Mise en œuvre de la technique d'analyse spectrale Appliquer l'analyse spectrale à la lecture des capteurs à cordes vibrantes
Mise en œuvre de la technique d'analyse spectrale
L'utilité de l'analyse spectrale pour la lecture des capteurs à corde vibrante dépend de son aptitude à être utilisée sur le terrain. L'appareil doit être bon marché, robuste, de faible puissance et facile à intégrer dans les équipements d'acquisition de données existants.
Campbell Scientific, une société d'acquisition de données basée à Logan, dans l'Utah, a précédemment développé des méthodes de lecture de capteurs à corde vibrante dans le domaine temporel. Forts de cette expérience, les ingénieurs en instrumentation de Campbell Scientific ont mis au point un nouveau module de lecture des cordes vibrantes qui intègre l'analyse spectrale. Ce nouveau module, l'AVW200, excite le fil du capteur, échantillonne la réponse, applique la transformée de Fourier et renvoie le résultat de la mesure et les diagnostics à l'enregistreur de données - le tout en deux secondes
L'AVW200 et son homologue sans fil, l'AVW206, sont disponibles depuis le début de l'année 2008. Depuis lors, ils ont été utilisés avec succès dans un certain nombre d'applications. Les paragraphes suivants décrivent comment la nouvelle technologie a bénéficié à deux grands projets de ponts : l'élargissement du pont Huey P. Long en Louisiane et la reconstruction du pont de la I-35 à St. Anthony Falls dans le Minnesota. *Ces projets ont été publiés à l'origine comme des études de cas dans la rubrique Applications sur notre site web, ces projets peuvent être à différents stades d'avancement depuis lors.
Étude de cas : Projet d'élargissement du pont Huey P.
Les quatre travées principales du Huey P. Long Bridge s'étendent sur près de 732 m au-dessus du fleuve Mississippi à la Nouvelle-Orléans, en Louisiane.
Ce pont à poutres en acier en porte-à-faux a été ouvert à la circulation en 1935. Il appartient à la New Orleans Public Belt Railroad et est exploité par celle-ci. Le pont comporte actuellement deux voies ferrées entre les poutrelles et deux voies de circulation en porte-à-faux à l'extérieur de chaque poutrelles. En raison de la nécessité d'améliorer la circulation des véhicules et des contraintes dues à l'ininterruption du trafic ferroviaire, le ministère des transports et du développement de Louisiane (LA DOTD) a décidé d'élargir le pont plutôt que de le remplacer.
L'élargissement du pont permettra d'augmenter la largeur de la chaussée de chaque côté du pont de sa largeur actuelle de 5,49 m à 12,2 m. L'élargissement entraînera l'ajout de poutrelles en amont et en aval parallèlement aux poutrelles existantes. Les piles du pont sont modifiées par l'ajout de coffrages en béton et de cadres en acier pour soutenir les deux nouvelles voies d'élargissement.
Un programme de monitoring de la santé de la structure est inclus dans le contrat de construction en tant que mesure proactive pour évaluer si la quantité de charge prévue est transférée des éléments de structure qui s'élargissent vers les éléments de structure existant.
CTLGroup a obtenu le contrat de conception et d'installation du système de surveillance de la sécurité conformément aux spécifications du projet d'élargissement du pont Huey P. Long. Le cahier des charges du système de surveillance de la sécurité exigeait ce qui suit :
- Détermination des contraintes initiales de charge morte dans les éléments existants de la structure
- Installation de jauges de contrainte pour la mesure des contraintes liées à la construction dans 433 éléments de la structure
- Installation de jauges extensiométriques pour la mesure des contraintes sous tension dans 31 éléments de la structure
- Installation de capteurs d'inclinaison biaxiale sur chacun des cinq piliers de pont existants
- Système de monitoring pour lire les jauges, faire des comparaisons avec les valeurs prévues et fournir des rapports quotidiens tout au long des trois années de construction
- Effectuer des tests de charge pour calibrer les systèmes de monitoring
Au total, 433 éléments de poutrelle existants sont surveillés à l'aide d'un réseau de 827 jauges de contrainte statiques et dynamiques conçues pour mesurer les effets des charges axiales et de flexion. De plus, des inclinomètres surveillent l'inclinaison des piliers. Pour le système statique, CTLGroup a choisi des jauges de contrainte à corde vibrante en raison du coût, de la compensation thermique intégrée et de la capacité à parcourir de longues distances par câble.
