ÉVALUATION DYNAMIQUE DES OUVRAGES - Le Pont...Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) :...
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ÉVALUATION DYNAMIQUE DES OUVRAGES
Antoine CLEMENT - SITES, Lyon, France
Colloque le Pont
Toulouse
2018
03/10/2018
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Le PontToulouse
2018
INTRODUCTION
L’évaluation dynamique vise
à tirer des mesures résultant
des investigations
dynamiques une information
susceptible d’apporter une
appréciation plus pertinente
de la performance d’un
ouvrage sur son cycle de vie
(construction, réception,
service).
Evaluation dynamique des ponts, C.CREMONA, LCPC
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Le PontToulouse
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INTRODUCTION
Large champ des possibles…
Types d’investigation dynamique :
• Mesure du confort
• Evaluation des sollicitations
• Analyse structurale
• Surveillance du comportement
Variable mesurée
• Inclinaison
• Déformation
• Vitesse
• Accélération
Instant
• Construction
• Réception
• Exploitation
• Maintenance
• Réhabilitation
Echelle
• Globale
• Locale
Principes d’analyse
• Signaux bruts
• Temps/fréquence
• Identification modale
Durée de collecte
• Ponctuelle
• Continue
• Sur seuils
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Notions de dynamique
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NOTIONS DE DYNAMIQUE
Parenthèse sur les caractéristiques modales
Que représentent les caractéristiques modales : 𝑓0, 𝜉0 𝑒𝑡 𝐴0 ?
Excitation :
Impulsion
Structure :
lampadaireMesure
Exponentielle
décroissante
𝑒−𝜉0…
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Parenthèse sur les caractéristiques modales
Modification de la masse
NOTIONS DE DYNAMIQUE
Structure : Modèle FRF
lampadaire
a) Lampe plus grande →
m=4kg m=10kg m=20kg
• 𝑓0
• Amplitude
Oscillations plus lentes et plus grandes
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Parenthèse sur les caractéristiques modales
Modification de la raideur
NOTIONS DE DYNAMIQUE
Structure : Modèle FRF
lampadaire
b) Poteau plus large →
Φ = 10cm Φ= 15cm Φ = 25cm• 𝑓0
• Amplitude
Oscillations plus rapides et moins grandes
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NOTIONS DE DYNAMIQUE
Parenthèse sur les caractéristiques modales
Généralisation : Mouvement complexe d’un tablier
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NOTIONS DE DYNAMIQUE
Torsion
…
Flexion Verticale
…
Flexion Horizontale
…
Mouvement vibratoire = somme de mouvements élémentaires (structures linéaires)
𝑓𝐹𝑉1, 𝜉𝐹𝑉1, Φ𝑉𝐹1
𝑓𝐹𝑉2, 𝜉𝐹𝑉2, Φ𝑉𝐹2
𝑓𝐹𝑉3, 𝜉𝐹𝑉3, Φ𝑉𝐹3
𝑓𝐹𝐻1, 𝜉𝐹𝐻1, Φ𝑉𝐻1
𝑓𝐹𝐻2, 𝜉𝐹𝐻2, Φ𝑉𝐻2
𝑓𝐹𝐻3, 𝜉𝐹𝐻3, Φ𝑉𝐻3
𝑓𝑇1, 𝜉𝑇1, Φ𝑇1
𝑓𝐹𝑇2, 𝜉𝑇2, Φ𝑇2
𝑓𝑇3, 𝜉𝑇3, Φ𝑇3
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𝑓 𝑓𝑟é𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒𝜉 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑠𝑠𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡Φ 𝑑é𝑓𝑜𝑟𝑚é𝑒
Dépendent des propriétés de la
structure :
• Répartition de la masse
• Répartition de la raideur
• Phénomènes dissipatifs
NOTIONS DE DYNAMIQUE
𝑀𝑜𝑑𝑒1
𝑀𝑜𝑑𝑒2
𝑀𝑜𝑑𝑒3
𝑀𝑜𝑑𝑒4
