DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

L'invention concerne la surveillance des structures du type ouvrages de génie civil (nucléaire, hydraulique, routier, etc.) ou encore éoliennes et en particulier celles comportant des armatures de renfort métalliques.

ETAT DE LA TECHNIQUE

L'usage d'armatures métalliques est très courant dans les ouvrages de génie civil. Par exemple, on utilise des câbles métalliques sous contraintes pour améliorer les propriétés mécaniques de certains ouvrages en béton. Un autre exemple consiste à placer des bandes métalliques ou treillis métalliques dans des ouvrages de type sol renforcé. Encore un autre exemple consiste à placer dans une gaine (précontrainte) des câbles en acier injecté dans certain cas au coulis de ciment ou à la cire pétrolifère pour maintenir ou contraindre une structure ou un bâtiment. Encore un autre exemple consiste à utiliser des tirants d'ancrage métalliques pour maintenir ou contraindre une structure ou un bâtiment.

Les armatures métalliques en acier présentent de très bonnes propriétés mécaniques mais ont pour inconvénient d'être soumises aux attaques de la corrosion. Il est connu de protéger de telles armatures métalliques en acier par une galvanisation, par une métallisation, par une protection cathodique ou par une autre méthode de passivation ou de gainage. Cependant, il apparaît nécessaire de surveiller, au cours du temps, l'état de santé de telles armatures métalliques, notamment pour les ouvrages dont la durée d'utilisation peut dépasser plusieurs dizaines d'années. Il est préférable de pouvoir procéder à une telle surveillance de manière non intrusive, c'est-à- dire sans intervenir directement dans le corps de l'ouvrage. Il existe donc un besoin d'améliorer les solutions non intrusives connues pour surveiller l'état de santé des armatures métalliques et pouvoir détecter un défaut structurel éventuel lié à la corrosion et/ou au vieillissement par exemple

PRESENTATION DE L'INVENTION

L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients.

A cet effet, l'invention propose un procédé pour surveiller un ouvrage de génie civil comprenant au moins une première armature métallique contribuant à la tenue mécanique dudit ouvrage, et un câble électrique constitué d'au moins une paire de conducteurs électriques ayant une première extrémité électriquement accessible, le procédé comprenant les étapes suivantes :

a) mesure du coefficient de réflexion en impédance du câble électrique en fonction de la fréquence ;

b) traitement des coefficients de réflexions SU récupérés pour en déduire l'impédance caractéristique Zc du câble électrique en fonction de la distance ;

c) comparaison de l'impédance caractéristique avec une impédance de référence Z0 correspondant à un état de référence du câble électrique de manière à en déduire une variation d'impédance ΔΖ le long du câble électrique fonction d'une grandeur physique caractéristique du câble.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible.

La grandeur physique caractéristique du câble est une déformation e _z longitudinale du câble électrique, la variation d'impédance ΔΖ étant définie par ΔΖ = C _e x e _z avec C _e la sensibilité à la déformation du câble électrique qui dépend, de préférence, des caractéristiques géométriques et des matériaux du câble électrique.

La grandeur physique caractéristique du câble électrique est une variation de température fonction du coefficient de sensibilité à la température ou une pression radiale, la variation d'impédance AZ étant définie par AZ = C _t x At avec C _t la sensibilité à la température et At la variation de température.

Le procédé comprend une étape de détermination d'une impédance de référence du câble électrique, ledit câble électrique, dans cet état de référence, étant pris isolément et indépendamment de l'ouvrage de génie civil à surveiller.

La détermination de l'impédance de référence comprend les étapes a), b), c), l'étape c) de traitement permettant d'obtenir ladite impédance de référence Z0.

La mesure du coefficient de réflexion est mise en œuvre au moyen d'un analyseur de réseau.

L'invention concerne également un système de surveillance d'un ouvrage de génie civil, l'ouvrage comprenant au moins une première armature métallique contribuant à la tenue mécanique dudit ouvrage, et un câble électrique constitué d'au moins une paire de conducteurs électriques ayant une première extrémité électriquement accessible, le système comprenant une unité de traitement configurée pour mettre en œuvre un procédé selon l'invention.

L'invention permet de réaliser une mesure distribuée de la déformation le long d'un conducteur électrique introduit dans l'ouvrage avant injection du coulis de ciment.

Ainsi, une rupture d'armature(s) engendre une déformation anormale du coulis au voisinage immédiat de la rupture qui est mesurée par l'invention.

La solution de l'invention est économique puisqu'elle nécessite une instrumentation au moins 10 à 20 fois moins chère que d'autres solutions existantes reposant sur la mesure de déformation par fibre optique. Elle est également compétitive sur les projets neufs puisque cette solution permet d'éviter une inflation de l'instrumentation classique reposant sur des mesures de déformation ponctuelle (témoin sonore) qui par ailleurs ne fournit pas une réponse satisfaisante, tout en améliorant l'information en détection et localisation des ruptures.

