L`auscultation par capteurs à corde vibrante, 80 ans de retour d
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1. Figure 9 Evolution des charges l mentaires des cales CVS Noter la reprise des mesures en 20053 3 3 Retour d exp rience Au del des exemples pr sent s ci avant le retour d exp rience que l on peut tirer partir de l chantillon des barrages ou ouvrages surveill s par Tractebel Engineering Coyne et Bellier est le suivant Page 11 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience 3 3 1 Durabilit Les CCV les plus anciens de l chantillon ont t implant s dans la vo te de Kariba en 1958 55 ans apr s leur installation 80 sont encore op rationnels 90 100 des CCV install s il y a plus de 30 ans Puy Terrier Joux et Michelbach sont op rationnels 47 des CCV de 20 30 ans d ge sont op rationnels Gouffre d Enfer Joux Puy Terrier butons 0 Kariba 67 des CCV de 10 20 ans d ge sont op rationnels Bois Noirs Touche Poupard Esch La totalit des CCV de moins de 10 ans sont op rationnels Arras Boll ne Gimond Gouffre d Enfer Pas de la Mule 3 3 2 Classement des causes de d faillance Les causes de d faillance les plus fr quentes class es par ordre d importance d croissante sont les suivantes foudre Bois Noirs endommagement de c bles pendant des travaux Kariba Esch endommagement des connections Kariba butons de l appui sud 3 3 5 R cup ration prolongement de l2. 28 1 97 30 1 97 142197 3 2197 5 2 97 742197 9 2 97 14 2 97 13 2 97 15 2 97 17 297 19 2 97 900 I 5 PEFR AE FANE wl bgtodnage IRERREAADUES 600 ee 1 II Ha 500 n G 400 D 360 G 5 200 G 100 100 Figure LI D formations tangentielles mesures extensom triques d tection de l apparition de fissures 3 3 5 D tection de ph nom nes volutifs long terme La robustesse des capteurs et leur stabilit dans le temps les rend particuli rement aptes d tecter des ph nom nes volutifs sur le long terme gonflement du b ton augmentation lente de la pression interstitielle dans les digues en terre d formations diff r es du b ton des enceintes de confinement des centrales nucl aires Ceci est primordial pour l auscultation de barrages et plus g n ralement d ouvrages dont la dur e de vie d passe largement 50 ans Dans le cas de Kariba la grande richesse du dispositif a permis d accumuler pendant des dizaines d ann es des mesures extensom tres t moins de la vo te et du laboratoire d essai qui ont t exploit es ensuite pour analyser le ph nom ne de gonflement du b ton de la vo te Ceci plaide absolument pour la maintenance des dispositifs d auscultation sur le long terme qui permet de mieux exploiter les signaux faibles avec les m thodes ad quates de tratement 3 3 6 Evolutivit du dispositif Les dispositifs d auscultation capteurs corde vibrante
3. formation de la membrane aux variations de la grandeur mesurer La qualit de ces appareils d pend fortement de la qualit de la membrane de son d couplage avec l enveloppe et de la qualit de cette enveloppe tanch it minimisation des effets de la temp rature Figure 4 Cales dynamom triques G o instrumentation Le mode de fabrication diff re d un fabricant un autre La corde peut tre simplement sertie ou fix e par une liaison c ne c ne la membrane peut tre simplement encastr e ou usin e soufflet le c ble peut tre plus ou moins solidement arm et blind et tanche Toutes les m thodes de fabrication et de montage ne se valent pas Seule l exp rience permet de trancher 2 1 4 Mise en place des CCV Les capteurs peuvent tre noy s dans le b ton extensom tres plac s dans une chambre de mesure en forage mesure de pression interstitielle fonc s dans des mat riaux fins mesure de pression interstitielle ou entre b ton ma onnerie et une recharge aval mesure de pression totale ils sont donc rarement accessibles une fois install s Les CCV sont des appareils ponctuels par opposition des appareils dits int grateurs gt tels que par exemple les extensom tres longue base ou les pendules Ils donnent en effet des informations locales sur les d formations les pressions l o 1ls sont install s 2 13 Prise en compte des effets thermiques Les mesures extenso
4. infrastructure enceintes nucl aires ponts quip s de capteurs corde vibrante nous permettent de tirer des enseignements en mati re d apport l auscultation des ouvrages de dur e de vie et vieillissement des capteurs de d rive des capteurs de red marrage de capteurs ne r pondant plus et d int gration de capteurs anciens dans des dispositifs nouveaux Les caract ristiques principales de quelques barrages repr sentatifs sont pr sent es dans le tableau ci avant Ces barrages sont galement quip s d appareils d auscultation autres que les CCV pendules directs et invers s rep res topographiques pi zom tres extensom tres en forage qui n ont pas t mentionn s ici Les ouvrages ont t instrument s par des CCV diff rents moments de leur histoire auscultation install e la construction Kariba Michelbach Puy Terrier Touche Poupard renforcement du dispositif d auscultation insuffisant Kariba Gouffre d Enfer Bois Noirs Arras compl ment d auscultation pour appr cier l efficacit de travaux de confortement Kariba Joux Esch sur S re Gouffre d Enfer La Gimond Page 6 2 experience gt Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d suoleuuoJ p Sa 4ed JU9W972911pUI 3eul 40 e40qe7 1s l eads ANE E P ES