Flexion V Torsion Flexion H
𝑓𝐹𝑉1, 𝜉𝐹𝑉1, Φ𝑉𝐹1
𝑓𝐹𝑉2, 𝜉𝐹𝑉2, Φ𝑉𝐹2
𝑓𝐹𝑉3, 𝜉𝐹𝑉3, Φ𝑉𝐹3
𝑓𝐹𝑉4, 𝜉𝐹𝑉4, Φ𝑉𝐹4
𝑓𝐹𝐻1, 𝜉𝐹𝐻1, Φ𝑉𝐻1
𝑓𝐹𝐻2, 𝜉𝐹𝐻2, Φ𝑉𝐻2
𝑓𝐹𝐻3, 𝜉𝐹𝐻3, Φ𝑉𝐻3
𝑓𝐹𝐻4, 𝜉𝐹𝐻4, Φ𝑉𝐻4
𝑓𝑇1, 𝜉𝑇1, Φ𝑇1
𝑓𝐹𝑉2, 𝜉𝑇2, Φ𝑇2
𝑓𝑇3, 𝜉𝑇3, Φ𝑇3
𝑓𝑇4, 𝜉𝑇4, Φ𝑇4
Caractéristiques modales
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Mesure du confort
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MESURE DU CONFORT
Confort des usagers important pour les passerelles
Passerelle du Millenium Passerelle Simone de Beauvoir
Guide SETRA - Passerelles piétonnes, Évaluation du comportement vibratoire sous l’action des piétons
Résonnances = inconfort
Dir
ect
ion
vert
icale
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MESURE DU CONFORT
Confort des usagers important pour les passerelles
Passerelle du Millenium Passerelle Simone de Beauvoir
Rigidification ou installation d’ADA
Présentation P.Charles, P.Vion, Rencontre CTOA/DOA de CETE 2006
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MESURE DU CONFORT
Investigations dynamiques :
Vérifications Efficacité ADA ou Evaluation de l’ancien
• Mesures des niveaux d’accélérations pour différents
scénarios de marche piétonne
• Identification des fréquences propres
Mesures CSTB, Passerelle léopold sédar senghor
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Evaluation des sollicitations
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EVALUATION DES SOLLICITATIONS
Objectif : Obtenir des éléments permettant d’évaluer la
résistance de l’ouvrage à son environnement vibratoire
• Coefficient de majoration dynamique
Dépend du point de mesure
Dépend du chargement
Dépend de la définition
Mesure qualitative sous un
front de camion (Reco. SETRA)
Evaluation précise sur une
période longue avec station
de pesage
Evaluation dynamique des ponts, SETRA, C.Cremona
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EVALUATION DES SOLLICITATIONS
Objectif : Obtenir des éléments permettant d’évaluer la
résistance de l’ouvrage à son environnement vibratoire
• Contraintes en fatigue
Dépend des cycles de
chargement réels
Mesure d’un historique réel de
déformations
Calculs des histogrammes
rainflow
Evaluation dynamique des ponts, SETRA, C.Cremona
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Analyse Structurale
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ANALYSE STRUCTURALE
Objectif : Déterminer le comportement dynamique réel de
l’ouvrage à partir des mesures vibratoires
Mesures ➠ Modèles numériques
Ou
Modèle numérique ➠ Prédictions VS Mesures
⤷ Meilleure compréhension du comportement de la structure
⤷ Meilleure définition des marges de sécurité
⤷ Hypothèses moins restrictives
⤷ Réduction des coefficients de sécurité
⤷ Vérification bon fonctionnement (joints, rotules, appuis, tension haubans)
➥ Analyse modale expérimentale ou opérationnelle (identification des caractéristiques modales)
➥ Modèle de comportement vibratoire
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Identification des caractéristiques modales
• Quels modes (flexion, torsion, ordre) ?
• Quelles caractéristiques (amortissement, fréquences, déformées) ?
