Brevet FR3059780A1 — publié le 20180608

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne la surveillance des structures du type ouvrages de génie civil (nucléaire, hydraulique, routier, etc.) ou encore éoliennes et en particulier celles comportant des armatures de renfort métalliques. ETAT DE LA TECHNIQUE L'usage d'armatures métalliques est très courant dans les ouvrages de génie civil. Par exemple, on utilise des câbles métalliques sous contraintes pour améliorer les propriétés mécaniques de certains ouvrages en béton. Un autre exemple consiste à placer des bandes métalliques ou treillis métalliques dans des ouvrages de type sol renforcé. Encore un autre exemple consiste à placer dans une gaine (précontrainte) des câbles en acier injecté dans certain cas au coulis de ciment ou à la cire pétrolifère pour maintenir ou contraindre une structure ou un bâtiment. Encore un autre exemple consiste à utiliser des tirants d'ancrage métalliques pour maintenir ou contraindre une structure ou un bâtiment. Les armatures métalliques en acier présentent de très bonnes propriétés mécaniques mais ont pour inconvénient d'être soumises aux attaques de la corrosion. Il est connu de protéger de telles armatures métalliques en acier par une galvanisation, par une métallisation, par une protection cathodique ou par une autre méthode de passivation ou de gainage. Cependant, il apparaît nécessaire de surveiller, au cours du temps, l'état de santé de telles armatures métalliques, notamment pour les ouvrages dont la durée d'utilisation peut dépasser plusieurs dizaines d'années. Il est préférable de pouvoir procéder à une telle surveillance de manière non intrusive, c'est-à-dire sans intervenir directement dans le corps de l'ouvrage. Il existe donc un besoin d'améliorer les solutions non intrusives connues pour surveiller l'état de santé des armatures métalliques et pouvoir 3059780 2 détecter un défaut structurel éventuel lié à la corrosion et/ou au vieillissement par exemple PRESENTATION DE L'INVENTION 5 L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, l'invention propose un procédé pour surveiller un ouvrage de génie civil comprenant au moins une première armature métallique contribuant à la tenue mécanique dudit ouvrage, et un câble électrique constitué d'au moins une paire de conducteurs électriques ayant une 10 première extrémité électriquement accessible, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) mesure du coefficient de réflexion en impédance du câble électrique en fonction de la fréquence ; b) traitement des coefficients de réflexions Sll récupérés pour en 15 déduire l'impédance caractéristique Zc du câble électrique en fonction de la distance ; c) comparaison de l'impédance caractéristique avec une impédance de référence ZO correspondant à un état de référence du câble électrique de manière à en déduire une variation d'impédance AZ le long du câble 20 électrique fonction d'une grandeur physique caractéristique du câble. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible. La grandeur physique caractéristique du câble est une déformation Ez 25 longitudinale du câble électrique, la variation d'impédance AZ étant définie par AZ = CE x Ez avec CE la sensibilité à la déformation du câble électrique qui dépend, de préférence, des caractéristiques géométriques et des matériaux du câble électrique. 3059780 3 La grandeur physique caractéristique du câble électrique est une variation de température fonction du coefficient de sensibilité à la température ou une pression radiale, la variation d'impédance AZ étant définie par AZ = Ct x At avec Ct la sensibilité à la température et At la 5 variation de température. Le procédé comprend une étape de détermination d'une impédance de référence du câble électrique, ledit câble électrique, dans cet état de référence, étant pris isolément et indépendamment de l'ouvrage de génie civil à surveiller. 10 La détermination de l'impédance de référence comprend les étapes a), b), c), l'étape c) de traitement permettant d'obtenir ladite impédance de référence ZO. La mesure du coefficient de réflexion est mise en oeuvre au moyen d'un analyseur de réseau. 15 L'invention concerne également un système de surveillance d'un ouvrage de génie civil, l'ouvrage comprenant au moins une première armature métallique contribuant à la tenue mécanique dudit ouvrage, et un câble électrique constitué d'au moins une paire de conducteurs électriques ayant une première extrémité électriquement accessible, le système 20 comprenant une unité de traitement configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon l'invention. L'invention permet de réaliser une mesure distribuée de la déformation le long d'un conducteur électrique introduit dans l'ouvrage avant injection du coulis de ciment. 