5. quipant les barrages de l chantillon ont t tout fait aptes int grer les volutions techniques du mat riel Lorsque le barrage tait d j quip de capteurs corde vibrante et d un dispositif d acquisition automatique des mesures les nouveaux capteurs corde vibrante de m me type ou de types plus r cents ont t raccord s l installation existante Les postes de lecture d origine ou les centrales d acquisition automatique des donn es ont t remplac s par des mod les plus r cents Kariba Esch sur S re sans incidence sur l exploitation des donn es 4 ASPECTS ECONOMIQUES 4 1 D composition type des co ts Les co ts d un dispositif d auscultation corde vibrante peuvent se d composer comme suit Co t de la fourniture et de la pose du mat riel capteurs c bles bo tes de jonction parafoudre poste de lecture centrale d acquisition automatis e des mesures Co ts d exploitation test et remplacement des parafoudres propre aux CCV entretien maintenance du poste de lecture ou de la centrale d acquisition non propre aux CCV On constate de mani re g n rale sans que ces constats soient propres aux CCV que les co ts de la fourniture des capteurs sont inf rieurs au co t des travaux n cessaires leur installation et ne repr sentent qu une part faible de la fourniture d ensemble du mat riel Or c est l outil de recueil de l information Econom
6. sente qu une petite partie du co t de mise en place de l auscultation d un ouvrage lui m me ne participant que faiblement au co t total des ouvrages en construction ABSTRACT 2012 marks the 80 anniversary of the first installation of vibrating wire sensors in France Vibrating wire technology has been applied for the monitoring of various infrastructures measurement of pore pressure total pressure deformation strain gauges and prestressing load cells The analysis of the behavior of these sensors shows that these sensors have a durability robustness and reliability over time during more than 60 years The presence of a second coil allows extending their life The main causes of failure are not due to the sensor itself but its environment cable damage during construction damage by lightnins More generally the cost of a sensor is minor compared to the cost of the monitoring system The latter one itself is small compared to the total cost of the works under construction 1 HISTORIQUE Le brevet du capteur extensom trique corde vibrante dit aussi lt t moin sonore gt a t d pos Paris par Andr Coyne en 1931 Les premiers capteurs corde vibrante CCV install s sur un barrage sont les 17 extensom tres qui auscultent le b ton de la vo te du barrage de la Bromme sur la Truy re 1930 1932 Ce barrage de 30 m de haut cr ait un r servoir de 200 000 m de mise en charge de l usine de Brommat I il a
7. t des capteurs corde vibrante ne repr sente classiquement qu une part minoritaire du co t total d installation du dispositif Par exemple sur une installation r cente la fourniture et la pose des capteurs repr sentent moins de 30 du co t total de l installation Les capteurs fonctionnant en r gime entretenu pr sentent un co t de fabrication 2 3 fois sup rieur celui de capteurs simple fonctionnant uniquement en mode amorti Les co ts de maintenance des CCV sont faibles 5 CONCLUSION Les co ts des capteurs CCV sont examiner dans leur globalit et sur le long terme Etant le plus souvent non ais ment rempla ables sinon irrempla ables leur remplacement n cessite par exemple de nouveaux forages le prix de la d faillance d un capteur est largement sup rieur au seul co t du capteur de remplacement Le capteur est en bout de cha ne l outil qui recueille l information laquelle va permettre apr s traitement de juger de l volution de la sant de la structure et donc de sa s curit La notion des conomies que l on peut faire est juger dans cette perspective Compte tenu de la part relativement faible du prix des capteurs dans le co t total de l installation et des co ts et du co t de la d faillance il importe donc de choisir parmi les capteurs du march celui qui pr sente les meilleures garanties de durabilit m me si son co t est plus lev Dans ces conditions il n est pas de pr
8. 19q sp pner ISN 21104 ne ae 0 661 Idd L 961 6S6LI tY 94101 SION SlOq 0007 19 Z66T 41lu JISS21801d 4311Y nbiun aulqoq 142 u 1 Ie quu 1 SUEP ssuoiss id SNOS p IAINS 1ju uu u3oiu I i 3euu 1 099 31AJ s u slul 9 R uol q splod uuo1 sell 00T 9007 wa S L 6I 9q SP q V OJIAI9S UOI u I d AU uojonnsuoo u eBeueq Su li dx p 1n0 94 uoneynosne e yoddy 1e 81SUI odA n l sin l de5 uue 1in l neu np WON uug A99 491199 39 u o2 5sue13 ZU U ZUJ q 152e11 1LNVHIIA 30H09 V NOILVLINISNY I9N31H34X3 Q HNOLIH Retour d exp rience sur l auscultation corde vibrante Tableau 2 CPT cellule de Ile b ton compact au rouleau lion interstitie cellule de mesure de pressi CET tre cale dyn EXT extensom 1ations Abr v ICOLD BCR trique Cale dynamom mesure de pression totale Large Dams MISSION on International Com Page 7 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience Les barrages de l chantillon sont de taille et de types divers et leur quipement en CCV est plus ou moins fourni Le barrage vo te de Kariba Zambie Zimbabwe avec 128 m de hauteur et plus de 250 extensom tres est le plus grand et le plus instrument Les deux barrages en terre Puy Terrier Miche
9. 8S6T Fe 8T s ns wu Sa UIP1 U09 s p 12911p 3es d 1x3 3eul IIPA p puo u ll3 uuOz ld e p IAINS 001 V66T Fe Le OT mqeqwu z 9 N0A eque S86T 41091 uonouof pns Indde as SE w suonq a i iquez Li 9 0Q 2191119p UOISO1109 1ed nbi dx oupj eJ q p suo nq s p U0 2q np suoneuuoJ p s p IAINS t9 nes JEW9 91 OOTW 2300A us oSIU e E uO19Q 8 SUEP SSJUIEIIUOI S P IAINS ui 6S 8S6T 1X3 9C JEWSI9L 8AI S9 661 661I ve sale ve 99 N9 ej SUEP 9 1yu ul lioJuo2 p piuuei d ERRSPRE 0rns pa ej SUEP sJI198 SjUEJI s p uolsu 1 ej p 2 041 U09 S8 C66I C661 E R TA 9 8S6T 9S61T 0S 9 N0A Sinoquixn 91NS INS U2S3 XneA21 p S10 2 1N4119P T72 ln i 3 T i i Y S u p s je Y 9 N0A ej snos lj1 uuoz ld uo s B S8 S86T Ha 9 3eul S3149 uoljepuo US suoliss id snos S P IAINS 00T V66T ia r CL Y66T 9 Hg jaia piednodg y2NOL uo1 epuo oewjl T12 s 1A S wau 001 861 tT 861 TE 9119 J91H131 And es 28PJANO SUEP SUOISSHJd SNOS S P IAINS Id xn q uol e1lu uunid1sulo p uolsiAjJ dns snos 35 1o p in 1ej e1su uoljepuo s1auuo elu 19e1uo35 uonmelu uuinia1sulo 9Houuo eu uu l 1099 Uu0OlsI 25 IIe1sul hepuoy el sdr aaz 1099 Id3 de FOB sin ej p sed OTOZ 3000 ZS uone e1sui 4009 ne lj uuo eui ej SUEP suolss id snos s p IAINS Id spiod 9 neH 1n x di nuui s n j 5 xn p a1ju2 8e qe2 p UOISISAU uonepuo oewjl T12 neo u
