Surveiller, diagnostiquer & renforcer les structures ...©marche spécifique de... · Phénomène...

Surveiller,

diagnostiquer & renforcer

les structures précontraintes

Journée Technique

Vendredi 25 septembre 2015

à l’Amphithéâtre de la SMABTP

La démarche spécifique de

diagnostic des structures

précontraintes

2

Christophe RAULET - Diadès

http://www.diades.fr/

vendredi 25 septembre 2015 Surveiller, diagnostiquer & renforcer les structures précontraintes

3 Sommaire

1. Introduction

2. Les pathologies spécifiques au béton précontraint

3. La gestion des ouvrages à risques

4. Les étapes du diagnostic et la démarche spécifique

5. Les principales techniques d’investigations

6. Conclusion

7. Bibliographie

Les ouvrages en béton précontraint quels qu’ils soient (ponts, réservoirs, châteaux

d’eau, planchers de bâtiment, silos, stades, …) peuvent, s’ils présentent un défaut de

protection quelconque de leurs armatures de précontrainte qui entraîne la

corrosion de celles-ci, subir des désordres structurels, et voire même s’effondrer.

L’auscultation des ouvrages précontraints est rendue délicate par le fait que l’état de

l’ensemble des câbles de précontrainte, des gaines ou du coulis d’injection ne peut

être apprécié visuellement.

Certains règlements anciens présentaient des insuffisances notoires de conception,

notamment au sujet de phénomènes mal connus et donc mal appréhendés (gradient

thermique, diffusion des efforts concentrés, fluage, …).

De plus, l’expérience montre que les ouvrages précontraints sont particulièrement

sensibles aux attaques extérieures, surtout si certaines règles de l’art précises n’ont

pas été respectées durant les phases de construction (phasage, injection, ...).


4 1. Introduction

La sensibilité des ouvrages précontraints

Plus spécifiquement, les VIPP présentent une sensibilité plus marquée face aux agents agressifs (eau, gaz carbonique, chlorures…) et une plus grande fragilité par rapport à des ouvrages plus massifs ou hyperstatiques pour les raisons suivantes :

Caractéristiques géométriques optimisées pour obtenir un rendement mécanique maximal. Faible épaisseur des parois qui facilite la pénétration des agents agressifs ;

Bétonnage délicat à cause du regroupement des câbles relevés et la faible épaisseur des pièces. Présence potentielle de nids de cailloux et/ou des vides autour des câbles et porosité accrue de la peau du béton ;

Les encoches des câbles relevés se transforment en drains lorsque la chape d’étanchéité présente des défaillances ;

Ruissellement des eaux au travers des joints de dilatation qui entraine la dégradation des cachetages des boîtes d’ancrages des câbles relevés aux abouts des poutres ;

Conduits de précontrainte mal injectés, présence de conduits vides voire contenant de l’eau fossile (décantation du coulis d’injection) ;

Fragilité des zones voisines aux abouts de poutres : présence d’un ou deux câbles dans les talons, les autres étant relevés, et très peu d’armatures passives d’où les fissurations brutales constatées sur certains de ces ouvrages en cas de corrosion des armatures dites actives ;

Des études ont prouvé que la première fissuration de VIPP s’initie en présence de charges d’exploitation courantes lorsque la diminution de l’effort normal atteint 40 à 50 % de la valeur théorique en service (gamme de portée fréquente sans prise en compte de l’entretoisement).


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Cas particulier des VIPP

1. Introduction

2. Les pathologies spécifiques au béton

précontraint

Désordres constatés :

Fissures verticales dans les zones dites de

"moment nul", où les contraintes de compression

à vide sont minimales.

La présence d’arrêt de câbles accentue les

risques de fissuration.

Les fissures se développent de préférence au

niveau des reprises de bétonnage.

A proximité des appuis, l’influence de l’effort

tranchant se fait sentir et les fissures s’inclinent.

Insuffisance de résistance vis-à-vis de la flexion


6

Ces fissures, lorsqu’elles ne sont pas maîtrisées par un ferraillage passif suffisant (cas

des sections théoriquement en "précontrainte totale"), font courir aux armatures

passives et de précontrainte des risques de fatigue et de corrosion.

