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Suivi des infrastructures neuves et existantes par Capteurs Noyés pour évaluer les Indicateurs Nécessaires à leur Gestion durable – SCaNING

Suivi des infrastructures neuves et existantes par Capteurs Noyés pour évaluer les Indicateurs Nécessaires à leur Gestion durable

Pour un diagnostic approfondi ou le recalcul de la durée de vie, afin de prolonger l’usage des infrastructures, les gestionnaires d’ouvrages requièrent des informations qualifiées et quantitatives sur l’évolution continue des indicateurs de performance, en particulier, le module d’élasticité, la porosité et la teneur en eau des bétons. Pour les suivre en continu, nous développons des systèmes de capteurs noyés électromagnétiques, électriques et ultrasonores.

Enjeux et objectifs généraux

Pour un diagnostic approfondi ou le recalcul de la durée de vie afin de prolonger l’usage des infrastructures, les gestionnaires d’ouvrages requièrent des informations qualifiées et quantitatives sur l’évolution continue des indicateurs de performance, en particulier, la résistance à la compression, le module d’élasticité, la porosité et la teneur en eau des bétons. Le projet SCaNING a pour objectif de développer une approche systémique du suivi de santé des structures neuves ou existantes en béton armé comprenant : la validation de technologies de capteurs noyés (électriques, électromagnétiques et ultrasonores), le traitement de la mesure et l’extraction d’observables qualifiées, découplées des facteurs d’influence (en particulier la température), ainsi que la combinaison et la conversion des observables en indicateurs. Ces capteurs noyés présentent également l’intérêt d’apporter des informations quantitatives, locales très riches. Par conséquent, elles peuvent servir de référence aux évaluations non destructives réalisées en surface de l’ouvrage et ainsi permettre de les étalonner et les fiabiliser pour une cartographie quantitative de l’ensemble de la structure.<br />Les projets précédents sur les évaluations non destructives des indicateurs de durabilité du béton ayant montré la nécessité de combiner des méthodes d’auscultation, nous allons développer des systèmes de mesure basés sur des principes physiques différents utilisant des capteurs noyés ultrasonores, électromagnétiques et électriques. En capitalisant des connaissances issues de la littérature sur le contrôle de santé des structures, nous allons adapter les procédés de traitement des mesures permettant de supprimer les effets indésirables comme les variations de température. Une méthode de combinaison multiphysique, opérationnelle et intégrant les incertitudes va être conçue puis confrontée aux méthodes existantes (fusion de données, réseaux de neurones et logiciel libre « OpenTurns » www.openturns.org utilisé dans l’industrie) au cours d’un benchmark réalisé à partir des données du projet obtenues sur des maquettes réalisées dans ce projet.<br /><br />Les capteurs noyés sont utiles pour suivre l’évolution du matériau dès son plus jeune âge dans les ouvrages neufs. Cependant, les ouvrages anciens étant beaucoup plus nombreux, vieillissants et généralement d’importance stratégique pour le maître d’ouvrage, ils doivent être soumis à une surveillance renforcée. Il est donc crucial de concevoir des capteurs de monitoring de leur santé qui soient complémentaires et différents des capteurs classiques ponctuels de température, de déplacement, ou de contraintes/déformation. Pour obtenir des indicateurs qualifiés et fiables, nous prévoyons donc d’adapter l’approche systémique de traitement, calibration et combinaison à des capteurs implantés dans des structures anciennes.

Le projet SCaNING est organisé en cinq groupes de travail transversaux (voir le schéma organisationnel). Le WP1 est consacré à la coordination et à la valorisation du projet.

L'objectif du WP2 est de concevoir des systèmes de mesure à intégrer. Il est piloté par des chercheurs du LMDC et de l’Univ. Eiffel, spécialistes des méthodes EM et US.
Les objectifs communs, qui prennent en compte le degré de maturité de chaque méthode au démarrage du projet, sont :
• concevoir les systèmes de mesure et les tester sur des échantillons ;
• les mettre en œuvre sur de grandes maquettes ;
• comparer les mesures avec celles effectuées en surface ;
• modéliser les propriétés des champs d’ondes pour les intégrer dans les traitements.
Ainsi, le capteur noyé de résistivité conçu par [Badr et al. 2019] sera utilisé. Parallèlement, des sondes capacitives et des systèmes de capteurs piézoélectriques à faible coût seront conçus et testés numériquement, puis étalonnés dans des éprouvettes de béton. Toute la chaîne de mesure (génération, réception et traitement du signal) sera validée dans les démonstrateurs du WP5.

Le but du WP3 est l'extraction d'observables découplées des facteurs d'influence. Le WP3 est mené par des chercheurs du LMA et de l’Univ. Eiffel, intéressés par le SHM et le découplage des effets de température des enregistrements mécaniques sur site. L’identification des facteurs d’influence, leur suivi et le traitement des données résultant de l’état de l’art de SHM seront mis en œuvre pour améliorer la qualité des observables.