25 Ainsi, une rupture d'armature(s) engendre une déformation anormale du coulis au voisinage immédiat de la rupture qui est mesurée par l'invention. 3059780 4 La solution de l'invention est économique puisqu'elle nécessite une instrumentation au moins 10 à 20 fois moins chère que d'autres solutions existantes reposant sur la mesure de déformation par fibre optique. Elle est également compétitive sur les projets neufs puisque cette 5 solution permet d'éviter une inflation de l'instrumentation classique reposant sur des mesures de déformation ponctuelle (témoin sonore) qui par ailleurs ne fournit pas une réponse satisfaisante, tout en améliorant l'information en détection et localisation des ruptures. lo PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un ouvrage d'art surveiller selon l'invention ; 15 - la figure 2 illustre des étapes d'un procédé de surveillance selon l'invention ; - la figure 3 illustre une vue générale d'un câble coaxial ; - la figure 4 illustre une vue en coupe d'un câble coaxial ; - les figures 5a et 5b illustrent le coefficient de réflexion en fonction de 20 la fréquence (module et phase) ; - la figure 6 illustre l'impédance caractéristique en fonction de la position dans l'état de référence et l'état déformé ; - la figure 7 illustre la variation d'impédance caractéristique entre l'état de référence et l'état déformé ; 25 - la figure 8 illustre la variation d'impédance caractéristique entre un état sollicité en température et éventuellement en déformation et un état de référence. Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques. 3059780 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Système et procédé de mesure La figure 1 illustre un ouvrage de génie civil 10 renforcé par au moins une 5 armature 1 métallique telle que connue. Ce type d'ouvrage de génie civil peut être un ouvrage en béton armé avec ou sans précontrainte pour des applications dans les domaines nucléaire, hydraulique, ouvrage d'art (pont, viaduc), une fondation d'éolienne ou bien en géomatériau pour des applications concernant les sols, io les digues. Les armatures 1 sont classiquement protégées de la corrosion en fonction de l'application et de la réalisation : acier galvanisé pour les armatures de terre armée, coulis de ciment et/ou cire pétrolifère pour la précontrainte. 15 Pour s'assurer du bon état des armatures 1 dans l'ouvrage, on procède à une surveillance de l'ouvrage selon un procédé ci-dessous décrit en relation avec la figure 2 et mis en oeuvre par une unité de traitement telle qu'un processeur (non représenté). A nouveau en relation avec la figure 1, outre les armatures 1, 20 l'ouvrage comprend un câble électrique 2 constitué d'au moins deux éléments conducteurs, le câble ayant une première extrémité 20 et une seconde extrémité 20'. Ce câble électrique 2 a été introduit dans l'ouvrage à des fins de surveillance de ce dernier et est noyé dans le coulis de ciment de l'ouvrage 25 typiquement dans le cas de la précontrainte. Le câble électrique 2 est constitué d'au moins deux conducteurs électriques est par exemple un câble coaxial ou une paire torsadée. Certaines caractéristiques du câble électrique 2 sont connus (matériau, diamètre, etc.). 3059780 6 Afin de surveiller l'ouvrage, on procède à la mesure MES du coefficient de réflexion en impédance S11 du câble électrique 2 Une telle mesure est mise en oeuvre au moyen d'un analyseur 3 de réseau (en anglais, « Vector Network Analyser», (VNA)) en liaison avec 5 l'unité de traitement. A partir de cette mesure, on obtient, par traitement numérique du signal, la distribution de l'impédance caractéristique du câble électrique2 en fonction du temps. Connaissant l'impédance caractéristique et la structure du câble 10 électrique, il est possible d'estimer la vitesse, dans le câble électrique, des ondes électriques ou de la supposer connues et donc d'exprimer la distribution d'impédance caractéristique du câble électrique 2 en fonction de la distance. Le traitement TRAIT numérique du signal consiste à : 15 - extrapoler la réponse fréquentielle du câble électrique à une fréquence nulle afin de constituer le signal S11*, - appliquer un filtre passe