Reseau de recherche et d'innovation technologique



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#26177

Projet SENSO 

Stratégie d’Evaluation Non destructive pour la Surveillance des Ouvrages en béton


ANNEXE TECHNIQUE

17/11/2005




Partenaires



Coordinateur 


  • Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions – INSA / UPS – Toulouse (LMDC)





Partenaires :


  • GETEC

  • ONERA – Toulouse – DEMR

  • CDGA – Université de Bordeaux 1

  • Exam-BTP

  • LCPC - Sections « Reconnaissance et Géophysique » et « Métrologie et Instrumentation »

  • Port autonome de Nantes – Saint-Nazaire (PANSN)

  • LEAT - UMR n°6071 – CNRS / Université de Nice – Sophia Antipolis

  • LCND – Université de la Méditerranée – Aix en Provence

  • EDF – CEIDRE-TEGG

  • GEA – UMR n°9929 – CNRS / Ecole Centrale de Lille

  • SOVEP






Mots-clés :

Evaluation non destructive

Ouvrages en béton

Fusion de données

Indicateurs de durabilité

Indicateurs pathologiques



I – Présentation synthétique du projet SENSO



Résumé technique

La nécessité de l’évaluation non destructive des constructions résulte de besoins croissants en matière de diagnostic pathologique, de requalification et de prédiction de la durée de vie des structures. Dans ce contexte, il est possible de classer les informations issues de l’auscultation en deux catégories interdépendantes :



  • les indicateurs pathologiques ;

  • les indicateurs de durabilité (mécanique et physique).

Les objectifs du projet SENSO se concentreront sur l’évaluation quantitative et non destructive de neuf des principaux indicateurs in situ : porosité, teneur en eau, teneur en chlorures, rigidité, résistance mécanique, indicateur de macro-fissuration, coefficient de perméabilité, coefficient de diffusion, front de carbonatation.

Pour chaque indicateur, les objectifs sont les suivants : évaluer sa valeur (caractéristiques moyennes et degré de variabilité) et estimer en parallèle le degré de fiabilité de cette évaluation. Pour répondre à ces objectifs, les voies d’action seront :



  • l’amélioration des techniques de mesure (soit par des développements techniques – qui demeureront cependant mineurs, soit par une meilleure connaissance, grâce à un travail de modélisation et de simulation, des phénomènes physiques impliqués dans la mesure) pour en étendre le domaine d’utilisation et en améliorer la précision,

  • l’acquisition d’ensembles de données expérimentales relatives au matériau dans le périmètre de l’étude,

  • l’application, innovante en génie civil, de méthodes d’analyse des données, pour mieux valoriser l’ensemble des données recueillies,

  • l’établissement de protocoles d’évaluation, de la mesure au diagnostic, conçus pour la mise en œuvre sur des ouvrages existants et validés sur de tels ouvrages.


Enjeux scientifiques et techniques :

Les principaux enjeux scientifiques et techniques du projet SENSO ont trait à la méthodologie de l’auscultation des ouvrages en béton, depuis l’acquisition de données pertinentes in situ jusqu’au traitement et à l’analyse de ces données dans le but d’en extraire des informations fiables et utiles.

Pour cela, plusieurs verrous scientifiques devront être levés, en particulier dans le domaine de l’analyse des données. Les stratégies d’investigation usuelles conduisent souvent à accumuler les mesures sans que ces mesures soient réellement valorisées, soit parce que leur degré de signification est méconnu (nombreuses sources d’incertitude, non prise en compte de la variabilité intrinsèque ou héritée des propriétés), soit parce qu’aucun parti n’est réellement tiré de la multiplicité des investigations, les mesures étant plus « juxtaposées » que réellement exploitées en combinaison.

Afin de valoriser les résultats des investigations in situ, SENSO proposera donc une nouvelle approche de l’acquisition, du traitement et de l’analyse des données d’auscultation en génie civil. Outre l’amélioration des connaissances sur les phénomènes physiques relatifs aux différentes technologies éprouvées, cette approche mettra l’accent sur la combinaison des techniques et sur l’utilisation de méthodes innovantes en matière d’analyse de données expérimentales : fusion de données, logique floue, réseaux de neurones artificiels…


Attentes économiques liées au projet :

L’impact potentiel de SENSO sur les plans économiques et industriels est traduit par l’intérêt affiché par cinq des douze partenaires de ce projet, gestionnaires d’ouvrages pour certains, prestataires de services en matière de surveillance et de diagnostic pour les autres.