Le système d'acquisition de données de monitoring de la sécurité est composé de deux systèmes de surveillance distincts : un système de surveillance de la charge statique et un système de surveillance de la charge réelle, comme le montre la figure 12.
Le système statique utilise 23 boîtiers NEMA montés sur rails qui contiennent des multiplexeurs AM16/32 pour lire 777 capteurs à corde vibrante sur 433 éléments. De plus, cinq piliers ont été surveillés à l'aide de dix inclinomètres à corde vibrante, ainsi que la température ambiante, la vitesse et la direction du vent. En raison de la nécessité d'une communication sans fil entre les multiplexeurs, les centrales de mesure et l'ordinateur central, le système a été configuré en utilisant une combinaison de 24 modules AVW206 et de radios à étalement de spectre RF401. Les multiplexeurs lisent les capteurs, effectuent le traitement des signaux et transmettent les données sans fil à l'une des quatre centrales de mesure CR1000 montés sur la main courante en bord de voie. Ces enregistreurs de données transmettent ensuite les données sans fil à la remorque du bureau de MTI, à environ un quart de mile du site du pont.
L'objectif du système est de mesurer les contraintes (déformations) dans les éléments identifiés et de les comparer à la réponse prévue pendant le processus de construction de l'élargissement du pont. Pour ce faire, on utilise :
- L'établissement de limites pour la réponse prévue en cas de construction échelonnée
- La prise en compte des fluctuations de base (charges de trafic/locomotive et effets de la température)
- La comparaison entre la réponse mesurée et la réponse prédite
- La signalisation automatisée des limites en dehors de la réponse prévue
Le système fonctionne en continu et recueille des données environ toutes les dix minutes. Il publie les données sur un site web protégé par un mot de passe. Le site web signale visuellement (par une couleur) les données qui sont en dehors des limites prédéterminées.
Avec des centaines de capteurs à corde vibrante, ce projet de surveillance a fourni un cadre approprié pour appliquer la nouvelle méthode d'analyse spectrale. Le résultat a été très positif. Historiquement, une application comportant autant de mesures de cordes vibrantes nécessitait un effort supplémentaire pour valider les mesures et identifier les données bruitées. En général, certaines données étaient perdues à cause des interférences dues au bruit. Dans ce cas, cependant, l'analyse spectrale a permis d'éliminer les problèmes de bruit. Aucune donnée n'a été perdue, et aucun effort supplémentaire n'a été nécessaire pour identifier les données bruitées.
Les diagnostics fournis par la nouvelle méthode se sont également avérés bénéfiques et ont été largement utilisés tout au long du projet. Le CTLGroup a indiqué que les problèmes de dépannage n'auraient pas pu être résolus aussi facilement sans l'AVW206. Bien qu'ils aient déjà utilisé des solutions dans le domaine temporel, cette expérience les a solidement ancrés dans la méthode d'analyse spectrale.
Pour de plus amples informations, se référer à l'application : "Louisiana: Monitoring Bridge Expansion" case study.
Etude de cas : Reconstruction du pont de St Antony après son effondrement.
Le 1er Août 2007, le pont de ST. Anthony sur le fleuve Mississippi à Minneapolis, dans le Minnesota, s'est effondré en pleine heure de pointe.
(Photo avec l'aimable autorisation de Mike Wills)
L'effondrement a tué 13 personnes et a ouvert les yeux des décideurs politiques et des ingénieurs sur la gravité de la défaillance des infrastructures américaines. Il en est résulté un effort de coopération considérable pour remplacer le pont rapidement et en toute sécurité. Il a permis d'exploiter les technologies actuelles et continue de fournir des informations sur les performances du pont et sa santé sur le long terme. À cette fin, un programme a été mis en place pour montrer comment l'instrumentation interne pouvait être utilisée pour améliorer l'assurance qualité, surveiller les charges de construction et, par la suite, montrer les effets de la circulation et de la charge du vent sur les performances à long terme des piles.