10. sluu 11 uiyy ne 2eq aup TOOZ U S2919dn991 s n 2 OT es 9 28EJANO SUEP SUOISSHJId SNOS S P IAINS APR Eu Id2 va TAGI ac i SE PE QIe IN EW9 91 OOTAW d o 217 P P e a A _ C EB6T jene osreupes no 996T U9 S61 S6T quel Sa ll 1su ADD ZT in lesi iqe1s Ie qui J uns PS6T IS6T Jue IBAE leq S91 2WOUI 9 s ANS 1u uu n s owe pow u 2117297 0fr ES6T ld2 sS og uuo ew suouuW xnof 98e11eq np ssnod 1 8euAno SNOS l41 uuOz ld uol1 q ssneu 1iu N I E 3euu 1 TI 906T T06T aen u uolje19dn991 p 2921 Ld Z ANS EUBIS p 32u sqv 00T 0861 is zT 3eUU9 91 T1 Le xne1 U99 s IJoid Sa suep suoIssaid AO T paar Id j do soer m uuoew fon 1 ju3 p 24yn09 snos s p IAINS p 1 ISOdSIp np 1u ul o5ioJu 1S2 20H Md spiod j i Pa ati a 00T OTOC id 8T i e quu 1 lua uuoj3eul o ene Ie qui 1l Joel1uo2 sieAneui n 3 ej p 52e d ua AJO BOUE taa Ae 2 ous oSIW 2p qd s npu ye s 3 R s in lj Jul suolss id d2 soot sin 35 r ARIER Pl ul p 9 8007 1492 Idd 9 s 8e1oJ 9 3000 OS UONE EISUI 1009 uonepuoj li uuo eul eguo ne uolss id snos s p IAInS 001 OOc Idd 9 SO6T 668T str alauuoseu 94101 Aeye107 JEWS9I9L T1 00T tO0Z Fe 8 ZS6T LY6T esnpneA 2Sn193 u llog 21219 Jn le e1su sn ma 9 uol qspiod esnppneA uijsn u llo lSe4 1 ONS dn 1el e1sul 30 q SNOS suolss d SNOS S P IAInS 00T 000 Idd 6 cS6T LY6T cS
11. sont g n ralement dispos s par groupes de 5 en 3 positions dans l paisseur de la vo te un m tre du parement amont un m tre du parement aval et mi paisseur Chaque groupe comporte 5 extensom tres corde vibrante un horizontal tangentiel deux inclin s 45 et 135 un vertical et un extensom tre t moin Les extensom tres t moins ou correcteurs no stress strainmeters en anglais sont mis en place dans un bloc de b ton m caniquement dissoci de leur environnement Ils sont donc plac s dans des conditions de temp rature et d hygrom trie identiques celles des autres capteurs du groupe tout en tant isol s du champ de contraintes et de d formations de la vo te Ils permettent de corriger les mesures des autres capteurs des effets de la temp rature et de l hygrom trie Figure 5 Extensom tres sur leur b ti d installation En outre une s rie de 12 blocs t moins quip s de capteurs homologues de 6 capteurs choisis dans le barrage et de leurs correcteurs ainsi que de capteurs perpendiculaires la direction principale de chargement ont t confectionn s avec le m me b ton pour tre suivis en laboratoire dont 6 poutres de 1 80 m x 0 6 m x 0 6 m charg es par v rins plats pour remonter des d formations aux contraintes C est le Special Test Ce dispositif a notamment permis de v rifier la premi re mise en eau non seulement la distribution des contraintes dan
12. t mis hors service en 1974 Ceci conduit c l brer cette ann e les 80 ans d utilisation des capteurs corde vibrante pour l auscultation des barrages La premi re grande auscultation d un barrage avec CCV est celle du barrage vo te de Mar ges sur la Dordogne 1932 1935 82 m de haut 198 m de longueur entre cul es avec 78 extensom tres install s dans le corps de l ouvrage et 40 dans le renforcement des appuis et cul es Leur exploitation a t arr t e dans les ann es soixante Ils avaient permis au projeteur d s la mise en charge de l ouvrage d y conna tre les flux et la distribution r elle des contraintes une poque o les calculs taient des plus sommaires 5a Page 1 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience Figure 1 Principe du t moin sonore brevet Andr Coyne 1931 Archives Coyne et Bellier brevet INPI Les CCV ont ensuite auscult d autres types d ouvrages entre 1934 et 1938 le pont m tallique de Port de Pascau par 72 extensom tres de surface les conduites forc es en b ton pr contraint de Mar ges des tirants m talliques de murs de quai en palplanches et des tirants en b ton Des essais de laboratoire sur des poutres d essai furent aussi conduits en parall le Un premier bilan en est dress par Andr Coyne en 1938 6 Andr Coyne cr e en 1947 la soci t T l mac T l mesur
13. Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience Vibrating wire sensors monitoring 80 years of feedback Nathalie ROSIN CORRE Christine NORET Tractebel Engineering France 5 rue du 19 mars 1962 92622 Gennevilliers Cedex pathalie rosin corre gdfsuez com christine noret gdfsuez com Jean Louis BORDES 20 rue de Madrid 75008 Paris jean louis bordes wanadoo fr MOTS CL S Capteur corde vibrante cellule de pression extensom tre R SUM L ann e 2012 marque le 80 me anniversaire de l installation des premiers capteurs corde vibrante ou t moins sonores en France La technologie de la corde vibrante a t appliqu e dans le cadre de l auscultation de nombreux ouvrages mesure de pression interstitielle pression totale d formations et pr contrainte L analyse du comportement de ces capteurs montre que ces capteurs pr sentent une durabilit une robustesse et une stabilit dans le temps de plus de 60 ann es La pr sence d une seconde bobine permet d allonger encore leur dur e de vie Les principales causes de d faillance ne sont pas du fait du capteur lui m me mais de son environnement endommagement des c bles pendant la construction endommagement par la foudre De fa on plus g n rale le co t de fourniture d un capteur ne repr