• Nombre
• Position
• Direction
Capteurs
• Impulsion
• Contrôlée
• Ambiante
Excitation
• Temporelle
• Fréquentielle
Méthode d’analyse
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Identification des caractéristiques modales
• Quels modes (flexion, torsion, ordre) ?
• Quelles caractéristiques (amortissement, fréquences, déformées) ?
• Nombre
• Position
• Direction
Capteurs
• Impulsion
• Contrôlée
• Ambiante
Excitation
• Temporelle
• Fréquentielle
Méthode d’analyse
• Fréquences des modes symétriques de flexion verticale
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Identification des caractéristiques modales
• Quels modes (flexion, torsion, ordre) ?
• Quelles caractéristiques (amortissement, fréquences, déformées) ?
• Nombre
• Position
• Direction
Capteurs
• Impulsion
• Contrôlée
• Ambiante
Excitation
• Temporelle
• Fréquentielle
Méthode d’analyse
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Identification des caractéristiques modales
• Quels modes (flexion, torsion, ordre) ?
• Quelles caractéristiques (amortissement, fréquences, déformées) ?
• Nombre
• Position
• Direction
Capteurs
• Impulsion
• Contrôlée
• Ambiante
Excitation
• Temporelle
• Fréquentielle
Méthode d’analyse
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par
rapport aux modèles, Mesures CSTB, FEUP, SITES
Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques
identifiées
• Flexion verticale
• Flexion transversale
(piles)
• 2 accéléro fixes (ref.)
• 2 accérélo déplacés
⇒ 28 pts sur tablier
Ambiante • Fréquences
• Déformées
modales
• 6 acc. bi. fixes tablier
• 3 acc. bi. fixes piles
• 3 acc. bi. fixes pylônes
Magalhães2012
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par
rapport aux modèles, Mesures CSTB, FEUP, SITES
Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques
identifiées
• Flexion verticale
• Flexion transversale
(piles)
• 2 accéléro fixes (ref.)
• 2 accérélo déplacés
⇒ 28 pts sur tablier
Ambiante • Fréquences
• Déformées
modales
• 6 acc. bi. fixes tablier
• 3 acc. bi. fixes piles
• 3 acc. bi. fixes pylônes
Magalhães2012
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par
rapport aux modèles, Mesures CSTB, FEUP, SITES
Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques
identifiées
Flexion
verticale
• 13 acc. Tablier
• 8 acc. Pylones
Impulsion
entre P5 et P6
• Fréquences
• Amortissement
Torsion • 2 Paires d’acc. Impulsion Fréquence
Magalhães2012
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par
rapport aux modèles, Mesures CSTB, FEUP, SITES
Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques
identifiées
Flexion
verticale
• 13 acc. Tablier
• 8 acc. Pylones
Impulsion
entre P5 et P6
• Fréquences
• Amortissement
Torsion • 2 Paires d’acc. Impulsion Fréquence
Magalhães2012
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ANALYSE STRUCTURALE
Investigations : Analyse modale Expérimentale ou Opérationnelle
➠ Exemples : vérification comportement viaduc de Millau (Eiffage) par
rapport aux modèles – Mesure de la tension des haubans (SITES)
Modes Instrumentation ExcitationCaractéristiques
identifiées
Haubans 1acc Impulsion Fréquences
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Surveillance du comportement
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Objectif : Détecter un changement de comportement par une
modification des caractéristiques vibratoires
• Identification de comportement anormaux
• Vérification des mesures de renforcement
• Vérification de l’intégrité après un phénomène exceptionnel
• Diagnostic de l’endommagement
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Identification de comportement anormaux
➡ Comme l’Analyse structurale mais de façon continue ou
régulière
• Problème de la densité de capteurs
• Effets facteurs environnementaux
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Identification de comportement anormaux
➡ Comme l’Analyse structurale mais de façon continue ou
régulière
• Problème de la densité de capteurs
• Effets facteurs environnementaux
Peete
rs 2
00
1
Effet thermique 0,3%/°C possible sur les fréquences propres
Effet faible sur les modes, sauf modification du comportement
