Soutenance mémoire
Face à des contraintes économiques croissantes et dans un souci de gestion durable des infrastructures, les Maîtres d’Ouvrage souhaitent maintenir en service leur parc sur des périodes de plus en plus étendues. Pour assurer la fonctionnalité des structures de génie civil en toute sûreté, dans un contexte environnemental et réglementaire évolutif, le développement de méthodes de surveillance, à des fins de diagnostic de l’état de santé des structures, devient un enjeu majeur.
Après plus de 20 ans d’existence, les capteurs à fibre optique, dédiés à l’auscultation d’ouvrages, peinent encore à supplanter les capteurs traditionnels dont certains sont utilisés de manière opérationnelle depuis les années 1930. En effet, les utilisateurs finaux sont d’autant plus réticents et exigeants vis-à-vis d’une nouvelle technologie que les capteurs traditionnels donnent satisfaction, tout du moins en termes de performances et de durée de fonctionnement. Seule la mise en avant de fonctionnalités supplémentaires permet à de nouvelles technologies de s’imposer. C’est par exemple le cas pour des ouvrages soumis à des perturbations électromagnétiques (orage, matériel électrique) où le fonctionnement de l’électronique des capteurs traditionnels se trouve perturbé, contrairement à celui des capteurs à fibre optique qui reste intègre.
Parmi les différents types de capteurs à fibre optique existants, certains systèmes de mesure, dits répartis, permettent d’obtenir des profils de température ou de déformation le long d’une fibre optique, avec un pas de mesure métrique, voire centimétrique, sur des étendues kilométriques, voire multi-kilométriques. Cette fonctionnalité, que n’offrent pas les capteurs traditionnels, permet de réduire, drastiquement, le câblage de l’instrumentation et d’augmenter de façon concomitante le nombre de points de mesure sur l’ouvrage. Ces considérations sont d’autant pertinentes dans un contexte d’auscultation des ouvrages de génie civil, que ces derniers possèdent le plus souvent de grandes surfaces ou de grands linéaires. Ainsi, le positionnement de l’instrumentation ne nécessite pas de présager précisément du lieu de défaillance de la structure. Cette technologie a percé industriellement pour les mesures de température dans le cadre de la détection d’incendie à la fin des années 1990, et son domaine d’application s’est étendu à la surveillance de différentes types de matériels et de structures : câbles électriques enterrés, chemins de câbles, puits pétroliers, digues, réservoirs de gaz naturel liquéfié… Concernant les mesures de déformation, la technologie basée sur les systèmes de mesures réparties par fibres optique est moins mature, et nécessite encore une réelle démonstration de performances pour être en mesure de s’imposer industriellement. Cependant, le travail de fond à mener ne peut reposer uniquement sur les fournisseurs d’équipements, mais doit aussi être guidé, voire directement conduit par les utilisateurs finaux. Cette nécessaire implication est renforcée dans le domaine nucléaire par la réglementation qui lui impose de maîtriser les systèmes implémentés sur les ouvrages.
Généralités
Notions de mécanique des matériaux
L’étude du comportement mécanique des matériaux a pour objectif de connaître leur réponse à une sollicitation donnée, dans le but final de modéliser ce comportement pour des études de dimensionnement. Les variables mises en jeu dans ce domaine sont les contraintes et les déformations [1]. Le comportement élastique pour lequel la relation entre contrainte et déformation est linéaire, est le plus utilisé dans les calculs de mécanique des milieux continus réalisés dans l’industrie, même si d’autres types de comportement sont de plus en plus introduits car ils s’approchent plus de la réalité, et permettent donc un dimensionnement moins conservatif des structures. Le dimensionnement de la structure, outre le choix des matériaux, intègre l’optimisation des géométries, le respect des points de fonctionnement, en vue de l’adapter aux sollicitations qu’elle subira. La connaissance du comportement des matériaux permet de mieux appréhender les efforts qui seront mis en jeu, ainsi que les défauts susceptibles d’être créés.
Les lois de comportement des matériaux sont déterminées à partir d’essais sur des échantillons. La taille des échantillons doit être adaptée pour qu’ils soient représentatifs d’une structure homogène, afin de satisfaire aux hypothèses des milieux continus. Le volume représentatif du matériau est déterminé en considérant une dizaine de fois la taille des hétérogénéités du matériau.