bas (Fi/trePB(f)) anti-repliement au signal S11* à l'aide d'un filtre passe bas de type Nanning, Hamming, Kaiser-Bessel, Flap-Top, etc, 20 - calculer la transformée de Fourier inverse du signal S11* filtré en considérant le caractère causal et réel de la solution, c'est-à-dire qu'il ne peut y avoir de signal que pour des temps supérieur ou égale à 0 et que la solution est réelle ; on obtient donc la réponse impulsionnelle du câble électrique: h(t) = TF-1(S11*(f) x FiltrePB(f)) 25 - intégrer la réponse impulsionnelle, pour obtenir la réponse à un échelon : t u(t) = fh(i)dio 3059780 7 - appliquer une conversion affine à u(t) pour transformer la réponse à un échelon en impédance : Z,(t) = - 7 vNA i+u(t) -1-u(t) avec ZVNA l'impédance interne du VNA (en général 5052). L'intérêt de mesurer le coefficient de réflexion en fréquence est que le 5 rapport signal à bruit de la mesure est meilleur qu'en temporel (mesure de la réflexion d'une impulsion électrique en temporel puis transformation de Fourier des mesures). Ensuite, on compare COMP l'impédance caractéristique avec une impédance de référence ZO correspondant à un état de référence du câble 10 électrique de manière à en déduire une variation d'impédance AZ le long du câble électrique, fonction d'une grandeur physique caractéristique du câble. L'état de référence du câble électrique est pris dans un contexte d'état de sollicitation initial de la structure à surveiller par exemple en température et/ou en déformation. La mesure se faisant par rapport à cet état initial pris 15 pour référence. Une grandeur physique est par exemple une déformation Ez longitudinale du câble électrique, la variation d'impédance AZ étant définie par AZ = CE x Ez avec CE la sensibilité à la déformation du câble électrique. Une autre grandeur physique est par exemple la température. Dans ce 20 cas, la variation d'impédance AZ est définie par AZ = Ct x At avec Ct la sensibilité à la température et At la variation de température. Sensibilité à la déformation d'un câble coaxial De préférence, le câble électrique est un câble coaxial. De manière connue et tel que cela est illustré sur la figure 3 (et en coupe sur la figure 25 4), un tel câble est constitué d'une gaine de protection 24, d'une tresse métallique 23, d'un diélectrique 22 séparant la tresse de l'âme métallique 21. L'impédance caractéristique Zc, du câble coaxial et la vitesse de propagation v d'un signal électrique dépendent de la géométrie de la section du câble et de la permittivité électrique Er du matériau diélectrique : 3059780 8 Zc = ," et vc = 1/-\/W avec L (H /m) et C (F /m) respectivement l'inductance et la capacité linéiques du câble coaxial, où L = l'.cr Inn et C = 2n-E0Eilin(U). 2/r d On obtient alors : In 12 , 5 Zr = (d) \11-r = Z0/-'/Fr et v = c/-'/Fr où c représente la vitesse c. - 2/r sosr d'une onde électromagnétique dans le vide. Pour un câble coaxial classique RG58 : - l'impédance caractéristique vaut Zc, = 50 f - la vitesse vaut vc = c x 0,66. 10 Lorsqu'on applique une contrainte au câble coaxial, qu'elle soit mécanique ou thermique, la géométrie de la section du câble et/ou la permittivité électrique du matériau diélectrique sont modifiées entrainant une variation d'impédance et/ou de vitesse caractéristique. Dans le cas d'une déformation longitudinale Ez du câble coaxial, seule 15 la géométrie de la section du câble coaxial varie par effet poisson entrainant une variation d'impédance caractéristique de AZ ; la vitesse reste inchangée. Un calcul de résistance des matériaux (RdM) donne le bon ordre de grandeur de la sensibilité à la déformation du câble coaxial CE, telle que la variation d'impédance s'écrive AZ = CE x Ez. 20 En considérant les sections et les propriétés mécaniques (module d'Young et coefficient de poisson) de chaque matériau constituant le câble coaxial, nous pouvons calculer le module d'Young effectif du câble coaxial : 1 1 Ee rr = 3, 1 total 1 1 + S9 E9 + SdEd Sa Ea avec la surface totale de la section du câble Stotai = 7114q, la surface de gaine Sg = 711 4 (c1'2q - 4, la surface du diélectrique SI = 774(4 - 4) et la 25 surface de l'âme centrale Sa = 7744, où E9, Ed, Ea sont les modules 3059780 9 d'Young respectivement de la gaine, du diélectrique et de l'âme et où dg, dt, dd, da sont les diamètres extérieurs respectivement de la gaine, de la tresse, du diélectrique et de l'âme. On considère ici que la raideur de la tresse est négligeable devant celles des autres matériaux. 