Le WP4 vise à évaluer les indicateurs par une méthode de traitement des observables. Il est dirigé par I2M et LMA dont les chercheurs développent des algorithmes d’intelligence artificielle ou des méthodologies de traitement des données. Une méthode de combinaison conviviale, avec étalonnage et prise en compte des incertitudes, sera élaborée pour extraire les indicateurs des observables multiphysiques. Un benchmark des outils disponibles (fusion de données, logiciel libre et la nouvelle combinaison multi-physique) permettra d’évaluer la confiance que l'ingénieur pourra accorder aux résultats.

Le WP5 vise à construire un démonstrateur en BA, instrumenté par les trois types de systèmes ainsi que des blocs de plus petite taille. Le WP5 est piloté par l’Univ. Eiffel et l’Andra, maitre d’ouvrage de structures neuves et anciennes. Le grand démonstrateur correspond à des structures en béton armé nouvelles, avec des capteurs intégrés dans le béton frais. Les blocs instrumentés par les mêmes capteurs mis dans des réservations quelques mois plus tard correspondent aux structures anciennes. Chaque système de capteurs sera relié à un datalogger spécifique ou à la carte mère générique PEGASE3, eux-mêmes connectés en Wifi au superviseur central STOCO. Cette plate-forme de gestion à distance sera configurée pour collecter le grand nombre de données provenant des démonstrateurs, les enregistrer et visualiser dans une base dédiée et les traiter.

En octobre 2021, deux doctorants ont commencé leurs travaux de thèse par la conception de systèmes de capteurs intégrés électromagnétiques ou ultrasonores, avec des études paramétriques numériques puis des essais expérimentaux. La validation des petits échantillons de béton est en cours. La caractérisation métrologique et statistique est également en cours.
Un ensemble de démonstrateurs seront instrumentés et soumis à différentes conditions environnementales : la maquette de béton armé avec tous les capteurs intégrés dans le béton frais et des blocs utilisés soit pour les analyses statistiques de correction et de calibration, soit pour des capteurs implantés dans des réservations plusieurs mois après le coulage. Le coulage des démonstrateurs est prévu au 1er trimestre 2023.
Suite à un état de l’art sur les méthodes de « nettoyage » utilisées en SHM pour corriger les données des effets indésirables, comme la température, un programme expérimental pour évaluer l’effet de la température sur les petits blocs été a conçu et planifié. Les fonctions de correction des observables des effets indésirables seront ainsi déterminées.

Le système de surveillance, de stockage et de communication des données collectées par les capteurs a également été développé en parallèle. Selon les systèmes de capteurs, la surveillance et la collecte de données sont assurées par des enregistreurs de données spécifiques (dataloggers) ou des cartes Pegase3 près des démonstrateurs. La supervision est assurée par le logiciel générique STOCO qui est configuré pour recevoir les données de ces différents dataloggers locaux. Les principales fonctions que STOCO apportera prochainement sont :
• la configuration à distance des différents capteurs (fréquence d’échantillonnage, ajustement des seuils, etc.) ;
• l’enregistrement de données dans une base de données (STOCO utilise la base de données MongoDB qui est une base de données non indexée dédiée à une grande quantité de données collectées) ;
• l’exportation de données dans des formats dont l’utilisateur a besoin pour permettre et accélérer la comparaison entre diverses méthodes de surveillance.
La visualisation graphique des données et leur traitement au sein de la plateforme STOCO sont encore en cours de développement. Notons que la conception des cartes électroniques, la programmation Pegase3 et les fonctions STOCO (pour les méthodes électrique et électromagnétique) ont été développées principalement en 2022 grâce à Quentin Bossard, ingénieur de recherche dont la contribution a été additionnellement financée par la Région Pays de la Loire en accord avec l’ANR.

La construction des démonstrateurs est notre prochain défi majeur en mars 2023. Ensuite, les autres objectifs du projet ANR-SCaNING seront étudiés tels que les corrections de température, l’étalonnage, le développement de la méthode de combinaison, le benchmark sur l’extraction des indicateurs et l’évaluation des différent méthodologies mises en œuvre.

Villain, G., Balayssac, J.-P., Garnier, V., Sbartaï, M., Yven, B., Hénault, J.-M., Dérobert, X., Chaix, J.-F., Le Cam, V., Palma Lopes, S., Abraham, O., Projet SCaNING : Suivi des infrastructures neuves et existantes par Capteurs Noyés pour évaluer les Indicateurs Nécessaires à leur Gestion durable. Academic Journal of Civil Engineering, 2021, 38(2), 94-98. journal.augc.asso.fr/index.php /ajce/article/view/2493/2153 (Diagnobéton 2020, Bordeaux)

Ibrahim, H., Villain, G., Balayssac, J.-P., Dérobert, X., Palma Lopes, S., Devie, T., Procédure de calibration et développement d’un capteur capacitif noyé pour garantir une bonne durabilité des structures en béton armé, 25ème Congrès Français de Mécanique CFM, Nantes, 29 août au 2 septembre 2022 (article + présentation orale courte + poster)

H. Ibrahim, G. Villain, JP. Balayssac, X. Dérobert, S. Palma Lopes, C. Fauchard, V. Guihard, Calibration process of a capacitive probe for monitoring of reinforced concrete nuclear structures, NDE-NucCon - International Conference on Non-destructive Evaluation of Concrete in Nuclear Applications, January 25-27, 2023, Espoo, Finland.

