Soutenance mémoire
Histoire des capteurs à corde vibrante
Le premier rapport de l’utilisation de capteurs à corde vibrante a été fait par l’ingénieur russe Davidenkoff en 1928 [34]. En 1931, le brevet du capteur à corde vibrante (Figure I.1), appelé aussi témoin sonore, a été déposé par André Coyne en France [35]. Les capteurs à corde vibrante ont été mis en pratique pour la première fois dans le barrage-voûte de la Bromme (1930-1932) construit sur la Truyère, avec 17 capteurs installés [36, 37]. Le premier grand programme de surveillance a été réalisé dans le barrage voûte de Marèges (1932-1935) construit sur la Haute Dordogne, avec 78 capteurs installés dans le corps de la voûte et 40 capteurs installés dans le renforcement des culées [38, 39]. Après les premiers essais réussis, de plus en plus de capteurs à corde vibrante ont été installés dans les barrages hydrauliques en France [40, 41], par exemple le barrage de Saint-Étienne-Cantalès (1940-1945) et le barrage de l’Aigle (1941-1945). Pendant une vingtaine d’années après l’invention de capteurs à corde vibrante, de nombreux essais sont effectués dans divers constructions telles que les ponts, les murs de quai, les conduites forcées en béton précontraint, les grands édifices et les tunnels [ 42, 43 , 44 , 45, 46 , 47 ]. Les résultats obtenus ont prouvé la faisabilité, la capacité et l’adaptabilité des capteurs à corde vibrante dans les conditions environnementales particulièrement difficiles du génie civil.
Les capteurs à corde vibrante ont été produits commercialement depuis la fin des années 1930 [48]. La première société Maihak a été fondée en Allemagne en 1936. Par la suite, André Coyne a créé en France en 1947 la société Télémac pour exploiter son brevet du témoin sonore. Après la seconde guerre mondiale, divers instruments à corde vibrante ont été développés par plusieurs fabricants incluant la société Geonor fondée en Norvège en 1958, la société Gage Technique fondée en Angleterre en 1960. Pendant les années 1960-1970, les technologies traditionnelles pour la surveillance des ouvrages d’art, telles que les cellules à contre-pression, les cellules Carlson et les extensomètres à résistance tendue, ont été progressivement remplacées par la technologie des cordes vibrantes en Chine, au Japon, aux États Unis et en Amérique du Sud. Les sociétés américaines telles que Irad Gage fondée en 1974 et Géokon fondée en 1979 ont apporté d’importantes contributions à la modernisation et l’expansion de la variété des capteurs à corde vibrante. À la fin des années 1970, l’utilisation et la fabrication commerciale des capteurs à corde vibrante se sont généralisés dans le monde entier. Après plusieurs décennies de développement, les capteurs à corde vibrante sont reconnus pour leur fiabilité et leur stabilité à long terme [49, 50, 51].
Applications des capteurs à corde vibrante
Les capteurs à corde vibrante conviennent à un grand nombre d’applications dans le domaine de la surveillance des ouvrages du génie civil. Les mesures fondamentales effectuées en utilisant les capteurs à corde vibrante peuvent être divisées en quatre groupes [52] :
♦ Déformation (force, contrainte, couple …)
♦ Déplacement
♦ Pression interstitielle
♦ Température
Extensomètre à corde vibrante
Les mesures des déformations des ouvrages du génie civil reposent sur l’utilisation d’extensomètre à corde vibrante. Dans un extensomètre à corde vibrante (Figure I.2), la corde vibrante est tendue entre deux ancrages fixés à la structure à surveiller. Lorsque la distance entre ces deux ancrages varie au cours du temps, suite à une déformation de la structure, la tension de la corde change, ce qui entraîne une variation de sa fréquence de résonance.
Il existe deux types d’installations pour les extensomètres à corde vibrante [53], soit enfoui, soit monté en surface. Dans les structures en béton armé ou précontraint, les extensomètres de type enfoui sont installés en soudant ou en ligaturant les deux ancrages dans une cage d’armature, comme le montre la Figure I.3a [54]. Dans les structures en béton non armé, les extensomètres de type monté en surface sont installés avant ou immédiatement après la mise en place du béton .