5 La déformation longitudinale du câble coaxial est donnée par Ez = 6z/ Eeff avec a la contrainte mécanique appliquée sur la section du câble coaxial. Par effet poisson, la déformation longitudinale Ez entraîne une déformation radiale de la section du câble coaxial notamment du matériau diélectrique Erd = cid/Ed X va et de l'âme E' = 6a/Ea x va. Cette variation 10 des diamètres se répercute alors sur l'impédance caractéristique du câble coaxial. On montre que cette variation d'impédance s'écrit alors : AZ = - 2 EOEr da (1 - Era) da [ter [ln (cid (1 - erd)) (cil n- In - 1 Ainsi, la sensibilité à la déformation du câble coaxial CE = AZ/Ez. La sensibilité à la déformation du câble dépend des caractéristiques géométriques des câbles et la nature des matériaux utilisés. Pour un câble 15 coaxial RG58, on a les propriétés suivantes : - la gaine est réalisée en PVC (E9 = 300 MPa ; vg = 0,4 ; dg = 4,95 mm) - la tresse est réalisée en cuivre (dt = 3,45 mm) - le diélectrique est réalisée en polyéthylène (Ed = 800 MPa ; va = 0,4 ; 20 da = 2,95 mm ; Er = 2,35) - l'âme est constituée de 19 brins de cuivre de diamètre 0,18 mm soit un diamètre constitué d'environ 6 brins (Ea = 128 GPa ; va = 0,3 ; da = 1,08 mm) Pour un tel câble, on trouve numériquement une sensibilité à la 25 déformation CE = -5,8 x 10-6 S//(µm/m). Sensibilité à la température d'un câble coaxial 3059780 10 En première approximation, la sensibilité à la température d'un câble coaxial provient de la dilatation des composants dans un plan de section du câble (figure 4). Sous l'effet de la chaleur, la gaine (tresse), le diélectrique et l'âme centrale se dilatent. Considérant que la tresse n'a pas de rigidité, la 5 variation d'impédance peut s'exprimer en première approximation : AZ = - 2n- [ter ci [In (i (1 + aTAT)) -In (clAd)1 E0 Er da 14.a 1 Avec aT le coefficient de dilatation linéaire du diélectrique (pour le polyéthylèneaT = 2 x 10-4 K-1) Pour un tel câble, on trouve numériquement une sensibilité à la température CT = +8 x 10-3 f1/K. 10 Sous l'effet de la chaleur, les propriétés des matériaux constituant le câble électrique peuvent être modifiées ce qui contribuera à une variation d'impédance. Cette dépendance des propriétés matériaux à la température est mal connue mais pourra être estimée par un étalonnage en laboratoire. De manière générale, les coefficients de sensibilité à la déformation, à la 15 température ou à toute autre grandeur d'intérêt pourront être estimés par étalonnage en laboratoire. Expérimentation On a testé un câble coaxial pour vérifier la faisabilité de la mesure distribuée de déformation. 20 On a mesuré le coefficient de réflexion en impédance S11 d'un câble coaxial RG58 connecté à un analyseur de réseau (VNA Anritsu MS2026C). La mesure est réalisée dans une bande de fréquence située entre 2 MHz et 4 GHz par pas de 1 MHz. Le câble coaxial, d'une longueur d'environ 8 m, est attaché à une 25 distance d'environ 5 m comptée à partir de l'extrémité du câble. Dans l'état de référence, une pré-charge est appliquée au câble grâce à une masse de 185 g suspendue 1 m plus loin que le point d'attache. Une mesure du 3059780 11 coefficient de réflexion 511 est enregistrée dans cet état de référence : état 0. L'état déformé est réalisé en ajoutant, à la pré-charge, une masse de 740 g puis une mesure de 511 est enregistrée : état 1 (voir les figures 5a et 5b). 5 Les mesures du coefficient de réflexion 511 sont alors traitées selon notamment l'algorithme TRAIT pour déduire des mesures brutes, l'impédance caractéristique du câble coaxial en fonction de la position (voir figure 6). Tout autre algorithme pourrait être utilisé pour effectuer cette étape d'inversion. L'extrémité du câble située à environ 8 m est clairement 10 observable sur la figure 6 correspondant à une impédance qui tend vers l'infini en théorie (impédance de l'extrémité du câble « open »). Après soustraction des impédances caractéristiques mesurées dans les états déformé et de référence, nous obtenons la variation d'impédance caractéristique répartie le long du câble coaxial (voir la figure 7). 15 Sur la figure 7, la zone en tension du câble coaxial apparait clairement entre les abscisses 5,2 m et 6,2 m. Sur cette zone, l'amplitude de variation d'impédance est en moyenne de l'ordre de -0,0225 S2. En reprenant les calculs théoriques présentés ci-dessus dans le cas d'une masse suspendue de 740 g, on obtient que la variation d'impédance 20 théorique est égale à -0,0232 S2 ce qui est en bon accord avec la mesure expérimentale, compte tenu des incertitudes sur les valeurs des propriétés mécaniques du câble coaxial et des incertitudes de mesures. On a ainsi montré la faisabilité de la méthode à réaliser une mesure distribuée de déformation le long d'un câble coaxial. 