O) à étudier. Un tel générateur de chocs illustré à la figure 2, est composé de: - un tube (4), en aluminium par exemple, dont la longueur et le diamètre peuvent être adaptés en fonction des ouvrages à ausculter, ledit tube (4) étant muni à son extrémité de cônes de sécurité (5); - une chambre à air (6), équipée d'un manomètre (7), pouvant être chargée à différentes pressions; l'ensemble est relié à des bouteilles d'air (10) par un conduit (8) sur lequel est disposé un robinet (9); - un obus cylindrique (11), en acier par exemple, et comportant un vide interne (12) permettant d'y adjoindre un lest si nécessaire; - un système de propulsion dudit obus (11) constitué d'un piston (13) muni de deux bagues (14,15) de répartition de charge et d'un ressort (16) interchangeable, de rigidité connue; - une gachette (17) et un percuteur (18) de déclenchement de l'obus (11); - d'une sangle (19) permettant de transporter le générateur de chocs en bandoullière. Bien entendu, le procédé selon l'invention pourrait être mis en oeuvre avec un autre type de générateur de chocs. L'ensemble de capteurs (2) comporte un accéléromètre piézoélectrique (20), fixé près de la zone d'impact, dans la forme de réalisation illustrée contre la paroi opposée de l'ouvrage (O) à celle sur laquelle le choc est exercé. Il comporte également des capteurs de déplacements (21), au nombre de six dans l'exemple illustré, disposés le long de l'élément de la structure (O) à analyser. Ces capteurs sont désolidarisés de l'élément de structure et permettent de mesurer le déplacement dynamique. Ces capteurs sont du type soit par contact au moyen de capteurs électroniques à induction, soit du type sans contact au moyen de capteurs optoélectroniques. Si nécessaire, ces capteurs sont montés sur des cannes telescopiques (22) de mesure. Ils permettent de mesurer ponctuellement les déplacements des points caractéristiques de l'ouvrage.Il est possible de placer autant de capteurs que nécessaire, afin de récupérer des déplacements dynamiques en différents points de l'élément de structure (ouvrage). L 'accéléromètre piézoélectrique (20) permet de mesurer l'accélération a proximité de l'impact du choc. L'accéléromètre peut être du type piézoélectrique, fonctionnant comme un capteur autogénérateur et produisant un signal de sortie électrique proportionnel à l'accélération, sans utilisation d'une source extérieure de courant ou de tension. Les informations fournies par l'accéléromètre (20) et les capteurs (21) sont transmises par l'intermédiaire de circuits appropriés à un pont de mesures (3) permettant d'enregistrer les accélérations (mesurées par l'accéléromètre (20)) ainsi que les déplacements (mesurés par les capteurs (21)). Grâce à un tel appareillage, il est donc possible de réaliser une mesure du déplacement dynamique à l'aide des capteurs (21) ainsi qu'une évaluation de la force dynamique (F), la relation connue entre les forces et déplacements permettant d'évaluer la rigidité de l'ouvrage ausculté. Bien entendu, les différentes masses peuvent être utilisées en fonction du niveau de réponse que l'on veut obtenir et en fonction du mode de vibration propre de l'élément de structure. Les différentes mesures conformes à l'invention sont obtenues en procédant de la manière suivante. 1/ Déterminer la position des capteurs (21) le long de l'élément de structure à analyser; 2/ Placer les capteurs (21) sur leur support (cannes en aluminium) selon les positions précédemment déterminées ; 3/ Relier les cables des capteurs (21) au pont de mesures (3); 4/ Fixer sur le support l'accéléromètre (20) soit en le collant (support lisse), soit en le vissant (support rugueux); 5/ Relier le câble de l'accéléromètre (20) au pont de mesures (3); 6/ Recharger le générateur de chocs (1):: * la chambre à air est vide * le ressort n'est pas comprimé * l'obus se positionne dans son logement * ouverture des bouteilles d'air et de la vanne * remplissage de la chambre à une pression déterminée entraînant la compression du ressort * l'obus est neutralisé par le percuteur * positionnement de l'embout du tube au point de tir choisi contre la paroi * libération de l'obus par une simple pression sur la gachette, * percussion de l'obus contre la