Schéma : IQOA


précontraint

Cause des désordres :

Non prise en compte des déformations différées gênées

Phénomène de fluage sous-évalué voire même négligé avant 1975 : les structures hyperstatiques construites

par phases successives avant cette date sont particulièrement concernées. Les redistributions d’efforts

entrainent une majoration des sollicitations et des fissurations.



7

Non prise en compte des gradients

thermiques

Calcul des efforts dus aux gradients

thermiques non clairement explicité

dans les règlements antérieurs à 1975.

Les ouvrages construits avant cette date

sont susceptibles des déformations

gênées par l’hyperstaticité et donc une

majoration des sollicitations.

Schéma : D. POINEAU


précontraint


Insuffisance de précontrainte

Sous estimation des pertes par frottement et par relaxation des câbles de précontrainte en phase de

conception

Dégradation ou corrosion des câbles lors du stockage sur chantier, défauts de mise en œuvre ou

déplacement des gaines lors du bétonnage



8

Défauts au niveau des coupleurs (coupleurs non

capotés…)

Rupture de fils ou de câbles par corrosion durant

la vie de l’ouvrage



précontraint


Excès de charge permanente

Sous estimation du poids des équipements (modifications dans le temps)

Renouvellement de la couche de roulement sans rabotage préalable (suffisant) de la chaussée

Poids volumique du béton mal évalué (blochets, …) ou coffrage différent de celui utilisé dans les calculs



9

Efforts parasites ou charges non prévues

Dénivellation d’appuis en cours de

construction ou pendant la vie de l’ouvrage

Mauvaise conjugaison des voussoirs

Réglages inopportuns lors de l’exécution

Schéma : Clavage non conforme

D. POINEAU


précontraint


Fissures inclinées à 45° à proximité des appuis


Les mêmes causes qui provoquent les insuffisances de résistance à la flexion

Les contraintes de cisaillements dans les sections d’arrêt des câbles de précontrainte

Espacement trop important ou tension mal maîtrisée des étriers actifs

Insuffisance de résistance vis-à-vis du cisaillement


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précontraint


Fissures suivant le tracé des câbles

Fissures en "arêtes de poisson" à l’arrière

des blocs d’ancrage


Lacunes de conception et d’exécution :

Ancrages placés trop près du bord des pièces

Ferraillage trop lourd ou mal mis en place

Non prise en compte des combinaisons des

contraintes de cisaillement de diffusion pure

et des contraintes de cisaillement d’effort

tranchant lors du calcul


(diffusion des efforts concentrés)


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précontraint


Fissuration intérieure au caisson, à la jonction âme / hourdis inférieur

Poussée au vide due à la compression du béton dans les poutre-caissons à gousset ou à

intrados courbe

Fissuration longitudinale répartie sous le hourdis inférieur

Poussée au vide due aux câbles de précontrainte


Lacunes de conception

Lacunes d’exécution (câbles qui festonnent lors du bétonnage)


(poussée au vide)


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Schéma : IQOA Schéma : IQOA

Coupe A-A

Axe des câbles de

précontrainte

(rayon R et force F)

A

A

Fibre moyenne du

hourdis inférieur

(rayon R')

Nb' Nb'

Poussée due à la compression du hourdis '

'

R

Nb

Poussée due aux câbles R

F

Poids propre du hourdis "g"

Nb': Résultante des efforts de

compression sur le hourdis

Equilibre d'une tranche de hourdis inf

Sollicitations

appliquées à

l'âme

Allure des

moments

- -

+


Objectif :

Permettre au Maitre d’Ouvrage d’affiner sa politique de suivi et d’inspection des ouvrages et

optimiser ses interventions d’entretien, de réparation, de renforcement voire de remplacement

Traiter en priorité les ouvrages dont la probabilité de défaillance est grande et présentant un

grand intérêt stratégique

Analyse des risques simplifiée


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La méthode d’analyse des risques présentée est

issue du Guide SETRA "Maîtrise des risques,

application aux ouvrages d’art"


Définitions :

Aléa : phénomène à l’origine du risque (choc, corrosion, fatigue, rupture de câbles, erreurs de

conception…) caractérisé par sa probabilité d’occurrence pendant une période de référence et

son intensité

Vulnérabilité : sensibilité d’un ouvrage ou d’une partie d’ouvrage vis-à-vis d’un aléa et

quantifiée par un ratio résistance structurelle/sollicitations règlementaires (dépend de l’état réel

d’un ouvrage existant)