14. a dur e de vie Certains capteurs corde vibrante qui ne r pondaient plus ou donnaient des valeurs aberrantes ont pu tre r cup r s par remagn t sation des bobines passage en mode amorti apr s chec mode entretenu changement de la centrale d acquisition Par ailleurs des extensom tres ont pu tre consid r s comme perdus car les d formations diff r es du b ton mesur es sortaient de la gamme de mesure du capteur la corde tait d tendue A l occasion d un test p riodique de mise en charge les d formations ont t ramen es dans la plage mesurable corde retendue et ont pu tre nouveau mesur es pendant le test g AE TCi 2 NE NE g NE a AP T Wu aA ar Cl gak y nu QE Q AP Ar RL qa xt aa LS a a aa yx yx 200 200 400 600 pi ad wass 1000 1200 ART d formations corrig es umim 1600 1800 Figure 10 D formations tangentielles mesures extensom triques 3 3 4 D tection de ph nom nes microm triques L extr me sensibilit des capteurs et leur tr s haute r solution leur peuvent permettre de d tecter des ph nom nes microm triques tels que l apparition de fissures Ceci est effectu par une analyse d taill e des signaux m me de tr s faible amplitude Page 12 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience
15. am Water Power amp Dam Construction 11 Goguel B 2003 R novations Esch sur S re compl ments au rapport Q 82 R 44 CIGB Montr al discussion th me 3 12 Goguel B Gurukumba K 2007 Kariba Dam case history Workshop on Chemical Expansion of Concrete in Dams and HEPP ICOLD SPANCOLD HP amp D Granada Spain 13 Ozanam O Goguel B Gurukumba K 1997 Effet du niveau d exploitation de la retenue sur le taux de gonflement du b ton mod lisation dans le cas de Kariba CIGB Florence Q 74 9 14 Santa Clara J M A Izzett I P 1985 The Dam and foundation monitoring system at Kariba CIGB Quinzi me Congr s des Grands Barrages Lausanne Q 56 R 54 15 T l mac Catalogues des appareils manuel d utilisation de la cellule manom trique de type CL1 Page 15
16. atique courante d installer des capteurs surnum raires en prenant en compte un taux de d faillance Au moment du choix des capteurs corde vibrante 1l importe particuli rement de demander les r f rences des capteurs nombre de capteurs install s ann es d installation taux de d faillance associ s et causes de d faillance Au del du soin apporter au c blage et au rep rage des capteurs l installation ce qui n est pas propre aux capteurs corde vibrante le personnel qui met en place les CCV doit tre qualifi agr par le fournisseur et suivre strictement les proc dures de pose dict es par le fournisseur notamment en ce qui concerne la saturation des filtres des cellules de pression interstitielle et la mesure initiale In situ L arr t des mesures n est dans la plus grande majorit des cas pas li e une d faillance du capteur mais un d ficit de maintenance du ma tre d ouvrage Les contr les r guliers par les fournisseurs installateurs comp tents est un gage de long vit Page 14 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience REMERCIEMENTS Les auteurs remercient Thomas Bourgouin Odile Clave Ga tan Dautois G raldine Milesi Tractebel Engineering France Coyne et Bellier et Isabelle Lamarque R F RENCES ET CITATIONS 1 Beller J 1956 Applications de l extensom trie acoustique aux trava
17. capteur se d finit par sa justesse aptitude donner des r sultats non entach s d erreur et sa fid lit aptitude donner des r sultats non entach s d erreurs accidentelles caract ris e par une faible dispersion des r sultats c est l aptitude donner des mesures proches de la mesure r elle Page 5 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience Pertes de capteurs dues la foudre les CCV ne sont en eux m mes pas particuli rement sensibles la foudre Par contre le dispositif de mesure des capteurs est aliment par un courant lectrique A ce titre et parce que les barrages qu ils quipent sont situ s dans des zones qui peuvent tre frapp es par la foudre ils doivent tre prot g s contre ce ph nom ne et les viter par un trac ad quat des c ble en vitant des couplages dangereux et par des parafoudres qui doivent tre r guli rement test s et remplac s si n cessaire Pertes de capteurs par d magn tisation de s bobine s apr s un arr t prolong des mesures possibilit de r cup ration en envoyant un choc lectrique Pour viter des pertes dont beaucoup ne sont que temporaires on insistera sur l importance d une bonne conception du syst me d auscultation qui doit tre pens dans le cadre du projet de la structure ausculter et sur la qualit de la pose On peut ainsi viser des ta
18. es Acoustiques pour exploiter le brevet des CCV Jean Bellier pr sent d s 1931 aupr s d Andr Coyne d veloppe en 1958 au sein de cette soci t la cellule de mesure de pression interstitielle dans laquelle une corde vibrante mesure la d formation d une membrane souple soumise la pression de l eau Le principe de la mesure en r gime entretenu est adopt par T l mac vers 1960 l id e ayant t expos e d s 1946 dans un texte de brevet qui n a pas t d pos Apr s Ma hak en Allemagne 1937 les fabricants se d veloppent apr s la seconde guerre mondiale en Norv ge avec G onor 1958 puis en Angleterre avec Gage Technique apr s 1960 Les Am ricains suivent dans les ann es 1970 avec Irad Gage 1973 puis G okon 1979 puis Soil Instruments Grande Bretagne et RST Canada En 2001 T l mac externalise la fabrication des capteurs en cr ant la soci t GI2M L usage des CCV dans le g nie civil se g n ralise la fin des ann es 1970 et s tend dans le monde La cellule de mesure de pression totale et la cale dynamom trique sont mises au point dans les ann es 80 Les enceintes nucl aires fran aises en b ton pr contraint sont ainsi quip es de CCV depuis les REP900 la fin des ann es 70 En France les Ponts et Chauss es dressent le bilan des mesures extensom triques par capteurs corde vibrante partir de 1973 Le rapport final du LCPC de 1980 8 rend compte d une exp rimentation in s