Capteur de déplacement à corde vibrante
Les capteurs de déplacement à corde vibrante servent à mesurer les mouvements tels que l’ouverture et la fermeture des fissures dans les ouvrages d’art. La Figure I.4 [56] montre un capteur de déplacement montéentre deux ancrages fixés à la structure à surveiller. L’une des extrémités de la corde vibrante est ancrée et l’autre est connectée en série avec un ressort et une tige coulissante. Lorsque la tige sort du corps du capteur suite à des déplacements le long des fissures, le ressort est allongé, ce qui entraîne une augmentation de la tension de la corde et par conséquent une variation mesurable de sa fréquence de résonance. Ce type de capteur est installé en cimentant, boulonnant ou collant les deux ancrages sur des côtés opposés de la fissure (Figure I.5 [57]).
Piézomètre à corde vibrante
Les piézomètres à corde vibrante permettent de mesurer les pressions interstitielles dans les sols et les roches. Ce type de capteur est communément utilisé pour la surveillance des ouvrages hydrauliques tels que les barrages, les excavations et les remblais. Dans un piézomètre à corde vibrante (Figure I.6 [58]), l’une des extrémités de la corde est ancrée et l’autre est attachée à un diaphragme en contact avec le fluide environnant. Une variation de pression provoque une déformation du diaphragme, modifiant ainsi la tension de la corde et sa fréquence de résonance. Les piézomètres à corde vibrante sont généralement installés de manière entièrement cimentée (Figure I.7 [56]). Cette méthode d’installation permet d’installer facilement de nombreux piézomètres pour mesurer les pressions interstitielles dans les sols de différents niveaux.
Capteur de température à corde vibrante
Les capteurs de température à corde vibrante sont utilisés pour surveiller l’évolution de la température pendant le durcissement du béton et les variations saisonnières de la température dans les ouvrages d’art. Ce type de capteur consiste essentiellement en une corde vibrante attachée à un corps en acier inoxydable, comme le montre la Figure I.8 [56]. Sous l’effet d’une variation de température, le corps se dilate ou se contracte à un taux différent de celui de la corde vibrante. Cela modifie la tension de la corde et donc sa fréquence de résonance. Ce type de capteur est généralement intégré à l’intérieur des autres types de capteurs à corde vibrante.
Développement des capteurs à corde vibrante
Les ouvrages d’art modernes ont des dimensions de plus en plus importantes, des géométries de plus en plus complexes et des durées de vie de plus en plus longues. Par conséquent, une surveillance dynamique et efficace à long terme est nécessaire. À ce propos, de nombreux efforts ont été entrepris au cours des dernières années pour développer les capteurs à corde vibrante. Les capteurs à corde vibrante traditionnels sont limités à des applications de mesure statiques. D’autres technologies telles que les jauges résistives peuvent permettre des mesures dynamiques mais ont des difficultés à offrir de bonnes performances à long terme [59]. Il est donc d’un grand intérêt d’améliorer les performances des capteurs à corde vibrante pour s’assurer qu’ils fournissent des informations dynamiques, robustes et stables à long terme sur l’état d’un ouvrage du génie civil. Les développements sont effectués selon trois aspects : modélisation, dispositif de lecture et mode de fonctionnement.