La fiabilisation du diagnostic par une meilleure exploitation des outils d’END et l’anticipation sur la dégradation des ouvrages représentent un enjeu économique majeur en terme de gestion rationnelle du patrimoine bâti. De plus, une meilleure pratique de l’évaluation non destructive se traduirait également par une réduction des coûts liés à l’immobilisation des structures.

Sur le plan industriel, le développement des connaissances sur les outils existants, associé à de nouvelles approches méthodologiques du traitement et de l’analyse des données d’auscultation conduirait à de nouvelles solutions techniques non destructives permettant l’évaluation et la surveillance des ouvrages en béton.


II - Description détaillée des actions de recherche



II.1 - Rappel des techniques d’investigation et des indicateurs visés
Les techniques suivantes seront éprouvées et développées dans le cadre du projet :


  • prospection électromagnétique (radar), 

  • prospection acoustique (ultrasons), 

  • prospection électrique – résistivité, 

  • thermographie infra-rouge,

  • mesures capacitives.

Rappelons que les indicateurs (pathologiques et de durabilité) étudiés seront :




  • les propriétés mécaniques : module, résistance,

  • la teneur en eau, le degré de saturation et la porosité (paramètres dépendants),

  • la profondeur de carbonatation et la teneur en chlorures,

  • la profondeur de macro-fissure,

  • les propriétés de transfert.


II.2 - Phase expérimentale : campagnes de mesures sur échantillons et sur ouvrages
II.2.1 - Campagne d’essais de laboratoire 
Elle est prévue sur une gamme de bétons représentatifs dans le but d’établir un ensemble de relations empiriques entre mesures non destructives et indicateurs. Le béton sera considéré à ce stade comme un matériau homogène. Lors de cette campagne, des essais croisés seront réalisés par l’ensemble des partenaires sur les mêmes corps d’épreuves dans l’optique de la fusion de données.
On prévoit de réaliser tout d'abord des corps d’épreuve placés en ambiance de laboratoire. L’objectif est de contrôler les indicateurs visés par des méthodes d’investigation classiques et de déterminer des lois de calage entre les grandeurs mesurées par des techniques non destructives et ces indicateurs. La gamme des bétons analysés doit couvrir une plage de porosité suffisamment étendue pour être représentative de ce qui est classiquement rencontré sur les ouvrages (typiquement dans la gamme fc28 = [25 – 50] MPa).
Des corps d’épreuve présentant des défauts (fissures) et des gradients de propriétés physiques ou mécaniques seront réalisés dans un second temps.

On concevra également des maquettes conservées à l’extérieur, exposées dans des conditions proches des ouvrages réels et comportant un ferraillage (certaines zones pouvant en être exemptes pour pouvoir effectuer des prélèvements par exemple). L’objectif de ces essais situés à mi-chemin entre les essais sur corps d’épreuve et les campagnes sur sites est multiple :


- validation des essais réalisés dans des conditions parfaitement contrôlées, définies précédemment, sur des éléments en vraie grandeur,
- maîtrise des données initiales sur les caractéristiques du béton et sur la position du ferraillage, ce qui n’est pas toujours le cas sur site,
- possibilité de procéder à tous les essais destructifs nécessaires pour recalage au moment des mesures, ce qui ne sera jamais le cas sur ouvrages,
- possibilité d’instrumentation de la maquette au moment de la fabrication (capteurs pour mesures d’humidité interne par exemple).

Phase S1 – Sensibilité des techniques et réduction des incertitudes épistémiques au laboratoire
Il s’agit de définir la sensibilité des techniques et de prendre en compte les erreurs systématiques qui peuvent être faites lors de la mesure. Pour cela deux approches sont envisagées :


  • les relations entre les indicateurs recherchés et les grandeurs mesurées (principalement issues du CND, éventuellement complétées de mesures plus courantes). Il s’agira ici de quantifier et de formaliser la sensibilité et la précision des mesures aux paramètres d’influence ;




  • les corrélations entre les mesures obtenues via les différentes techniques. Ces corrélations pourront ensuite être utilisées pour réduire les incertitudes (voir S-5).


Phase S2 - Quantification des incertitudes stochastiques au laboratoire
L’objectif est de quantifier les incertitudes liées aux différentes variabilités pouvant modifier la mesure et en particulier celles qui peuvent être attribuées au matériau lui même. Il s’agira ici de quantifier la variabilité stochastique des mesures.
Une meilleure connaissance des incertitudes stochastiques et épistémiques favorisera leur prise en compte afin d’améliorer la fiabilité des mesures et par voie de conséquence l’évaluation des indicateurs de durabilité.