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Schéma : "Guide SETRA Maîtrise des risques, application aux ouvrages d’art"


Définitions :

Criticité de la structure : probabilité de défaillance, combinaison entre les aléas et la

vulnérabilité de la structure

Conséquences : enjeux en terme de dommages humains et matériels et les répercussions

économiques et sociales (dépend du trafic, de l’importance de l’itinéraire porté par l’ouvrage,

de sa valeur patrimoniale…)

Risque : combinaison entre la criticité de la structure et les conséquences



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Résultats de l’analyse des risques simplifiée :

Risque acceptable (faible) : poursuite de la procédure classique de suivi et d’inspection de

l’ouvrage



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Risque modéré ou inacceptable (fort) :

déclenchement de la procédure de

diagnostic et analyse des risques

détaillée



A l’issue de l’analyse simplifiée, si certains risques sont élevés, une analyse détaillée

est nécessaire pour mieux quantifier les items suivants :

Aléa et conséquences : analyse détaillée seulement lorsque les données sont suffisamment

nombreuses

Vulnérabilité : un modèle de calcul basé sur des investigations in-situ permet d’affiner la

connaissance du comportement de l’ouvrage ainsi que sa vulnérabilité et permet de quantifier

sa robustesse

Robustesse : aptitude de la structure à résister à des défaillances structurales sans présenter de

dégâts disproportionnés par rapport à la cause d’origine, elle décrit sa capacité à résister de

manière globale à des actions plus ou moins importantes malgré la perte d’un de ses éléments

constitutifs principaux

Nécessite une analyse structurelle poussée

Etablissement de scénarios de rupture

Analyse des risques détaillée


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A partir des éléments du rapport de diagnostic, le Maitre d’Ouvrage a la possibilité

d’agir sur plusieurs leviers :

La réduction des aléas, par une meilleure connaissance de l’état de la structure et de la

précontrainte ou la réduction des charges de trafic autorisées à circuler sur l’ouvrage

La diminution de la vulnérabilité, par le renforcement ou la réparation de l’ouvrage

L’augmentation de la robustesse, par l’augmentation de la redondance des éléments et de leur

ductilité, l’introduction de liaisons hyperstatiques supplémentaires


18



19


Analyse de la criticité par sensibilité et évolution de la fissuration :

Hourdis inférieur : fissures transversales, traversantes, longitudinales,

biaises, fissures à l’intersection âme / hourdis

Hourdis supérieur : fissures transversales sur appuis, longitudinales,

biaises, fissures à l’intersection âme / hourdis

Ames : fissuration verticale des âmes seules, longitudinale, biaise,

propagation des fissures du hourdis sur les âmes

Autres désordres :

Joints ouverts

Bruits de craquement dans les âmes au passage de VL, de PL,

Battement de fissures sous trafic


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Exemple : suivi de l’évolution d’un parc sensible de

grands ouvrages en BP


Appréciation du niveau de risque par ouvrage par analyse de l’évolution des pathologies :

Qualification et quantification

Note de priorisation sur les coupleurs

Note pathologique de flexion longitudinale

Note pathologique de flexion transversale

Note pathologique de cisaillement / diffusion

Pondération des notes / sensibilité structurelle et robustesse de chaque ouvrage

Estimation et Priorisation des budgets prévisionnels d’opérations « Etudes & Travaux » dans les prochaines années pour diminuer la vulnérabilité


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22 3. La gestion des ouvrages à risques



4. Les étapes du diagnostic


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Schéma : IMGC

Gestion d’un patrimoine (doctrine de gestion, surveillance organisée, entretien courant et entretien spécialisé)

Mesures d’urgence

(restriction exploitation,

confortement d’urgence, …)

Surveillance renforcée,

instrumentation,…

Diagnostic

Etudes de réparation /

confortement (conception)

?

?

R

é

c

e

p

t

i

o

n

e

t

D

I

U

O

?

?

?

4. Les étapes du diagnostic et la

démarche spécifique

Gestion spécifique des ouvrages à risques (définition de l’aléa, robustesse, vulnérabilité et risques)

?