Développement de modélisation
La modélisation des capteurs à corde vibrante est un axe important de recherche. Un modèle électromécanique pour les capteurs à corde vibrante équipés d’une seule bobine a été élaboré en 1998 par A. A. H. Pádua [60]. Les circuits équivalents proposés dans cet article permettent d’interpréter le signal de sortie du capteur en fonction de ses paramètres mécaniques. Ensuite Liviu Viman [61, 62] a élaboré en 2010 deux modèles électriques pour les capteurs à corde vibrante équipés de deux bobines. Le premier modèle ne prend pas en compte l’induction mutuelle entre les bobines qui a un impact majeur sur le choix du mode d’excitation. Le deuxième modèle qui prend en compte l’induction mutuelle entre les bobines démontre que le couplage direct entre la bobine d’excitation et la bobine de mesure peut être équivalent à un circuit oscillant et peut modifier la réponse des capteurs.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I État de l’art
I.1 Surveillance de la santé des ouvrages d’art
I.2 Histoire des capteurs à corde vibrante
I.3 Applications des capteurs à corde vibrante
I.3.1 Extensomètre à corde vibrante
I.3.2 Capteur de déplacement à corde vibrante
I.3.3 Piézomètre à corde vibrante
I.3.4 Capteur de température à corde vibrante
I.4 Développement des capteurs à corde vibrante
I.4.1 Développement de modélisation
I.4.2 Développement de dispositif de lecture
I.4.3 Développement de mode de fonctionnement
Chapitre II Principe de fonctionnement
II.1 Fonctionnement en mode amorti
II.2 Fonctionnement en mode entretenu
II.3 Comparaison des modes de fonctionnement
II.3.1 Rapport signal sur bruit
II.3.2 Fatigue de la corde
II.3.3 Défaillance du capteur
II.3.4 Retour d’expérience
II.3.5 Conclusion
II.4 Électronique de lecture
II.4.1 Fonctionnement en mode amorti
II.4.2 Fonctionnement en mode entretenu forcé
II.4.3 Fonctionnement en mode auto – entretenu
II.4.4 Mesure de la résistance des bobines
II.4.5 Industrialisation du dispositif de lecture
Chapitre III Modélisation physique
III.1 Modélisation par schéma-bloc
III.2 Excitation de la corde
III.2.1 Force magnétique d’excitation
III.2.1.1 Méthode du tenseur de Maxwell
III.2.1.2 Force magnétique sur la corde
III.2.2 Relation fondamentale de la dynamique
III.2.2.1 Modèle simple : extrémités-pivotantes (corde sans raideur)
III.2.2.1.1 Équation du mouvement (modèle simple)
III.2.2.1.2 Fréquences de résonance (modèle simple)
III.2.2.1.3 Fonction de Green (modèle simple)
III.2.2.2 Modèle complexe : extrémités-encastrées (corde avec raideur)
III.2.2.2.1 Équation du mouvement (modèle complexe)
III.2.2.2.2 Fréquences de résonance (modèle complexe)
III.2.2.2.3 Fonction de Green (modèle complexe)
III.2.2.3 Influence de la raideur de la corde
III.2.2.4 Influence de la géométrie de la bobine d’excitation
III.2.3 Validation expérimentale du système d’excitation
III.2.3.1 Dispositif expérimental
III.2.3.2 Influence de l’excitation continue
III.2.3.3 Influence de l’excitation pulsée
III.2.3.4 Comparaison des modes d’excitation
III.3 Système de mesure
III.3.1 Modélisation du capteur
III.3.1.1 Couplages magnéto-mécaniques
III.3.1.2 Schémas électriques équivalents
III.3.2 Sensibilité du capteur
III.3.2.1 Étude de champ magnétique résiduel
III.3.2.2 Étude de force magnétique moyenne
III.3.2.3 Étude du couplage entre bobines
III.3.3 Validation expérimentale du système de mesure
III.3.3.1 Dispositif expérimental
III.3.3.2 Résultats de fréquence de résonance
III.3.3.3 Effet de force magnétique moyenne
III.3.3.4 Effet de couplage entre bobines
III.3.3.5 Analyse des résultats expérimentaux
Chapitre IV Effet de la foudre
IV.1 Phénomène de la foudre
IV.2 Type de foudroiement
IV.2.1 Foudroiement directs
IV.2.2 Foudroiement indirects
IV.3 Étude expérimentale de l’effet de la foudre
IV.3.1 Dispositif expérimental
IV.3.2 Effet de la décharge électrostatique sur un capteur fermé
IV.3.2.1 Bruit électromagnétique produit par une décharge électrostatique
IV.3.2.2 Effet de la décharge électrostatique en mode amorti
IV.3.2.3 Effet de la décharge électrostatique en mode entretenu
IV.3.2.4 Modification de la réponse du capteur fermé
IV.3.3 Effet de la décharge électrostatique sur un capteur ouvert
Conclusion et perspectives
Bibliographie
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