Pilotage :

Le pilotage qui regroupe la fabrication et la coordination des essais sera assuré par le LMDC (Toulouse) pour les corps d’épreuve en béton et par le GEA (Lille) pour les maquettes.


II.2.2 - Campagne d’essais sur site 
On procédera au choix de plusieurs ouvrages sains et pathologiques et à la mise en œuvre d’une campagne expérimentale en place.
Phase S3 - Estimation des incertitudes épistémiques et stochastiques sur site
Cette phase vise à :
- mesurer et quantifier la variabilité des mesures pour les différentes techniques employées,
- prélever des échantillons et pratiquer des essais de contrôle, afin de quantifier au mieux les propriétés (indicateurs) et leur variabilité,
- documenter une base de données combinant les mesures de CND et les indicateurs.
On séparera la variabilité spatiale (gradients), qui constitue l’objet même de l’évaluation de l’ouvrage, de la variabilité irréductible (bruit, incertitude), qui conditionne la qualité de cette évaluation.
Au cours de ces trois premières phases (S1-S3), on se borne à recueillir des données, à en faire une exploitation immédiate (relations empiriques, corrélations, mesures de variance). C’est au cours de la phase suivante que la valorisation sera entreprise.

Pilotage :

La campagne d’essais sur site sera coordonnée par le LCPC (Nantes).



II.2.3 - Phase de modélisation et d’analyse des données


Phase S4 - Modélisation pour améliorer l’interprétation des mesures et réduire les incertitudes épistémiques.
Modélisation physique des processus de mesure et contribution :

    1. à l’amélioration de la qualité des mesures

    2. à l’amélioration de l’estimation des propriétés

En effet la compréhension de la physique des phénomènes liés aux différentes techniques d’END permet de mieux exploiter les mesures dans une logique de problème inverse couplé. On s’appuiera sur la modélisation directe pour mettre au point des dispositifs expérimentaux plus adéquats, améliorer les procédures expérimentales. La séparation des influences des différentes variables expérimentales ou de matériaux sur les paramètres mesurés peut également s’appuyer sur la modélisation.


On envisage ainsi de progresser :
- dans la connaissance des couplages matériau-capteurs,

- dans l’interprétation des mesures : par exemple, la mise en évidence des gradients de propriétés perpendiculaires à la surface et leur influence sur les mesures.


Phase S5 - Analyse des données pour réduire les incertitudes épistémiques et quantifier les incertitudes stochastiques.
Il s’agira ici d’exploiter au mieux et de valoriser l’ensemble des données, relations et corrélations établies dans les phases S1-3.
L’innovation scientifique consistera à mettre en œuvre des techniques d’analyse innovantes (en génie civil), capables de tenir compte des résultats obtenus précédemment, soit :

- de la sensibilité de chaque mesure à chaque propriété,

- de l’incertitude d’estimation attachée à chacune des propriétés,

- des limites des méthodes actuelles.


La principale méthode envisagée est la fusion de données. La fusion de données a un triple but : améliorer la performance d'un système de mesure malgré les limitations physiques des techniques, utiliser des données provenant de plusieurs sources et maîtriser la démarche expérimentale générale. Elle permet de tirer partie d’informations issues de plusieurs techniques ou de plusieurs conditions expérimentales. Enfin elle propose une gestion de l’incertain notamment lorsqu’il y a conflit entre plusieurs sources d’informations.
Le traitement et l’analyse des données d’auscultation pourront également faire appel à l’analyse statistique multivariable (ACP) et à des outils de modélisation statistique non paramétrique tels que les réseaux de neurones artificiels. Ces outils permettront, sur la base de l’apprentissage des relations mesures/indicateurs (en s’appuyant sur la base de connaissances qui rassemblera les données expérimentales des phases S1-S3), d’établir un ensemble de relations statistiques, puis de déduire les valeurs des indicateurs correspondant à un ensemble de mesures donné (une telle approche ne repose pas sur une modélisation physique des processus et ne nécessite a priori aucune connaissance sur les phénomènes en jeu).
Les résultats attendus sont :
- l’exploitation de l’ensemble des données obtenues sur les ouvrages pour établir les corrélations entre mesures et propriétés et valider (ou pas) les corrélations établies au laboratoire,
- la mise au point des algorithmes d’analyse et de traitement des données qui permettront d’estimer les indicateurs (propriétés moyennes, variabilité, degré de confiance ou précision de l’estimation). Les apports d’informations additionnelles (« a priori » déduits de la connaissance de l’ouvrage et de son histoire) seront quantifiés (on analysera la manière dont ces informations peuvent aider à réduire les incertitudes).
D’un point de vue opérationnel, on proposera :
- des programmes d’investigation, conçus pour répondre à des objectifs précis (obtenir la valeur d’indicateurs donnés, à un niveau de confiance donné),
- des procédures éventuelles de correction des mesures et d’interprétation en situation opérationnelle, en précisant leur validité.