Détection d’un ouvrage malade (pré-diagnostic)

Déclenchement des opérations

Surveiller, diagnostiquer & renforcer les structures précontraintes vendredi 25 septembre 2015

Travaux de réparation /

confortement (avec études

d’exécution et contrôles

extérieurs)


Chronologie des opérations de diagnostic spécifique


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1. Pré-diagnostic : visite de l’ouvrage (avec ou sans moyen d’accès) et analyse du dossier d’ouvrage (archives incluses)

Définition de mesures de sauvegarde et/ou surveillance renforcée

Définition du programme d’études avec conseils et assistance auprès du Maitre d’Ouvrage par le pilote et expert des opérations de diagnostic (AMO)

2. Inspection détaillée avec moyens d’accès ad-hoc (suivant actualité, pertinence et qualité des précédentes actions de surveillance organisée)

Confirmation du programme d’études et la démarche avec l’AMO

3. Définition du programme d’investigations par l’AMO

Cahier des charges avec nature, nombre et (éventuellement) position des essais nécessaires

4. Sondages et investigations (suivant exhaustivité du dossier d’ouvrage)

Analyse des matériaux et conformité par rapport au dossier d’ouvrage caractéristiques physico-chimiques et mécaniques

Caractérisation des charges permanentes et relevés précis de la géométrie / réserves dossier d’ouvrage

Investigations spécifiques (arbalètes, radar, courburemètrie) comportement mécanique « résiduel »

Caractérisation d’éventuelles pathologies physico-chimiques (RSI, RAG, …)

Eventuelles reconnaissances géotechniques

Qualification et quantification des défauts et désordres


Chronologie des opérations de diagnostic spécifique


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5. Evaluation de la structure interne et/ou de capacité portante de l’ouvrage

Si nécessité de recalcul : note d’hypothèses basée sur le comportement « réel » (géométrie réelle, charges

permanentes, position confirmée des câbles, analyse des pertes…) validée par l’AMO et le MOA

Recalcul suivant le niveau de calcul souhaité (N1 à N4) et suivant les règlements d’origine

6. Analyse du fonctionnement de l’ouvrage, validation et raffinage des modèles de calcul

Instrumentation de différentes natures (pesée de réactions d’appui, jauges de déformations, sondes de

température, …) couplée ou non à des essais de chargement

Essais de chargement (programme à définir suivant état de l’ouvrage, possibilités d’exploitation, …)

Calibration et raffinage des modèles pour « refléter » le comportement « réel »

7. Synthèse :

Définition d’investigations complémentaires (dans le cadre du diagnostic ou éventuellement des études ou

du marché de travaux dans des conditions bien définies)

Mise sous surveillance renforcée si nécessaire suivant résultats des calculs

8. Diagnostic et rapport de diagnostic-pronostic

Étude comparative des scénarios en fonction des contraintes d’exploitation et objectifs du MOA


Démarche de diagnostic spécifique

Auscultation de la structure


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Il n’est pas possible de définir une démarche « type » concernant l’auscultation des

ouvrages précontraints et les techniques d’investigations à employer :

Variété des structures (hyperstaticité, sensibilité et robustesse)

Limites et opérabilité des techniques géométrie et complexité des structures

Diversité des procédés de précontrainte et nature d’acier en fonction des époques

Nature des pathologies affectant les structures défauts d’exécution « invisibles »

Interaction pathologies physico-chimiques et mécaniques

Accessibilité des ouvrages / contraintes d’exploitation

Des réflexions spécifiques, des études et des cahiers des charges ont été réalisés pour

mettre au point des méthodes de diagnostic sur quelques types d’ouvrages sensibles (VIPP,

ponts à poutre caissons, …) ou sur des problématiques spécifiques

L’élaboration d’un modèle de calcul dès le début du diagnostic peut permettre de mieux

cibler les méthodes et les zones d’investigation, en identifiant les faiblesses potentielles de

la structure; voire le comportement en cas d’investigations destructives « lourdes »

Besoin pour les MOA de recourir à une AMO compétente (double compétence : structure et

matériaux) avec un REX suffisant et qui ne soit pas partie prenante de l’opération

5. Les principales techniques

d’investigation

But :

Visualiser l’intérieur des gaines de précontrainte afin de détecter des vides (potentiellement source de corrosion) et des rupture de fils ou torons