19. heurt moult difficult s de maintenance du Laboratoire rest en rive gauche alors que l exploitation du barrage tait conduite depuis la rive droite et l arr t de son humidification contr l e Malgr de gros efforts de remise en ordre un d m nagement vers un site souterrain en rive droite et la r novation des appareillages l exp rimentation a t interrompue et le Special Test se visite aujourd hui comme un mus e En 1962 l occasion des travaux de reprise en sous uvre en rive droite des c bles ont t endommag s par des forages r duisant le nombre d extenso dans la vo te 253 214 sont encore pleinement op rationnels aujourd hui soit 80 des appareils d origine Cette m me ann e 62 autres extensom tres r partis en 18 groupes ont t install s dans les butons souterrains de la rive droite Seuls 15 d entre eux fonctionnent encore aujourd hui Ce taux lev de d faillance 75 a pu tre attribu 2 la corrosion l arri re des bo tes de jonction les conditions difficiles du chantier de reprise en sous uvre ont d jouer galement Une dizaine d autres CCV ont t install s Kariba en 1994 dix pi zom tres de fondation cellules CL1 Le poste d interrogation des capteurs a volu au cours du temps poste d coute de 1958 1983 puis fr quencem tre poste PC6 PFC10 fr quence entretenue Page 9 Th me 2 Auscultation et suivi des o
20. if d tanch it retourn vers l amont via un joint souple sur une plinthe en b ton de fibre ancr e au rocher pour tancher la zone charni re critique Trois extensom tres en forage mesurent les d placements entre la plinthe et le pied amont de la vo te type Distofor de T l mac induction Ces travaux ont r v l l insuffisance de la fondation vers le haut de la rive droite et ont t suivis en 1992 1993 par des travaux de renforcement de cet appui couverture par une dalle de b ton arm construite en marches d escalier la lt pyramide gt largement drain e ancr e par tirants actifs visibles avec une s rie de plus gros tirants cach s sous la route de cr te pour lester la cul e Trois des 15 tirants de 400 t subverticaux 45 m sous la route ont t quip s par des cales dynamom triques de type CV8 Ces cales sont constitu es de 8 cordes vibrantes en parall le 45 dans l anneau Six des 67 tirants de 90 t d ancrage des emmarchements de type 7T15 gain s graiss s ont t quip s et sont auscult s de fa on continue par des cales dynamom trique de type DTA de T l mac Deux des 5 tirants d essai surnum raires par rapport aux besoins estim s de confinement du massif rocheux sont quip s et 4 des 62 tirants courants Le coussinet hydraulique est rempli d huile La pression d huile est mesur e par corde vibrante la temp rature est mesur e partir de la mesure de la r sistance du b
21. ique de type fr quencem tre n cessite l emploi du coefficient extensom trique Kc pour relier les variations de fr quences avec l allongement de la corde du capteur sans que ce coefficient soit un coefficient d talonnage B ton Figure 2 Sch ma et photographie d un extensom tre l Archives Coyne et Bellier Page 3 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience 2 Les appareils corps d preuve dans lesquels la corde vibrante mesure le d placement d un corps d preuve Le ph nom ne mesurer pression interstitielle dans les sols et les roches pression d eau pression exerc e par les terres par un tirant d ancrage par le poids d une structure d forme une membrane souple constituant le corps d preuve Les capteurs de type cellule de mesure de pression interstitielle de pression totale cale dynamom trique clinom tre extensom tre en forage appartiennent cette seconde famille 361 I 1 Corde vibrante Z yuple Membrane Electro 4 lastique amants Figure 3 Extrait de la notice de la cellule manom trique type CL1 T l mac L eau entre dans la chambre au travers de l l ment poreux filtre et d forme la membrane lastique laquelle est attach e la corde vibrante Presse toupe Les appareils corps d preuve sont talonn s en laboratoire pour relier la d
22. iser sur le capteur impossible remplacer la plupart du temps va l encontre de la finalit de l auscultation le co t d exploitation du dispositif et d interpr tation des mesures d auscultation est inf rieur au co t de surveillance de l ouvrage Le co t de l auscultation installation exploitation interpr tation maintenance repr sente une tr s faible part quelques pourcents du co t du barrage Page 13 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience 4 2 Ordre de grandeur de prix L ordre de grandeur des prix constat s pour les installations r centes est le suivant cellule de mesure de pression interstitielle CCV 2000 euros type EP1 Pas de la Mule 2010 3800 euros type EPI Gimond 2008 cellule de mesure de pression totale CCV 3200 euros type EPC Gimond extensom tre CCV 5500 euros type M200 cales dynamom triques CCV 5500 euros type CVS VW6 350t clinom tre corde vibrante 10 000 euros type MP100 multiplexeur 4000 7000 euros Pas de la Mule Gimond c bles 5 euros ml poste de lecture 4500 5200 euros Pas de la Mule Gimond Pour des capteurs install s dans la masse des ouvrages ou en fondation le co t de la pose du mat riel peut comprendre des co ts de forages plus ou moins lev s en fonction des conditions de r alisation et du lin aire Ainsi le co
23. itu pendant 5 ans sur le pont de Condren au dessus du Canal de Saint Quentin Il conclut lt l excellente fiabilit que l on peut attendre de ces appareils gt 2 TECHNOLOGIE DES CAPTEURS A CORDE VIBRANTE CCV 2 1 Principe de fonctionnement des CCV 2 11 Principe g n ral de la mesure Le capteur corde vibrante est constitu d une corde en acier tendue entre deux points de fixation La fr quence de vibration de la corde varie en fonction de sa tension c est dire de la longueur entre ses deux points extr mit s La fr quence des oscillations du mode fondamental est donn e par F JE 2 Le A Pc avec L longueur de la corde pe masse volumique de l acier de la corde et O contrainte exerc e sur la corde soit T S avec T traction exerc e sur la corde et S section de la corde Par ailleurs dans le domaine lastique la variation de la longueur de la corde est reli e la variation de la contrainte appliqu e par AL L AG E avec E module d lasticit de l acier de la corde 206 10 N m La tension de la corde doit tre suffisamment faible pour que l effet de la relaxation soit n gligeable En supposant l allongement de la corde petit devant la longueur totale cet allongement est reli la variation de fr quence de vibration de la corde par AL L K N 2 N gt 2 avec N N2 respectivement fr quences de vibration avant et apr s allongement et K 4L 2p4 E coefficient e