Pilotage :

La phase S4 relative au développement et à l’amélioration des techniques sera sous la responsabilité de chaque équipe mais son avancement sera évalué au cours des réunions régulières des partenaires.


La phase S5 sera pilotée par le CDGA (Bordeaux1) pour tout ce qui concerne le dépouillement des résultats et l'analyse des mesures sur éprouvettes, corps d’épreuve et ouvrages et par le LCND (Aix) pour la valorisation croisée des résultats de mesure, la fusion de données et autres analyses statistiques qui seront réalisées.
II.2.4 - Phase de validation et d’exploitation
Phase S6 - Retour d’expérience sur ouvrages et validation en aveugle.
Il sera procédé au choix d’un ou deux ouvrages de référence sur lesquels des auscultations sont programmées par le gestionnaire. L’objectif de cette partie est double :


  • il s’agit tout d’abord de valider en conditions réelles les développements réalisés en laboratoire et sur sites tests (calibration, fusion de données). Les mesures seront alors réalisées totalement en aveugle sur des zones préalablement fixées par le gestionnaire de l’ouvrage. En parallèle des essais non destructifs, des prélèvements seront également réalisés de façon à évaluer par des mesures classiques les propriétés recherchées.




  • les indicateurs de durabilité évalués seront assortis d'un intervalle de confiance, afin de fournir aux calculateurs un ensemble de données utiles pour établir un diagnostic complet de l’état de l’ouvrage et le replacer dans son cycle de vie.


Pilotage :
Cette phase sera coordonnée par le LCPC (Nantes).

II.2.4. Rôles des partenaires

Pour des raisons d’organisation matérielle, les partenaires ont désigné des coordinateurs pour plusieurs opérations collectives, qui demandent une programmation temporelle rigoureuse des contributions1 :




Tâche

Equipe coordinatrice

Conception, fabrication des corps d’épreuves en béton, planification des interventions et collecte des résultats de mesure

LMDC Toulouse

Conception, fabrication des maquettes, planification des interventions et collecte des résultats de mesure

GEA Lille

Identification des ouvrages de référence, planification des interventions sur ouvrages et collecte des résultats de mesure

LCPC Nantes

Dépouillement des résultats et analyse (en termes de corrélations, statistique, relations empiriques) des mesures sur corps d’épreuve et ouvrages

CDGA Bordeaux1

Stratégie de contrôle, valorisation croisée des résultats de mesure et fusion de données

LCND Aix

Le tableau ci-dessous présente l’implication des partenaires institutionnels vis à vis des différentes techniques de CND qui seront éprouvées et développées :




Technique de CND

Partenaires impliqués

prospection électromagnétique (radar)

LMDC Toulouse, LCPC Nantes, LEAT, ONERA Toulouse

prospection acoustique (ultrasons) 

LCPC Nantes, Lille, Aix

prospection électrique – résistivité 

CDGA Bordeaux1, LMDC Toulouse

thermographie infrarouge 

CDGA Bordeaux1

mesures capacitives 

LCPC Nantes

Le tableau suivant synthétise les différentes implications de chaque partenaire industriel.