PRESENTATION DES FIGURES

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre un ouvrage d'art surveiller selon l'invention ;

- la figure 2 illustre des étapes d'un procédé de surveillance selon l'invention ;

- la figure 3 illustre une vue générale d'un câble coaxial ;

- la figure 4 illustre une vue en coupe d'un câble coaxial ;

- les figures 5a et 5b illustrent le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence (module et phase) ;

- la figure 6 illustre l'impédance caractéristique en fonction de la position dans l'état de référence et l'état déformé ;

- la figure 7 illustre la variation d'impédance caractéristique entre l'état de référence et l'état déformé ;

- la figure 8 illustre la variation d'impédance caractéristique entre un état sollicité en température et éventuellement en déformation et un état de référence.

Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Système et procédé de mesure La figure 1 illustre un ouvrage de génie civil 10 renforcé par au moins une armature 1 métallique telle que connue.

Ce type d'ouvrage de génie civil peut être un ouvrage en béton armé avec ou sans précontrainte pour des applications dans les domaines nucléaire, hydraulique, ouvrage d'art (pont, viaduc), une fondation d'éolienne ou bien en géomatériau pour des applications concernant les sols, les digues.

Les armatures 1 sont classiquement protégées de la corrosion en fonction de l'application et de la réalisation : acier galvanisé pour les armatures de terre armée, coulis de ciment et/ou cire pétrolifère pour la précontrainte.

Pour s'assurer du bon état des armatures 1 dans l'ouvrage, on procède à une surveillance de l'ouvrage selon un procédé ci-dessous décrit en relation avec la figure 2 et mis en œuvre par une unité de traitement telle qu'un processeur (non représenté).

A nouveau en relation avec la figure 1, outre les armatures 1, l'ouvrage comprend un câble électrique 2 constitué d'au moins deux éléments conducteurs, le câble ayant une première extrémité 20 et une seconde extrémité 20'.

Ce câble électrique 2 a été introduit dans l'ouvrage à des fins de surveillance de ce dernier et est noyé dans le coulis de ciment de l'ouvrage typiquement dans le cas de la précontrainte. Le câble électrique 2 est constitué d'au moins deux conducteurs électriques est par exemple un câble coaxial ou une paire torsadée. Certaines caractéristiques du câble électrique 2 sont connus (matériau, diamètre, etc.).

Afin de surveiller l'ouvrage, on procède à la mesure MES du coefficient de réflexion en impédance SU du câble électrique 2

Une telle mesure est mise en œuvre au moyen d'un analyseur 3 de réseau (en anglais, « Vector Network Analyser», (VNA)) en liaison avec l'unité de traitement. A partir de cette mesure, on obtient, par traitement numérique du signal, la distribution de l'impédance caractéristique du câble électrique2 en fonction du temps.

Connaissant l'impédance caractéristique et la structure du câble électrique, il est possible d'estimer la vitesse, dans le câble électrique, des ondes électriques ou de la supposer connues et donc d'exprimer la distribution d'impédance caractéristique du câble électrique 2 en fonction de la distance.

Le traitement TRAIT numérique du signal consiste à :

• extrapoler la réponse fréquentielle du câble électrique à une fréquence nulle afin de constituer le signal SU*,

• appliquer un filtre passe bas (FiltrePB(f)) anti-repliement au signal SU* à l'aide d'un filtre passe bas de type Hanning, Hamming, Kaiser- Bessel, Flap-Top, etc,

• calculer la transformée de Fourier inverse du signal SU* filtré en considérant le caractère causal et réel de la solution, c'est-à-dire qu'il ne peut y avoir de signal que pour des temps supérieur ou égale à 0 et que la solution est réelle ; on obtient donc la réponse impulsionnelle du câble électrique:

h(t) = TF^ÇSlVif) x FiltrePB(f))

• intégrer la réponse impulsionnelle, pour obtenir la réponse à un échelon

• appliquer une conversion affine à u(t) pour transformer la réponse à un échelon en impédance : Z _c (t) = Z _VNA avec Z _VNA l'impédance interne du VNA (en général 50Ω).

L'intérêt de mesurer le coefficient de réflexion en fréquence est que le rapport signal à bruit de la mesure est meilleur qu'en temporel (mesure de la réflexion d'une impulsion électrique en temporel puis transformation de Fourier des mesures).

Ensuite, on compare COMP l'impédance caractéristique avec une impédance de référence Z0 correspondant à un état de référence du câble électrique de manière à en déduire une variation d'impédance ΔΖ le long du câble électrique, fonction d'une grandeur physique caractéristique du câble.