Principe de la méthode :

Emission de photons à travers un élément à l’aide d’une source radioactive (cobalt Co 60 ou iridium Ir 192 ou )

Absorption variable selon les matériaux de la paroi traversée

Impression d’un film photographique placé de l’autre côté de la paroi (les aciers sont plus clairs que le béton, les vides sont noirs)

Spécificités :

Législation très encadrée / radioactivité conditions d’utilisation réglementée

Gammagraphie


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d’investigation

But :

Détecter les délaminages, cavités, discontinuités ou fissures

au sein du béton

Détecter les défauts d’injection dans les conduits de

précontrainte extérieure


Mesure du rayonnement infrarouge proportionnel à la

température de surface de l’élément

Mise en évidence des discontinuités par analyse des images

thermiques (contrastes de température dans le béton)

Thermographie infrarouge


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Photo : CETE de l’Est


d’investigation

But :

Mesurer l’épaisseur et détecter la présence de vides

ou de discontinuités au sein d’un élément en béton

Détecter des vides dans les gaines de précontrainte


Impact mécanique sur la structure à l’aide d’un outil

spécifique

Propagation et réflexion des ondes mécaniques dans

l’élément

Réception et traitement du signal réfléchi

Signature particulière des discontinuités ou des vides

Impact-écho


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d’investigation

But :

Observer l’état des fils ou torons et du coulis d’injection à

l’intérieur des gaines de précontrainte

Observer l’état des cachetages au niveau des abouts de poutres

difficilement accessibles


Observation visuelle directe des zones peu accessibles à l’aide

d’un vidéo-endoscope et enregistrement vidéo

Vidéo-endoscopie


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d’investigation

But :

Mesurer l’effort de traction dans une armature de

précontrainte, fil ou toron et donc définir la tension

résiduelle réelle après toutes pertes


Ouverture d’une fenêtre d’auscultation

Mesure de l’effort nécessaire pour déplacer l’armature

transversalement de quelques millimètres à l’aide

d’une arbalète

Détermination de l’effort de traction par comparaison

des courbes effort/déplacement enregistrées in-situ

avec un faisceau d’étalonnage réalisé en laboratoire

Essais à l’arbalète


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Photo : LERM

Schéma : Guide LCPC « Mesure de la tension des armatures de précontrainte

à l’aide de l’Arbalète"


d’investigation

But :

Détecter ou localiser une anomalie dans une poutre ou un tablier

Déterminer la limite de décompression du béton

Effectuer la surveillance renforcée d’un ouvrage sur le long terme

Courburemétrie


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Mesure directe de la courbure des sections

investiguées à l’aide d’un courburemètre sous

épreuve de chargement ou sous circulation

normale/gradient thermique dans le cas de la

surveillance renforcée

Photo : Guide IFSTTAR "Evaluation mécanique des ouvrages d’art par la courburemétrie"


d’investigation

But :

Evaluer directement les contraintes locales dans le

béton


Réalisation d’une entaille dans le béton : libération

des contraintes

Compensation en pression à l’aide d’un vérin plat

inséré dans l’entaille

Suivi en parallèle des déplacements en surface à

proximité de l’entaille

Méthode de libération des contraintes


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d’investigation

But :

Evaluer l’effet réel des redistributions des efforts dans le temps pour les ouvrages

hyperstatiques (gradient thermique, fluage …)


Mesure de la force nécessaire au soulèvement du tablier au niveau d’un appui à l’aide d’une

série de vérins

Mesure simultanée du déplacement vertical du tablier

Calcul de la réaction d’appui par interpolation

Pesée des réactions d’appui


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d’investigation

But :

Evaluer la réserve de résistance à la flexion d’une structure précontrainte présentant des joints

identifiés ou des sections fissurées


Instrumentation du joint ou de la section fissurée

Mesure de l’ouverture du joint en fibre inférieure puis suivant des fibres de plus en plus

proches de l’axe neutre sous un chargement connu et croissant (attention : épreuves de

chargement à bien calibrer / endommagement)

Analyse de la sensibilité du gradient thermique

Couplage avec des mesures d’extensométrie sur les câbles

Mise en évidence du moment de décompression du béton

Méthode des moments de décompression


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d’investigation

But :

