Importance de la surveillance des ouvrages d’art et des infrastructures

Importance de la surveillance des ouvrages d’art et des infrastructures

Les infrastructures civiles et industrielles sont de plus en plus présentes dans notre société. Elles sont toujours plus grandes et complexes et sont mises à rude épreuve lors de leur utilisation. Tout au long de leur durée de vie, qui est définie en fonction de la qualité de construction, elles seront exploitées au maximum de leurs capacités. Malgré les avancées technologiques en termes de modélisation mécanique, de topographie et de moyens de construction, elles ne sont pas à l’abri de défauts ou d’événements extérieurs pouvant les endommager.

Les dommages portés aux structures peuvent avoir des conséquences importantes sur leur efficacité d’utilisation et sur la sécurité des personnes les exploitant ; il est donc nécessaire de prendre certaines précautions et de les gérer dès leur construction et pendant toute leur durée de vie. Cette gestion passe alors par ce que l’on appelle la surveillance de la santé des installations (Structure Health Monitoring ou SHM, en anglais). Il s’agit d’un processus complet visant à apporter des informations précises et actualisées concernant leur condition de santé et de vieillissement ainsi que leur performance. L’analyse des informations extraites de l’ensemble du système de surveillance doit confirmer ou infirmer les modèles mécaniques et les prédictions faites lors de leurs constructions concernant leurs réactions selon leur utilisation, et ainsi servir à améliorer leur gestion. Elle peut se faire de manière continue ou périodique et durant toute les phases de leur vie (construction, production ou réhabilitation). De plus, les résultats obtenus peuvent servir à améliorer ou affiner les modèles de construction.

L’instrumentation dédiée à une structure doit répondre à ces objectifs. La périodicité, la précision et les zones de mesures sont étudiées afin de définir ces outils de surveillance. S’agit-il du suivi de l’évolution ou de la détection de défauts, de l’optimisation de production, du suivi de l’état d’une partie de la structure ? Dans quelles conditions la mesure se fera-t-elle ? Y a-t-il un enjeu environnemental ou sécuritaire ?

Cette étude peut se faire à court, moyen ou long terme, selon les besoins et les phénomènes ou événements suivis. Les caractéristiques généralement surveillées sont de différentes natures [1] :
• Mécanique : déformations, déplacements, fissures (apparition ou évolution), contraintes, charges, vibrations, etc.
• Physique : température, humidité, pression, etc.
• Chimique : pénétration ou concentration d’agents chimiques dans un matériau, pH, oxydation, etc.

L’objectif principal de cette surveillance est donc la détection du bon ou du mauvais fonctionnement de la structure, en fonction de paramètres extérieurs pouvant être d’origine naturelle (conditions météorologiques par exemple) ou provenant d’une mauvaise utilisation (la surproduction ou sur-utilisation par exemple). Pour l’atteindre, il est nécessaire d’identifier les paramètres à surveiller, de choisir les systèmes de mesure adaptés et de concevoir le réseau de capteurs (nombre, types, performances, etc.). Le taux d’utilisation de ce système est lié au projet et à la durée de la surveillance. De même, la périodicité des mesures est à définir en fonction des événements recherchés et de leurs caractéristiques (les événements peuvent être statiques, dynamiques, ponctuels, saisonniers, etc.).

Ce processus de mesure a un certain coût financier mais doit être vu sur le long terme : au lancement du projet, la mise en place du système de surveillance est un investissement financier mais l’identification d’une faiblesse suffisamment tôt peut réduire les coûts de réparation et les conséquences sur la productivité. Il est parfois impossible (ou trop coûteux) de mettre en place une instrumentation une fois que la structure est installée.

La métrologie et les capteurs 

La métrologie est la science de la mesure et de ses applications. Elle comprend des méthodes et des processus permettant de définir de manière exacte une grandeur physique, appelée mesurande [3]. Une maîtrise de toute la chaîne de mesure, depuis le capteur jusqu’à l’élément de sortie pertinent pour la surveillance de la structure, est nécessaire pour réaliser une mesure absolue avec l’erreur la plus faible possible. Cet ensemble d’équipements – que ce soit le capteur ou l’instrument en lui-même – est soumis à des sollicitations extérieures et est source de bruit (bruit thermique, adaptation de la chaîne de mesure, environnement électromagnétique, etc.). L’influence de ce bruit doit être déterminée. Cette grandeur est souvent associée à la qualité de la chaîne de mesure.

L’exactitude d’une mesure correspond à l’écart entre la i-ème mesure et la valeur vraie. Une mesure est d’autant plus exacte que sa valeur se rapproche de la valeur vraie du mesurande. L’erreur totale d’une mesure est définie par la somme des erreurs systématiques et aléatoires. Dans la pratique, elle est généralement modélisée par une loi gaussienne :

• La fidélité définit l’erreur aléatoire : un ensemble de mesures est dit fidèle lorsque ces mesures ont une incertitude faible mais que leur moyenne reste éloignée de la valeur exacte.
• La justesse définit l’erreur systématique : un ensemble de mesures est qualifié de juste lorsque sa valeur moyenne est égale à la valeur exacte, quelle que soit sa fidélité.

L’incertitude de mesure est caractérisée par l’écart type sur toutes les mesures effectuées sur un mesurande. Son évaluation, faite par une estimation de la répétabilité et de la reproductibilité de mesure, est nécessaire. La répétabilité définit la fidélité de la mesure réalisée dans des conditions similaires (opérateur, instruments et environnements). La reproductibilité évalue la répétabilité, mais dans des conditions de mesure variables.