L'état de référence du câble électrique est pris dans un contexte d'état de sollicitation initial de la structure à surveiller par exemple en température et/ou en déformation. La mesure se faisant par rapport à cet état initial pris pour référence.

Une grandeur physique est par exemple une déformation e _z longitudinale du câble électrique, la variation d'impédance ΔΖ étant définie par ΔΖ = C _e x e _z avec C _e la sensibilité à la déformation du câble électrique.

Une autre grandeur physique est par exemple la température. Dans ce cas, la variation d'impédance ΔΖ est définie par ΔΖ = C _t x At avec C _t la sensibilité à la température et At la variation de température.

Sensibilité à la déformation d'un câble coaxial

De préférence, le câble électrique est un câble coaxial. De manière connue et tel que cela est illustré sur la figure 3 (et en coupe sur la figure 4), un tel câble est constitué d'une gaine de protection 24, d'une tresse métallique 23, d'un diélectrique 22 séparant la tresse de l'âme métallique 21.

L'impédance caractéristique z _c du câble coaxial et la vitesse de propagation v _c d'un signal électrique dépendent de la géométrie de la section riau diélectrique :

avec L (H/m) et C (F/m) respectivement l'inductance et la capacité linéiques du câble coaxial, où L = ( ) et C = 2πε ₀ ε _τ /ΐη ( ).

On obtient alors : où c représente la vitesse d'une

onde électromagnétique dans le vide.

Pour un câble coaxial classique RG58 :

• l'impédance caractéristique vaut Z _c = 50 Ω

• la vitesse vaut v _c = c x 0,66.

Lorsqu'on applique une contrainte au câble coaxial, qu'elle soit mécanique ou thermique, la géométrie de la section du câble et/ou la permittivité électrique du matériau diélectrique sont modifiées entraînant une variation d'impédance et/ou de vitesse caractéristique.

Dans le cas d'une déformation longitudinale e _z du câble coaxial, seule la géométrie de la section du câble coaxial varie par effet poisson entraînant une variation d'impédance caractéristique de ΔΖ ; la vitesse reste inchangée. Un calcul de résistance des matériaux (RdM) donne le bon ordre de grandeur de la sensibilité à la déformation du câble coaxial C _ei telle que la variation d'impédance s'écrive ΔΖ = C _e x e _z .

En considérant les sections et les propriétés mécaniques (module dYoung et coefficient de poisson) de chaque matériau constituant le câble coaxial, nous pouvons calculer le module dYoung effectif du câble coaxial :

1 1

'gEg ^ _d E _d S _a E _a

avec la surface totale de la section du câble S _total = ^π ₄ dj, la surface de gaine S _g = ^π ₄ (dg - d _f ), la surface du diélectrique S _d = ^π ₄ (d _d - d _a ) et la surface de l'âme centrale S _a = ⁿ / ₄ d _ar où E _gi E _dl E _a sont les modules dYoung respectivement de la gaine, du diélectrique et de l'âme et où d _gi d _tl d _dl d _a sont les diamètres extérieurs respectivement de la gaine, de la tresse, du diélectrique et de l'âme. On considère ici que la raideur de la tresse est négligeable devant celles des autres matériaux. La déformation longitudinale du câble coaxial est donnée par e _z = o _z /E _eff avec σ _ζ la contrainte mécanique appliquée sur la section du câble coaxial. Par effet poisson, la déformation longitudinale e _z entraîne une déformation radiale de la section du câble coaxial notamment du matériau diélectrique e _rd = a _d /E _d x v _d et de l'âme e _ra = σ _α /Ε _α x v _a . Cette variation des diamètres se répercute alors sur l'impédance caractéristique du câble coaxial. On montre que cette variation d'im édance s'écrit alors :

Ainsi, la sensibilité à la déformation du câble coaxial C _e = AZ/e _z .

La sensibilité à la déformation du câble dépend des caractéristiques géométriques des câbles et la nature des matériaux utilisés. Pour un câble coaxial RG58, on a les propriétés suivantes :

• la gaine est réalisée en PVC (E _g = 300 MPa ; v _g = 0,4 ; d _g = 4,95 mm)

• la tresse est réalisée en cuivre (d _t = 3,45 mm)

· le diélectrique est réalisée en polyéthylène (E _d = 800 MPa ; v _d = 0,4 ; d _d = 2,95 mm ; e _r = 2,35)

• l'âme est constituée de 19 brins de cuivre de diamètre 0,18 mm soit un diamètre constitué d'environ 6 brins (E _a = 128 GPa ; v _a = 0,3 ; d _a = 1,08 mm)

Pour un tel câble, on trouve numériquement une sensibilité à la déformation C _e = -5,8 x 10 ^~6 /^m/m).