paroi, celui-ci rebondit vers l'intérieur du tube, sa course étant ralentie par le ressort et bloquée par le percuteur * au même instant, l'air de la chambre s'échappe par des trous de décompression afin de libérer le piston * le cycle peut recommencer soit au même point soit en un autre point de la structure. Une telle manière de procéder permet d'obtenir un diagnostic structurel de tout ouvrage de génie civil, tels que notamment: - les ouvrages d'art routiers et autoroutiers en béton armé et béton précontraint, métalliques, mixtes, maçonnerie... (en fait en tous types de matériaux); - les réseaux d'assainissement de tous diamètres, visitables, en béton et en maçonnerie; - les réseaux d'aduction d'eau potable, visitables, en béton, béton armé, béton précontraint, âme tôle et fonte - les tunnels routiers et ferroviaires ; - les ouvrages d'art du génie civil nudéaire; - les grands barrages; - les grands bâtiments hyperstatiques. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour l'établissement d'un diagnostic d'état d'ouvrages d'art existant, qui consiste à: - recueillir des informations de manière visuelle sur le site, permettant non seulement de reconnaitre ce site, mais également de déterminer de manière globale l'état apparent de dégradation dudit ouvrage;; - effectuer l'auscultation non-destructive permettant de juger de l'état dudit ouvrage, auscultation réalisée au moyen d'essais mécaniques, dynamiques, effectués de place en place le long de la structure de l'ouvrage, caractérisée en ce que lesdits essais mécaniques, dynamiques, consistent à exercer contre la paroi de l'ouvrage (O) un choc mécanique ou un mouvement entretenu par répétition de chocs à une fréquence donnée, provoquant une déformation élastique de la structure de l'ouvrage (O) qui se traduit en termes de déplacements des différents points de la paroi et à mesurer l'accélération (a) du choc ainsi que le déplacement dynamique (D) qui en résulte, afin de déterminer Ia rigidité (K) de l'ouvrage en interaction avec son environnement. 2/ Appareillage permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - un générateur de chocs (1) contre la paroi de l'ouvrage (O) à ausculter et permettant d'entraîner une vibration de cette dernière; - des moyens (2) permettant de réaliser une mesure du déplacement dynamique et une évaluation de la force dynamique, et constitués essentiellement par des capteurs de déplacement (21) disposés le long de l'élément de structure (O) à analyser et par un accéléromètre (20) fixé au niveau de l'impact; - un pont de mesures (3) permettant d'enregistrer les accélérations mesurées par l'accéléromètre (20) ainsi que les déplacements mesurés par les capteurs (21). 3/ Appareillage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les capteurs (21) et l'accéléromètre (20) sont disposés soit sur la face opposée de l'ouvrage (O) contre laquelle est exercé le choc, soit sur la même face que celle où est exercé ledit choc. 4/ Appareillage selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le générateur de chocs (1) est constitué par un ensemble de type "canon" pouvant envoyer des masses (11) de façon répétitive, pouvant être de différents calibres, sur l'élément (O) à étudier. 5/ Appareillage selon la revendication 4, caractérisée en ce que le générateur de chocs (1) de type "canon" est portable et est composé de: - un tube (4), en aluminium par exemple, dont la longueur et le diamètre peuvent être adaptés en fonction des ouvrages à ausculter, ledit tube (4) étant muni à son extrémité de cônes de sécurité (5); - une chambre à air (6), équipée d'un manomètre (7), pouvant être chargée à différentes pressions ; l'ensemble est relié à des bouteilles d'air (10) par un conduit (8) sur lequel est disposé un robinet (9); - un obus cylindrique (il), en acier par exemple, et comportant un vide interne (12) permettant d'y adjoindre un lest si nécessaire; - un système de propulsion dudit obus (11) constitué d'un piston (13) muni de deux bagues (14,15) de répartition de charge et d'un ressort (16) interchangeable, de rigidité connue; - une gachette (17) et un percuteur (18) de déclenchement de l'obus (11) - d'une sangle (19) permettant de transporter le générateur de chos en bandoullière.