25 Sur le même principe, il est possible de faire une mesure distribuée de la température le long du câble coaxial. Comme dans l'exemple précédent, l'algorithme de traitement permet d'une part de transformer la mesure en fréquence en distribution d'impédance en fonction du temps ou de l'espace puis en calculant la différence d'impédance entre un état quelconque et un 3059 780 12 état de référence de mesurer l'évolution d'impédance le long du câble. Cette première partie est commune aux différentes applications. En fonction de l'application, un second traitement va traduire la différence d'impédance en variation de grandeur physique (température, déformation, etc.) grâce à un 5 modèle d'interprétation de la mesure. Cela dépend donc de ce qui est recherché. La figure 8 montre une faisabilité d'une mesure distribuée de température imposée autour de l'abscisse 2,2 m le long d'un câble tout en continuant à mesurer la déformation. Notons au passage la linéarité de la 10 mesure de déformation imposée grâce à des masses suspendues de 3070 g et 7020 g entre l'abscisse 5,2 m et 6,2 m. Le coefficient de sensibilité à la température est estimé expérimentalement à +0,013 S2/°C. Compte tenu de l'essai de faisabilité, l'estimation du coefficient de sensibilité à la température est du bon ordre de grandeur de la valeur théorique (0,008 S2/°C). 15 L'estimation plus précise des coefficients de sensibilité peut se faire par étalonnage. REVENDICATIONS1. Procédé pour surveiller un ouvrage de génie civil (10) comprenant au moins une première armature (1) métallique contribuant à la tenue mécanique dudit ouvrage, et un câble électrique (2) constitué d'au moins une paire de conducteurs électriques ayant une première extrémité (21) électriquement accessible, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) mesure (MES) du coefficient de réflexion en impédance (S11) du io câble électrique en fonction de la fréquence ; b) traitement (TRAIT) des coefficients de réflexions S11 récupérés pour en déduire l'impédance caractéristique Zc du câble électrique en fonction de la distance ; c) comparaison (COMP) de l'impédance caractéristique avec une 15 impédance de référence ZO correspondant à un état de référence du câble électrique de manière à en déduire une variation d'impédance AZ le long du câble électrique fonction d'une grandeur physique caractéristique du câble. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la grandeur physique 20 caractéristique du câble est une déformation Ez longitudinale du câble électrique, la variation d'impédance AZ étant définie par AZ = CE x Ez avec CE la sensibilité à la déformation du câble électrique qui dépend, de préférence, des caractéristiques géométriques et des matériaux du câble électrique (2). 25 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la grandeur physique caractéristique du câble électrique est une variation de température fonction du coefficient de sensibilité à la température ou une pression radiale, la variation d'impédance AZ étant définie par AZ = Ct x At avec Ct la sensibilité à la température et At la variation de température. 3059780 14 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une étape de détermination d'une impédance de référence du câble électrique (2), ledit câble électrique, dans cet état de référence, étant pris isolément et 5 indépendamment de l'ouvrage de génie civil (10) à surveiller. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la détermination de l'impédance de référence comprend les étapes a), b), c), l'étape c) de traitement (TRAIT) permettant d'obtenir ladite impédance de référence ZO. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la mesure du coefficient de réflexion est mise en oeuvre au moyen d'un analyseur (3) de réseau. 7. Système de surveillance d'un ouvrage de génie civil (10), l'ouvrage comprenant au moins une première armature (1) métallique contribuant à la tenue mécanique dudit ouvrage, et un câble électrique (2) constitué d'au moins une paire de conducteurs électriques ayant une première extrémité (21) électriquement accessible, le système comprenant une unité de traitement configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 6.