Obtenir une distribution des caractéristiques

internes du béton dans une section donnée :

Homogénéité, localisation des désordres internes

Mesures d’épaisseur

Estimation de la résistance (dans certains cas)


Emission séquencée d’ondes ultrasonores par une

série de transducteurs

Propagation et réflexion des ondes dans l’élément

Réception et traitement informatique du signal

réfléchi

Elaboration de cartes d’isovitesses

Tomographie ultrasonore


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Schéma : cartes d’isovitesses dans une pile

Guide LCPC "Présentation des techniques de diagnostic de

l’état d’un béton soumis à un incendie"


d’investigation

But :

Détecter et localiser les défauts d’injection dans les

conduits de précontrainte extérieure (vides, pâte

blanche…)


Mesure le long du câble de la fréquence de résonance d’un

circuit oscillant entre deux électrodes posées sur la surface

du conduit en PEHD

Conversion de la fréquence de résonance en capacité

électrique via étalonnage

Signature particulière des défauts d’injection

Sondes capacitives


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Photo : LRPC d’Autun

Schéma : LRPC d’Autun


d’investigation

But :

Détecter, compter et localiser les ruptures de fils et de torons

se produisant après la mise en place du dispositif de

surveillance

Déclencher une alarme en temps réel à partir d’un seuil fixé


Mise en place de capteurs sur la structure

Dépassement du seuil de détection des ondes mécaniques

libérées en cas de rupture

Enregistrement et transmission du signal à l’armoire de

gestion

Consultation des données à distance

Déclenchement automatique d’une alarme au-delà d’un

nombre de ruptures fixé

Surveillance acoustique


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Schéma : Revue I2M 2002

Photo : capteur, Revue I2M 2002


d’investigation

But :

Localiser les câbles de précontrainte et les armatures passives

Mesurer l’épaisseur d’un élément

Détecter des discontinuités au sein du béton


Emission d’ondes électromagnétiques à l’aide d’une antenne

radar (émettrice-réceptrice)

Propagation et réflexion des ondes dans l’élément

Réception et traitement du signal réfléchi

Représentation graphique

des résultats

Mesures Radar


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Photo : Radar, LERM

Photo : Radargramme, LERM


d’investigation

But :

Détecter des défauts présents le long des câbles de

précontrainte (corrosion des aciers ou manque de coulis

d’injection)


Emission d’une impulsion électrique au niveau de l’ancrage

du câble

Propagation du signal dans le câble

Réception et traitement informatique du signal réfléchi

Signature électrique particulière de la corrosion ou des vides

Détermination de la position des défauts le long du câble

RIMT (mesures réflectométriques par impulsions)


41

5. Conclusions


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Toutes les techniques ont leurs limites par définition. Certaines investigations

sont éprouvées, d’autres ont plus que leurs limites (…), certaines mériteraient

de sortir plus vite des laboratoires de recherche, d’autres sont encore à inventer…

Pas de démarche « type » : avoir recours à une AMO spécialisée (compétences

matériaux & structures) pour les MOA dés le début des opérations de diagnostic

jusqu’au début de la MOE ou fin TVX suivant les cas

Intégrer la notion de fiabilité dans la définition des programmes d’investigations

(après l’inspection actualisée), dont le MOA est responsable avec son AMO

Savoir optimiser la combinaison « contrôles destructifs » et « non destructifs » et mieux

les cibler (comportement mécanique à appréhender inerties en section fissurée)

Savoir réaliser des contrôles destructifs de qualité…(fenêtres, …) qui sont des

« blessures » et bien les reboucher (assurance Qualité Travaux)

Le recalcul complet (fluage, précontrainte, phasage et mise en tension,…) avec note

d’hypothèses (partagée avec le MOA) fait partie du diagnostic quand il est nécessaire

(avec ou sans essais de chargement), en n’oubliant pas d’apprécier la « réserve réelle »

au-delà du réglementaire calculs post-critiques souvent intéressants pour apprécier la

réserve de « sécurité »

Les épreuves de chargement (à bien caler par rapport à l’endommagement) et le

recalage des modèles font partie du diagnostic

Attention à l’emploi des Eurocodes non applicables directement aux ouvrages

existants

7. Bibliographie


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MERCI DE VOTRE ATTENTION


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