24. lbach d une trentaine de m tres de hauteur comportent entre une quinzaine et une cinquantaine de capteurs Les barrages poids de 8 56 m de hauteur comportent entre 6 et 30 CCV Les deux barrages poids en ma onnerie Joux et La Gimond de 20 30 m de hauteur qui ont t confort s par une recharge aval comportent de 10 20 CCV Les types des capteurs install s sont divers extensom tres cellules de mesure de pression interstitielle cellules de mesure de pression totale mesure de la traction dans les tirants pr contraints clinom tres Les capteurs sont majoritairement de fabrication GI2M Les installateurs sont divers Geo instrumentation Geotec ME2I SAM SNC Terastic T l mac 3 2 Apport des capteurs corde vibrante dans quelques cas d application 3 2 1 Barrage de Kariba Zambie Zimbabwe Le barrage de Kariba est une vo te construite en 1958 59 sur le Zamb ze de 128 m de haut et de 617 m de longueur en cr te Il cr e le plus grand lac artificiel du monde d une capacit de 181 km3 mis en eau entre 1958 et 1963 Le barrage est aujourd hui exploit par la Zambezi River Authority organisme binational cr en 1987 Deux usines hydro lectriques d une capacit totale de 750 720 MW sont g r es respectivement par ZPC Zimbabwe en rive droite sud et ZESCO Zambie en rive gauche nord 263 extensom tres T l mac M200 ont t noy s dans le b ton de la vo te entre mai 1958 et juin 1959 Ils
25. llante 1l serait toujours possible d effectuer une mesure en mode amorti afin de prolonger la dur e d utilisation du capteur 2 1 3 Appareils avec ou sans corps d preuve Les appareils corde vibrante sont des appareils simples constitu s d une corde et de ses lectro aimants extensom tres et ventuellement d un corps d preuve mesure de la d formation d une membrane sous l effet de la variation du param tre physique suivre Ils se r partissent en deux grandes familles l Les extensom tres constitu s par la corde vibrante elle m me avec un habillage pour fixer l appareil dans le volume ou en surface de l ouvrage et maintenir les lectroaimants La grandeur mesurer variation de longueur entre deux points est mesur e directement Les extensom tres n ont pas besoin d tre talonn s du fait du principe de la mesure le param tre mesur est la variation de distance entre les points de fixation de la corde dont les caract ristiques sont connues par ailleurs Le principe de la mesure utilis e l origine en mettant l unisson les sons mis par la vibration de la corde du capteur et par la corde d un comparateur acoustique permettait de conna tre directement l allongement relatif de la corde du capteur par lecture de la d formation impos e la corde du comparateur acoustique par une molette gradu e en microns m tre De nos jours la mesure avec un poste de lecture lectron
26. m triques dans un ouvrage en b ton reposent sur deux hypoth ses l int gralit des d formations est transmise la corde vibrante et la corde est en quilibre thermique avec le milieu Il est noter que dans la plage des temp ratures de fonctionnement classique la mesure brute calcul e partir de la fr quence mesur e n est pas affect e par la temp rature les caract ristiques de la corde et donc son comportement vibratoire restent identiques Page 4 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience La d formation brute est en fait une d formation apparente qui int gre l effet de la temp rature sur la corde La d formation r elle du b ton de l ouvrage qui englobe les effets m caniques thermiques et hygrom triques est donc calcul e par la formule suivante E E Epo 0 0 avec O coefficient de dilatation de la corde 11 5 x 10 m C p la d formation brute au point consid r et 0 la temp rature associ e au point de mesure Les valeurs indic es 0 sont les valeurs initiales d but de la s rie de mesure Il importe donc d avoir une mesure de temp rature associ e au capteur Cette correction thermique est propre l utilisation des CCV La correction qui peut s appliquer ensuite pour dissocier l effet thermique des autres effets n cessite de faire des hypoth ses relatives l effet de la temp rature s
27. obinage de l lectro aimant Page 10 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience Figure 8 Barrage d Esch sur S re Luxembourg Renforcement de la rive droite 1992 1995 Rep rage des 6 tirants auscult s cercles jaunes Sur les vingt ans de mesures accumul es depuis l ach vement des travaux de confortement les mesures des cales auscultant 3 des 15 tirants subverticaux dans la cul e ne d tectent aucune perte brutale ou progressive de tension Les compressions mesur es suivent des variations saisonni res d origine thermique avec 10 15 tonnes d amplitude Les forces totales moyennes sont en accord avec la tension des c bles Les constats sont identiques pour les mesures des cales des tirants d pinglage et de confinement du rocher sous la pyramide L analyse des mesures des cales dynamom triques permet donc de conclure la stabilit de la charge des tirants Les capteurs DTA ont t remagn tis s et la centrale d acquisition remplac e par T l mac en 2003 700 N CORDES C6 C1 C3 C2 C4 Le C8 Tonnes LE h Force r O m C7 C5 perdue 300 555 TD 353 1 A M L tt RU d Do d e Y S ODIA 200 e RU 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 O m O O 0o O N