R. Hariri, V. Garnier, J-F. Chaix, O. Abraham, Monitoring of concrete property gradients by embedded ultrasonic sensors, NDE-NucCon - International Conference on Non-destructive Evaluation of Concrete in Nuclear Applications, January 25-27, 2023, Espoo, Finland.

Pour un diagnostic approfondi ou le recalcul de la durée de vie afin de prolonger l’usage des infrastructures, les gestionnaires d’ouvrages requièrent des informations qualifiées et quantitatives sur l’évolution continue des indicateurs de performance, en particulier, le module d’élasticité, la porosité et la teneur en eau des bétons. Le projet SCaNING a pour objectif de développer une approche systémique du suivi de santé des structures neuves ou existantes en béton armé comprenant : la validation de technologies de capteurs noyés (électriques, électromagnétiques et ultrasonores), le traitement de la mesure et l’extraction d’observables qualifiées, découplées des facteurs d’influence (en particulier la température), ainsi que la combinaison et la conversion des observables en indicateurs. Ces capteurs noyés présentent également l’intérêt d’apporter des informations quantitatives, locales très riches. Par conséquent, elles peuvent servir de référence aux évaluations non destructives réalisées en surface de l’ouvrage et ainsi permettre de les étalonner et les fiabiliser pour une cartographie quantitative de l’ensemble de la structure.
Les projets précédents sur les évaluations non destructives des indicateurs de durabilité du béton ayant montré la nécessité de combiner des méthodes d’auscultation, nous allons développer des systèmes de mesure basés sur des principes physiques différents utilisant des capteurs noyés ultrasonores, électromagnétiques et électriques. En capitalisant des connaissances issues de la littérature sur le contrôle de santé des structures, nous allons adapter les procédés de traitement des mesures permettant de supprimer les effets indésirables comme les variations de température. Une méthode de combinaison multiphysique, opérationnelle et intégrant les incertitudes va être conçue puis confrontée aux méthodes existantes (fusion de données, réseaux de neurones et logiciel libre « OpenTurns » www.openturns.org utilisé dans l’industrie) au cours d’un benchmark réalisé sur les données du projet obtenues sur des maquettes réalisées dans ce projet.
Les capteurs noyés sont utiles pour suivre l’évolution dans les ouvrages neufs. Cependant, les ouvrages anciens étant beaucoup plus nombreux, vieillissants et généralement d’importance stratégique pour le maître d’ouvrage, ils doivent être soumis à une surveillance renforcée. Il est donc crucial de concevoir des capteurs de monitoring de leur santé qui soient différents des capteurs classiques ponctuels de température, de déplacement, ou de contraintes/déformation. Pour obtenir des indicateurs qualifiés et fiables, nous prévoyons d’adapter l’approche systémique de traitement, calibration et combinaison à des capteurs implantés dans des structures anciennes. Ainsi les maquettes en béton armé seront dupliquées : l’une pour les capteurs noyés dans le béton frais et l’autre pour des capteurs implantés dans des réservations plusieurs mois après le coulage. Le système de monitoring, stockage et communication des données recueillies par les capteurs sera aussi développé.
Les livrables attendus sont les capteurs ultrasonores, électromagnétiques et électriques, la méthodologie allant de recommandations d’implantation à l’extraction des indicateurs qualifiés assortis de leurs incertitudes, utiles aux exploitants. Les maquettes instrumentées, équipées des systèmes d’acquisition seront reliées à un serveur pour rendre les données accessibles à tout le consortium pendant le projet puis mises à disposition de la communauté scientifique en libre accès après la finalisation et la valorisation du projet ANR SCaNING.

Coordination du projet

Géraldine Villain (UNIV. Gustave Eiffel - Département Matériaux et Structures)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

EDF SA / R&D / PRISME
Andra AGCE NAT POUR LA GESTION DECHETS
LMDC LABORATOIRE MATERIAUX ET DURABILITE DES CONSTRUCTIONS
I2M INSTITUT DE MECANIQUE ET D'INGENIERIE DE BORDEAUX
UNIV. Gustave Eiffel - MAST UNIV. Gustave Eiffel - Département Matériaux et Structures
LMA Laboratoire de mécanique et d'acoustique

Aide de l'ANR 609 343 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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