Les conditions d’essais, comme la vitesse de déformation du matériau, sa température, la direction et le sens de la sollicitation, déterminent le domaine de validité de la loi de comportement obtenue. Ainsi, il faut veiller à utiliser des conditions aussi proches que possible de celles correspondant aux sollicitations subies par le matériau lors de son utilisation. Dans le cadre d’essais uni-axiaux, les essais sont de type traction-compression, torsion, ou flexion. La traction compression est l’essai le plus couramment utilisé. Les déformations sont limitées par la rupture du matériau (en traction et compression) et par le flambage de l’éprouvette en compression. La flexion est un essai plus complexe qui allie les deux sollicitations précédentes ainsi que du cisaillement. La flexion quatre points permet de solliciter le matériau avec un moment constant entre les deux points d’application de la charge. Enfin, on distingue, d’une part, les essais monotones où la direction de sollicitations reste inchangée pendant l’essai, avec tout de même des relaxations possibles, et d’autre part, les essais cycliques où les directions de sollicitations sont alternées, pour tester le comportement du matériau en fatigue. Dans les deux cas, il est possible d’appliquer une précharge au début de l’essai.
Introduction sur le comportement aux interfaces
Un produit, quel qu’il soit, est rarement composé d’un seul matériau, mais correspond le plus souvent à un assemblage de plusieurs matériaux. Les propriétés mécaniques du produit dépendent donc, non seulement des propriétés des matériaux, mais également de celles des interfaces entre les matériaux. Dans un premier temps, nous avons voulu définir des notions générales souvent utilisées comme l’adhérence ou l’adhésion entre deux matériaux. Puis, nous introduisons l’essai d’arrachement dit « pull-out » souvent mis en œuvre pour caractériser le comportement mécanique d’une interface.
Généralités
Comme défini dans [2], l’adhérence est l’état d’un élément qui tient à un autre. Elle peut être mesurée par un essai mécanique et manifeste la difficulté de séparer deux corps. La force d’adhérence mesure la force nécessaire à la rupture de l’assemblage. L’adhésion est un phénomène qui crée l’adhérence dont les explications sont apportées par des considérations physico-chimiques, comme les phénomènes d’attraction entre deux corps. Enfin, l’adhésivité est l’aptitude d’un matériau ou d’un produit à créer l’adhérence.
Si un corps A est mis en contact avec un corps B, le lien de rencontre est le joint. Le collage a pour but d’assurer une liaison intime entre les adhérents, qui sont en général solides, par l’intermédiaire d’un 3e corps. Dans ce cas, deux joints adhésifs existent. Le matériau intermédiaire peut être une colle qui est plutôt d’origine naturelle ou un adhésif qui est plutôt de synthèse. Le collage structural est un assemblage qui supporte des contraintes mécaniques.
Au niveau d’un joint entre A et B, l’interface est la zone en deux dimensions qui sert de frontière. L’interphase est la zone où les propriétés physico-chimiques et mécaniques sont différentes de celles de A et B.
Lorsque les essais d’adhérence entre deux corps A et B sont effectués, la rupture peut être soit adhésive, soit cohésive. Elle est adhésive ou interfaciale lorsqu’elle se produit à l’interface : la cohésion des corps s’avère meilleure que leur adhésion. Elle est cohésive lorsque la rupture ne se produit pas à l’interface : la cohésion du matériau ou de l’interphase qui a cédé est plus faible que l’adhésion des deux adhérents. La distinction entre ces deux cas peut ne pas être évidente, puisqu’elle dépend de l’échelle d’observation : la présence du composé A résiduel sur la surface B peut ne pas être perçue à l’œil mais décelée par microscopie.
Les phénomènes d’adhésion sont fonction des propriétés des matériaux A et B et de l’état de leur surface. L’adhésion prend en considération :
● l’ancrage mécanique dû à la pénétration de l’adhésif dans les aspérités du substrat. L’ancrage est amélioré si la surface de contact (en lien avec la rugosité) est augmentée et si la mouillabilité est augmentée ;
● la diffusion de A dans B dans la zone d’interphase avec la création de liaisons, à l’échelle atomique, à courte (covalente ou hydrogène) ou longue distante (Van der Waals).
L’essai d’adhérence vise à apprécier la tenue mécanique d’un assemblage après sa réalisation. Il existe plusieurs configurations d’essais et il convient de choisir celle la plus adaptée à la finalité. On sépare mécaniquement les deux corps à l’aide d’un chargement (force, couple, …) et on mesure la valeur provoquant la séparation de A et B. En général, le chargement critique est converti en contrainte moyenne à rupture.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I Surveillance des structures de génie civil en béton – Intérêt des mesures de déformation réparties par fibre optique
Chapitre II Détermination de la réponse mécanique d’un câble à fibre optique noyé dans le béton
Partie A : Etude bibliographique sur les mécanismes de transfert d’effort du milieu environnant à la fibre optique à travers le revêtement du capteur
Partie B : Détermination de la fonction de transfert mécanique d’un câble particulier noyé dans le béton
Chapitre III Evaluation des incertitudes d’un système de mesures de déformation réparties
Chapitre IV Durabilité du système de mesure
Conclusions
perspectives
Références bibliographiques
Annexes