28. s typiques D A2 Barrage d Esch sur S re Luxembourg C est une vo te mince construite de 1956 1958 et mise en eau en 1960 dans une vall e large fond plat des Ardennes Le barrage de 50 m de haut et de 168 m de longueur en cr te entre cul es cr e une retenue de 60 hm Il est buts multiples r serve d eau potable production d nergie lectrique usine au pied aval de 10 MW r gulation des crues et tourisme nautique Le contraste est grand avec le dispositif d auscultation pr vu et install la construction Kariba Esch le dispositif d origine comportait essentiellement des vis es topographiques et la surveillance d taill e des fuites en pied sans aucun extensom tre dans le b ton Il a t renforc dans les ann es quatre vingt pour compl ter la connaissance de la pi zom trie en fondation pi zom tres chambre quip s de CCV de type CL1 et surveiller les d formations du bas de la vo te ainsi que la stabilit des deux cul es clinom tre en cl mi hauteur du b timent de l usine pendules directs et invers s en console de cl et en haut des rive et compl t par des thermom tres dans le b ton Le dispositif a ensuite volu avec les travaux de confortement engag s en 1991 visant traiter des fuites r currentes en pied et poursuivis les ann es suivantes pour renforcer l appui rive droite 11 En 1991 le pied amont du barrage a t muni d un disposit
29. s la vo te formes des 1sostatiques mais aussi leurs niveaux absolus Les mesures ont assez vite mis en vidence des d rives dans le temps plus marqu es sur les extensom tres libres correcteurs et Page 8 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience appareils plac s verticalement que sur les appareils charg s ph nom ne de gonflement du b ton qu il a fallu des ann es pour lucider alcali r action et qui reste encore aujourd hui un point d attention majeur Det lt A V F igure 6 Photographies du laboratoire du Special Test Les extensom tres de Kariba toujours r guli rement exploit s sur la base de 2 s ries de mesures par an d sormais ont permis d appr cier l influence du niveau de contrainte sur le taux de gonflement du b ton En effet ce taux est le plus lev pour les extensom tres t moins dans le b ton sans contraintes il est moindre pour les extensom tres verticaux et m me n gatif t moignant d un certain fluage pour les extensom tres horizontaux dans la direction des plus fortes compressions Le ph nom ne de gonflement est inhib pour des contraintes sup rieures 3 4 MPa et accentu dans les zones en traction 13 La mod lisation par l ments finis avec une loi rh ologique ajust e aux observations aide y voir clair 10 Le programme ambitieux du Special Test s est
30. terstitielle 0 0 5 0 1 0 2 0 5 MPa pression interstitielle type CLI EP1 Cellule de mesure de Pression totale 0 7 MPa type TPC pression totale Cale dynamom trique Traction dans les 0 3 5 0 5 0 10 0 15MN 10 tirants d ancrage type CVS VW6 V W8 Tableau 1 Gamme de mesure des principales familles de capteurs R solution sur l tendue de mesure pour une mesure au 1 10 de Hertz pr s avec des carts de lin arit de 0 1 de l tendue de mesure pour tenir compte de l allongement de la corde dans la formule reliant l allongement de la corde et la variation de fr quence La pr cision varie entre 5 10 fois la r solution 2107 Points sensibles pathologies Les pathologies suivantes ont t observ es Pertes de capteurs dues l endommagement de c bles le plus souvent l installation ou lors de travaux ult rieurs quelquefois aussi lorsque les tassements diff rentiels dans la structure auscult e sont importants au contact ouvrage en terre ouvrage b ton Ces pertes n ont rien de fatidiques Pertes de capteurs dues un d faut d tanch it ou corrosion au droit des connections en particulier connexion avec les boitiers de Jonction ou carte multiplexeurs possibilit de r cup ration de la mesure en amont de cette connexion gt R solution Plus petite valeur absolue pouvant tre distingu e par le dispositif de mesure Pr cision La pr cision du
31. ur les d formations du b ton et n est pas propre l utilisation des CCV r el brut 2 1 6 Ordres de grandeur La corde est en acier tr s haute limite lastique commun ment de 0 25 mm de diam tre 250 um avec les caract ristiques suivantes pe masse volumique 7850 kg m E module d lasticit 206 10 N m et Es r sistance la traction 2 85 10 N m La r solution est meilleure basse fr quence ce qui explique pourquoi les premiers capteurs avaient des longueurs comprises entre 150 et 250 mm avec des fr quences de mesure entre 400 et 800 Hertz mesur es l Hertz pr s Typiquement les cordes des extensom tres implant es dans la vo te de Kariba ont une longueur de 200 mm T l mac M200 dans un b ton dont les agr gats vont jusqu 150 mm Les fr quences sont d autant plus lev es que la longueur de la corde est courte fr quence de l ordre de 1200 Hertz pour une longueur de corde de 110 mm et de l ordre de 1500 Hertz pour 60 mm La fr quence maximale est limit e par la traction maximale admissible par la corde elle m me limit e par les constructeurs environ 20 de la limite de la rupture la traction Plus la fr quence est lev e plus la plage de variation de cette fr quence est faible Les gammes de mesure des principales familles de capteurs sont les suivantes Type d appareil 1000 4000 um m Appareils corps d preuve Cellule de mesure de Pression in
32. uvrages L auscultation par capteurs corde vibrante S ans de retour d exp rience Le o o P cs p s P j ii H TYPICAL NO STRESS CORRECTORS STRAINMETERS __ _ _ mm 1 G rere r rere r t C C f f lt EE 2 i ja Elongation i plotted after initial zero reset 7 k microstrains f I i i E EA a 1 tE E anaana aa aa aaee aen i 1 F s i aN PIS D ac LOU hs ce ms re A EEE ru en OLETE ENO SIEA fa re a LE dun LES PER l 1 ee I la Pl I i vef Pe zg I I 2 ps I 1200 i nn en ge one ee mm em I I I h 02DC I I pa ep I I j 1000 1 1 ame 0 4 MC 2e mi Sade 42 Le ss Mbps s L _ 125 U C pi i ee 4 I 4 s 27 I 5 e I 7 S I 800 24 5 C pe Yama marp meme E en es 73 MC I oi I I LS MR I i Ky xw 600 a a m m m asm an an m am yi Eo i as an a a an an an en gaz le po aii f i x I I S din bear Le 1122 Or i RSR pra ew I I I I I I I Are min as gen SSH TNI sa a ee FV I F Instrumental reset when replacing I ithe R3 reading unit by PC6 0 A 01 1959 01 1979 01 1989 01 1999 01 2009 Figure 7 Evolution de quelques extensom tres t moins correcteur