Mesure sur 6 mois essentielle
Pont Z24
Viaduc de Millau (Eiffage) Clement2018
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Vérification de mesures de renforcements
Vérification de l’intégrité après un phénomène exceptionnel
➡ Comparaison à un état de référence (mesure ou modèle) avec
prise en compte des effets thermiques si nécessaire
Pont-rail PK 075+317, Evaluation dynamique des ponts, SETRA, C.Cremona
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Diagnostic de l’endommagement (linéaires)
➡ Méthodes basées sur un modèle (MBM) : analyse inverse
➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des
variations des caractéristiques modales
Niveaux de Rytter (Rytter1996) :
1. Existence
2. Localisation
3. Quantification
4. Prédiction
MNBM
MBM
Alvandi2003
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Diagnostic de l’endommagement (linéaires)
➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des
variations des caractéristiques modales
• Fréquences : sensibles à la température, peu aux faibles endommagements
Alvandi2003
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Diagnostic de l’endommagement (linéaires)
➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des
variations des caractéristiques modales
• Fréquences : sensibles à la température, peu aux faibles endommagements
• Forme de modes (MAC, COMAC) : Beaucoup de capteurs nécessaires,
sensibilité locale sur les modes élevés
Alvandi2003
Alvandi2003
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Diagnostic de l’endommagement (linéaires)
➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des
variations des caractéristiques modales
• Fréquences : sensibles à la température, peu aux faibles endommagements
• Forme de modes (MAC, COMAC) : Beaucoup de capteurs nécessaires,
sensibilité locale sur les modes élevés
• Amortissement : difficile à estimer, très variable
Alvandi2003
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SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT
Diagnostic de l’endommagement (linéaires)
➡ Méthodes non basées sur un modèle (MNBM) : exploitation des
variations des caractéristiques modales
• Fréquences : sensibles à la température, peu aux faibles endommagements
• Forme de modes (MAC, COMAC) : Beaucoup de capteurs nécessaires,
sensibilité locale sur les modes élevés
• Amortissement : difficile à estimer, très variable
➡ Indicateurs du second ordre :
Courbure des modes
Matrice de flexibilité
Energie de déformation
Alvandi2003
Alvandi2003
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Conclusion
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CONCLUSION
• L’évaluation dynamique ne propose pas de solutions clefs
en mains ➡ adaptation à chaque cas
• Expertise requise à chaque étape : définition de
l’instrumentation, enregistrement, analyse de mesures
• Outil précieux d’analyse structurale
• Outil complémentaire en surveillance du comportement
• Recherches toujours actives dans l’exploitation des mesures
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RÉFÉRENCES
(1) Evaluation dynamique des ponts
C.Cremona, LCPC
(2) Ambient and free vibration tests of the Millau Viaduct: Evaluation of alternative processing strategies
Filipe Magalhães et al., Engineering Structures,Volume 45, 2012
(3) From input-output to output-only modal identification of civil engineering structures.
Cunha, Á., & Caetano, E. (2005). In 1st International Operational Modal Analysis Conference (IOMAC)
(4) Vibration-based damage detection in civil engineering: excitation sources and temperature effects
Peeters, B., Maeck, J., & De Roeck, G. (2001), Smart materials and Structures, 10(3), 518.
(5) Vibrational based inspection of civil engineering structures
Rytter, A. (Doctoral dissertation, Dept. of Building Technology and Structural Engineering, Aalborg University), 1993.
(5) Contribution à l'utilisation pratique de l'évaluation dynamique pour la détection d'endommagements dans les ponts
Alvandi, A., 2003(6) Long-term monitoring of Millau Viaduct,
CLEMENT & al., Proceeding of IABSE symposium, Nantes, 2018
(7) Présentation P.Charles, P.Vion, Rencontre CTOA/DOA de CETE 2006