Partenaire

Types d’implication

Accès aux ouvrages

et informations diverses



Logistique, Matériels

Participation aux essais

Avis consultatif

GETEC

o

o




o

EXAM - BTP

o

o

o

o

SOVEP

o

o




o

EDF

o

o

o

o

PANSN

o

o




o

III - Echéancier


Projet SENSO : échéancier

Année

1

2

3




Mois

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

S-1

Conception du programme expérimental

Expériences (éprouvettes homogènes)

Expériences (suite)

Collecte des résultats

&

Exploitation



Exploitation des résultats

Expériences (éprouvettes avec défauts, gradients)

Expériences (suite)

Collecte des résultats

&

Exploitation



Exploitation des résultats




Synthèse des résultats expérimentaux (lois, validité, précision…)




S-2

Expériences ( variabilité - éprouvettes homogènes )

Expériences (variabilité – maquettes)

S-3




Définition des ouvrages

Mesures sur ouvrages, prélèvements et essais de contrôle (série1)

Collecte des résultats & exploitation

Exploitation des résultats

Mesures sur ouvrages, prélèvements et essais de contrôle (série2)

Collecte des résultats & exploitation

Exploitation des résultats

S-4

Synthèse des besoins

Bibliographie



Développements méthodologiques




Synthèse (valorisation de la combinaison des essais)




S-5

Analyse des données

Stratégie de fusion



Méthodologie de fusion

Modélisation de fusion

Exploitation et valorisation des résultats de S-1 et S-2

Exploitation et valorisation des résultats de S-3

S-6




Définition des ouvrages

Mesures sur ouvrages, prélèvements et essais de contrôle

Analyse des résultats

Evaluation de l’ouvrage







Rapports
















RA
















RA
















RI
















RA
















RA






















RF

Réunions

1










2







3







4













5










6







7
















8










9







10







Aide

A1































A2


































A3








































S

Légende : RA  (rapport d’avancement) – RI (rapport intermédiaire) – RF (rapport final) – A (avances, A1 : 30%, A2 : 25%, A3 : 25%) – S (solde 20%)

IV - Productions scientifiques & Valorisation
L’avancement du projet sera tout d’abord concrétisé par la rédaction de 4 rapports d’avancement, 1 rapport intermédiaire et 1 compte-rendu final, soit 6 rapports au total.
De plus, SENSO sera assorti d’une politique de communication visant un public aussi large que possible. Cet objectif est motivé par la volonté de sensibiliser à la fois les chercheurs et l’ensemble des professionnels concernés par la gestion durable du patrimoine bâti aux nouvelles approches d’évaluation non destructive qui seront développées.
Pour cela, les résultats du projet SENSO feront l’objet de publications dans des revues scientifiques internationales (NDT&E International, Revue Européenne de Génie Civil, Cement and Concrete Research), mais également dans des revues permettant une diffusion large auprès des différents acteurs de la communauté du génie civil (Annales du BTP, Bulletin des LPC…).
Les partenaires s’engagent également à participer à différentes manifestations à caractères scientifiques et/ou techniques (Colloque Le Pont, AFGC, Conférences internationales : NDT-CE, Structural Fault and Repair, Journées Techniques…).
Au terme du projet et dans l’année qui suivra, des protocoles d’évaluation seront rédigés pour valoriser l’ensemble du travail accompli, en particulier les développements en traitement et fusion des données. On s’attachera à produire des éléments directement utilisables par les différents acteurs de la profession, par exemple des guides techniques pour un meilleur usage de l’évaluation non destructive ou bien des logiciels pour une mise en œuvre pratique de la fusion de données.

Enfin, les partenaires proposent de restituer de façon concrète les connaissances et l’expérience qu’ils auront acquises en organisant, à la fin du projet, des opérations de démonstration et de formation ouvertes à l’ensemble de la communauté du génie civil. Par exemple, une ou deux campagnes d’essais « ouvertes » sur sites réels seront planifiées afin de présenter les outils opérationnels et de sensibiliser les personnes intéressées aux problèmes relatifs à l’acquisition des données d’auscultation. Ces campagnes d’essais pourraient être couplées à des séminaires d’initiation aux nouvelles approches du traitement et de l’analyse des données d’auscultation.


V - Modalités de suivi des recherches et site Internet
Des réunions de travail sont prévues selon une périodicité de 4 mois environ. La fréquence de ces réunions permettra d’assurer un suivi régulier de l’avancement de chaque phase et d’effectuer d’éventuels recadrages.
Dès le démarrage du projet, un site Internet sera créé afin d'assurer la publicité la plus large possible au projet SENSO. Ce site Internet servira également à l’échange d’informations (divers documents et résultats d’essais) entre les différentes équipes grâce à la création d'un espace de travail dont l’accès sera limité aux partenaires.


1 Ces coordinateurs n’ont pas pour mission de faire le travail, mais d’assurer qu’il sera fait, dans les délais définis, par l’ensemble des partenaires.



ANNEXE TECHNIQUE - Projet SENSO

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