Un capteur est défini comme étant un dispositif expérimental capable de quantifier et qualifier une grandeur physique et de détecter ces variations au cours du temps. Il est au minimum composé d’un transducteur permettant de convertir cette grandeur physique en une grandeur manipulable par son utilisateur (une tension électrique ou intensité lumineuse, par exemple). Un moyen de transporter cette information est souvent couplé à ce transducteur (comme un câble électrique, une fibre optique ou par télécommunications radiofréquences). Les informations issues de ce capteur  seront ensuite analysées par l’interrogateur et utilisées par les outils informatiques du gestionnaire de l’infrastructure.

Aujourd’hui, les capteurs, qui sont les plus souvent utilisés dans le milieu de l’instrumentation d’infrastructures, sont les capteurs de température de types PT100 ou thermocouple et les capteurs de déformation piézoélectrique ou à corde vibrante [4]. Ces derniers sont connus depuis les années 1940 et sont encore largement utilisés dans les infrastructures en béton pour la surveillance de leur état de santé [5]. Ils sont notamment réputés pour leur durée de vie estimée à plus d’une trentaine d’années (au minimum).

Le domaine de l’instrumentation utilise ces dispositifs et méthodes métrologiques afin de concevoir et développer un ensemble de capteurs visant à mesurer une activité, un événement ou à estimer la santé d’une infrastructure. Lorsque la mesure est répétée dans le temps, le terme de « surveillance » dans le temps (ou monitoring en anglais) est aujourd’hui couramment employé. Toute la chaîne d’acquisition ainsi que le traitement de l’information sont conçus dans cet objectif ; leur dimensionnement et leur mise en place dans un environnement industriel ou en génie civil demandent des compétences pluridisciplinaires en mécanique, physique, métrologie et en traitement du signal.

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Table des matières

Remerciements
Introduction
Contexte du travail de recherche
Objectifs de la thèse
Sommaire
L’instrumentation par fibre optique
I.A Métrologie et instrumentation
I.A.1 Importance de la surveillance des ouvrages d’art et des infrastructures
I.A.2 La métrologie et les capteurs
I.B Les fibres optiques, support de communication et instrument de mesure
I.B.1 La fibre optique
I.B.2 Pertes en ligne
I.B.3 Les câbles à fibres optiques adaptés à l’instrumentation
I.B.4 L’instrumentation par fibre optique et ses avantages
I.C Les capteurs à fibres optiques par mesures interférométriques
I.D La technologie des capteurs répartis à fibre optique
I.D.1 Principe de la réflectométrie optique dans le domaine temporel
I.D.2 Définition des paramètres d’acquisition
I.D.3 Les effets linéaires et non linéaires : le spectre de rétrodiffusion
I.E Caractérisation des composantes de rétrodiffusion pour la réalisation de capteurs répartis
I.E.1 La rétrodiffusion Rayleigh
I.E.2 La rétrodiffusion Raman
I.E.3 La rétrodiffusion Brillouin
I.F Systèmes opto-électroniques pour la mesure du spectre de gain Brillouin
I.F.1 Introduction aux systèmes de mesure Brillouin dans le domaine temporel
I.F.2 Analyseur optique Brillouin dans le domaine temporel
I.F.3 Réflectomètre optique temporel par effet Brillouin
I.F.4 Autres systèmes de mesure Brillouin
I.F.5 Applications et performances des technologies Brillouin
I.G Conclusion du chapitre I
II. Mesures de déformation et suivi en temps réel des structures linéaires
II.A Introduction
II.B Mesure statique de déplacement par Brillouin-OTDA
II.B.1 Méthodologies expérimentale et théorique utilisées dans cette section
II.B.2 Instrumentation d’une structure linéaire : détermination de la déformation
II.B.3 Détermination de la courbe de déplacement y(z)
II.B.4 Conclusion sur la mesure de déplacement
II.C Mesures réparties de déformation par effet Brillouin – Applications industrielles
II.C.1 Mesure statique de déplacement d’une canalisation enterrée
II.C.2 Mesure statique de déplacement d’une canalisation sous-marine
II.D Conclusion du chapitre 2
III. Mesure de déformation dynamique par réflectométrie Brillouin
III.A Applications industrielles pour les mesures dynamiques de déformation
III.A.1 Problématique
III.A.2 Mesures dynamiques par OTDR
III.B Principe de mesure du spectre de gain Brillouin par OTDR
III.B.1 Mesure répartie classique par détection cohérente
III.B.2 Analyse par balayage électrique du spectre de gain Brillouin
III.B.3 Génération des impulsions optiques
III.C Méthode d’analyse avec oscillateur local adaptatif
III.C.1 Avantage de la réduction de la bande passante
III.C.2 Fibre optique de référence
III.C.3 Oscillateur local adaptatif
III.C.4 Schéma de détection adapté
III.C.5 Synthèse des signaux de détection
III.D Mesure expérimentale sur un démonstrateur
III.D.1 Présentation du démonstrateur
III.D.2 Caractéristiques de gain Brillouin
III.E Nouvelle approche : mesure Brillouin par analyse en flanc de frange
III.F Système de mesure dynamique de déformation par flanc de frange
III.F.1 Paramètres SA-BOTDR expérimentaux de flanc de frange
III.F.2 Mesures de déformation en mode flanc de frange
III.F.3 Mesure de déplacement dynamique d’une canalisation
III.G Comparaison des performances de mesure
III.H Sensibilité aux pertes en ligne
III.I Conclusion du chapitre 3
Conclusion générale

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