33. ux de survie du mat riel au del de 90 au bout de plusieurs dizaines d ann es 2 2 Performance des CCV Les capteurs corde vibrante sont des appareils robustes la technologie prouv e et qui b n ficie d un retour d exp rience sur les barrages d passant aujourd hui les 50 ans Leur haute r solution et leur excellente pr cision sont li es aux bonnes propri t s du principe de la mesure Ils ne n cessitent pas de r talonnage r gulier Ils ne n cessitent pas d entretien maintenance contrairement par exemple aux appareils pneumatiques ou hydrauliques Le signal de sortie en fr quence peut ais ment tre transmis par c ble sur des longueurs importantes l chelle des barrages sans modification ou perturbation ce qui n est pas le cas des signaux en intensit Du fait que le capteur est m canique sans lectronique associ e les facteurs pouvant entrainer une d rive de la mesure sont nettement r duits Pour s affranchir d une possible d rive en d but de vie un cycle de vieillissement acc l r est effectu par certains fabricants en atelier qui stabilise le capteur et vite sa d rive La quasi absence de d rive du z ro r sulte de l observation de tr s nombreuses mesures in situ 3 RETOURS D EXPERIENCE 3 1 Champ d application Les missions d assistance technique la surveillance d une cinquantaine de barrages de tous types en France et l tranger et d ouvrages d
34. ux publics Annales ITBTP Essais et Mesures 36 2 Bordes J L Debreuille P J 1985 Some facts about long term reliability of vibrating wire instruments National Research Council Transportation Research Board Symposium on Reliability of Geotechnical Instrumentation Washington 3 Bordes J L 1990 Les aspects conomiques de l instrumentation Surveillance et auscultation des sites naturels et des ouvrages journ es de formation continue E N P C 4 Bordes J L 2011 Barrages et essais en vraie grandeur auscultation et surveillance Documents pour l histoire des techniques n 20 2 pp 97 106 5 Coyne A 1937 On the construction of water dams The Structural Engineer 6 Coyne A 1938 Quelques r sultats d auscultation sonore sur les ouvrages en b ton b ton arm ou m tal Annales ITBTP juillet et ao t 1938 7 Davidenkoff N 1934 The vibrating wire method of measuring deformations Proceedings ASTM vol 34 Part IT 8 Diruy M 1980 Les T moins sonores bilan de 5 ann es de mesure sur le pont de Condren F A ER 1 65 51 Rapport du D partement des structures et ouvrages d art Etude g n rale des proc d s de mesure utilis s dans les laboratoires Laboratoire Central des Ponts et Chauss es 9 Dunnicliff J 1988 Geotechnical instrumentation for monitoring field performance Mc Graw Hill New York 1988 10 Goguel B Mpala A S 1992 Monitoring and maintenance at Kariba d
35. vibration entretenue de la corde g n re un courant de faible intensit 8 24 mV signal lt Ecoute gt Ce dispositif pr sente 3 avantages majeurs 1 la sollicitation de la corde est 500 fois inf rieure celle du mode amorti ce qui limite sa fatigue et accro t sa dur e de vie 2 l utilisation de 2 bobines l une pour l excitation et l autre pour la mesure permet de recueillir uniquement le couplage magn to m canique Le signal est direct et les sources d erreur sont minimis es 3 la r p titivit des mesures en mode entretenu est meilleure on a observ une variation de la fr quence mesur e en fonction de l amplitude de l excitation initiale et dans le cas d une inversion de polarit de la bobine excitatrice permutation du sens du courant qui ne d passait pas 1 Hertz Le poste de lecture de type fr quencem tre mesure la fr quence de la corde en vibration entretenue qui diff re de la fr quence propre de la corde d au maximum 2 Hertz mesures exp rimentales r alis es1 Cette diff rence est constante pour un capteur donn et son dispositif de mesure Le d marrage des oscillations dans le cas d un capteur neuf ou non utilis pendant une longue p riode peut tre rendu difficile par d faut d aimantation de la corde et des lectro aimants Dans ce cas la corde est excit e pr alablement en amorti Si toutefois une des bobines du capteur interrog normalement en mode entretenu tait d fai
36. xtensom trique Page 2 Th me 2 Auscultation et suivi des ouvrages L auscultation par capteurs corde vibrante 80 ans de retour d exp rience 712 Fonctionnement en r gime amorti ou entretenu En r gime amorti la corde est excit e par une bobine aliment e par un courant lectrique autour de 90V qui l attire puis la rel che Apr s cette impulsion initiale de forte amplitude elle retrouve sa position d quihbre par des oscillations libres sa fr quence propre L aimantation r manente de la corde oscillante apr s excitation g n re par induction dans la m me bobine ou une seconde bobine un courant lectrique alternatif de faible intensit C est la fr quence de ce courant lectrique induit dont la fr quence est directement proportionnelle la fr quence de vibration de la corde qui est mesur e au d but de l amortissement apr s quelques millisecondes par le poste de lecture de type fr quencem tre L utiisation de la m me bobine ou des m mes en s rie pour l excitation et la mesure m lange les r sidus lectriques de l excitation avec le signal de mesure et peut donc induire des erreurs de mesure En r gime entretenu le dispositif comporte deux bobines en parall le La corde est maintenue en vibration par la premi re bobine aliment e par une tension d amplitude constante autour de 160 mV et de fr quence celle mesur e dans la seconde bobine signal entretien Par induction la
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