Sensibilité à la température d'un câble coaxial

En première approximation, la sensibilité à la température d'un câble coaxial provient de la dilatation des composants dans un plan de section du câble (figure 4). Sous l'effet de la chaleur, la gaine (tresse), le diélectrique et l'âme centrale se dilatent. Considérant que la tresse n'a pas de rigidité, la variation d'impédance peut s'exprimer en première approximation :

Avec a _T le coefficient de dilatation linéaire du diélectrique (pour le polyéthylènea _r = 2 x 1(Γ ⁴ AT ^-1 )

Pour un tel câble, on trouve numériquement une sensibilité à la température C _T = +8 x 10 ^~3 Ω/Κ.

Sous l'effet de la chaleur, les propriétés des matériaux constituant le câble électrique peuvent être modifiées ce qui contribuera à une variation d'impédance. Cette dépendance des propriétés matériaux à la température est mal connue mais pourra être estimée par un étalonnage en laboratoire.

De manière générale, les coefficients de sensibilité à la déformation, à la température ou à toute autre grandeur d'intérêt pourront être estimés par étalonnage en laboratoire.

Expérimentation

On a testé un câble coaxial pour vérifier la faisabilité de la mesure distribuée de déformation.

On a mesuré le coefficient de réflexion en impédance SU d'un câble coaxial RG58 connecté à un analyseur de réseau (VNA Anritsu MS2026C). La mesure est réalisée dans une bande de fréquence située entre 2 MHz et 4 GHz par pas de 1 MHz.

Le câble coaxial, d'une longueur d'environ 8 m, est attaché à une distance d'environ 5 m comptée à partir de l'extrémité du câble. Dans l'état de référence, une pré-charge est appliquée au câble grâce à une masse de 185 g suspendue 1 m plus loin que le point d'attache. Une mesure du coefficient de réflexion SU est enregistrée dans cet état de référence : état 0. L'état déformé est réalisé en ajoutant, à la pré-charge, une masse de 740 g puis une mesure de SU est enregistrée : état 1 (voir les figures 5a et 5b).

Les mesures du coefficient de réflexion SU sont alors traitées selon notamment l'algorithme TRAIT pour déduire des mesures brutes, l'impédance caractéristique du câble coaxial en fonction de la position (voir figure 6). Tout autre algorithme pourrait être utilisé pour effectuer cette étape d'inversion. L'extrémité du câble située à environ 8 m est clairement observable sur la figure 6 correspondant à une impédance qui tend vers l'infini en théorie (impédance de l'extrémité du câble « open »).

Après soustraction des impédances caractéristiques mesurées dans les états déformé et de référence, nous obtenons la variation d'impédance caractéristique répartie le long du câble coaxial (voir la figure 7).

Sur la figure 7, la zone en tension du câble coaxial apparaît clairement entre les abscisses 5,2 m et 6,2 m. Sur cette zone, l'amplitude de variation d'impédance est en moyenne de l'ordre de -0,0225 Ω.

En reprenant les calculs théoriques présentés ci-dessus dans le cas d'une masse suspendue de 740 g, on obtient que la variation d'impédance théorique est égale à -0,0232 Ω ce qui est en bon accord avec la mesure expérimentale, compte tenu des incertitudes sur les valeurs des propriétés mécaniques du câble coaxial et des incertitudes de mesures.

On a ainsi montré la faisabilité de la méthode à réaliser une mesure distribuée de déformation le long d'un câble coaxial.

Sur le même principe, il est possible de faire une mesure distribuée de la température le long du câble coaxial. Comme dans l'exemple précédent, l'algorithme de traitement permet d'une part de transformer la mesure en fréquence en distribution d'impédance en fonction du temps ou de l'espace puis en calculant la différence d'impédance entre un état quelconque et un état de référence de mesurer l'évolution d'impédance le long du câble. Cette première partie est commune aux différentes applications. En fonction de l'application, un second traitement va traduire la différence d'impédance en variation de grandeur physique (température, déformation, etc.) grâce à un modèle d'interprétation de la mesure. Cela dépend donc de ce qui est recherché. La figure 8 montre une faisabilité d'une mesure distribuée de température imposée autour de l'abscisse 2,2 m le long d'un câble tout en continuant à mesurer la déformation. Notons au passage la linéarité de la mesure de déformation imposée grâce à des masses suspendues de 3070 g et 7020 g entre l'abscisse 5,2 m et 6,2 m. Le coefficient de sensibilité à la température est estimé expérimentalement à +0,013 Q/°C. Compte tenu de l'essai de faisabilité, l'estimation du coefficient de sensibilité à la température est du bon ordre de grandeur de la valeur théorique (0,008 Q/°C). L'estimation plus précise des coefficients de sensibilité peut se faire par étalonnage.