Il s'agissait de la première partie d'un programme plus vaste concernant l'ensemble du pont, et il ne concernait qu'un des trois piliers surélevés, à savoir les colonnes et les fondations de la jetée 2 en direction du sud. Deux types de jauges de contrainte et de thermomètres y ont été installés pour surveiller les trois parties du pont et du système de fondations : (1) la température interne de durcissement du béton des éléments de fondation, (2) les charges de construction, et (3) la résistance sur le long terme.
Quatre niveaux de six jauges de contrainte chacun ont été installés dans deux des huit éléments de fondation des puits forés à 100 pieds de profondeur (48 jauges au total). Les niveaux de jauge ont été désignés pour identifier les contributions de charge des différentes couches de sol. Ces niveaux se trouvaient au sommet du puits (surface du sol), au sommet de la roche tendre, au sommet de la roche solide et au fond du puits.
Chaque niveau de jauge était constitué de quatre jauges de contrainte à corde vibrante positionnées aux quarts de la circonférence de la section transversale de cet ouvrage. Deux des quatre jauges à corde vibrante de chaque niveau étaient couplées à une jauge de contrainte résistive située sur les côtés opposés de l'ouvrage. Ce schéma a permis d'obtenir une stabilité à long terme avec les jauges à corde vibrante les plus lentes ainsi que des mesures rapides à partir des jauges résistives lors d'événements dynamiques.
En plus des mesures des fondations, deux niveaux de quatre cordes vibrantes ont été installés dans les deux colonnes supportant les deux poutres-caissons en béton en direction du sud (16 cordes vibrantes au total). Le premier niveau se trouvait à mi-hauteur des colonnes, le second à la base de la colonne. Les jauges de niveau moyen ont été dupliquées avec des jauges de contrainte résistives pour mesurer les événements transitoires de courte durée.
Deux systèmes d'acquisition de données distincts ont été utilisés pour mesurer les cordes vibrantes et les jauges de contrainte résistives. Les jauges à corde vibrante ont été lues avec l'AVW200 et enregistrées avec une centrale de mesure CR1000, y compris les enregistrements des thermistances internes des cordes vibrantes. Les jauges résistives ont été mesurées avec le système d'acquisition de données à grande vitesse CR9000 de Campbell Scientific. Les jauges à corde vibrante ont été échantillonnées toutes les deux minutes, et la période d'échantillonnage a ensuite été ralentie à un intervalle de 15 minutes. Les jauges résistives ont été échantillonnées à 100 Hz ; les valeurs moyenne, maximale et minimale ont été enregistrées toutes les 15 minutes. Les deux systèmes étaient auto-alimentés par des panneaux solaires et des batteries rechargeable, et chaque système a téléchargé les données vers un serveur hôte distant à l'aide de modems cellulaires. Cette configuration a permis aux systèmes d'acquisition de données de fonctionner indépendamment de l'alimentation électrique et des communications sur le chantier, et ils n'ont pas gêné les activités de construction quotidiennes. Les principaux aspects des deux systèmes d'acquisition de données étaient la surveillance des données à distance, le téléchargement de programmes à distance et la reconfiguration à distance à mesure que les besoins en matière d'acquisition de données augmentaient et diminuaient.
La phase 1 impliquait un contrôle interne de la température du béton. Les thermistances incorporées dans les jauges de contrainte à corde vibrante constituaient un moyen de s'assurer que les températures du béton restaient dans des limites acceptables. La figure 14 montre la température interne à chacun des niveaux de la jauge au cours de la construction de l'ouvrage et de la semelle.
Fig. 14. Température interne au niveau des jauges
Cliquez sur le graphique pour agrandir l'image.
La phase 2 a permis de surveiller l'augmentation des charges et leur répartition sur la longueur des arbres au fur et à mesure de l'avancement de la construction. La figure 15 montre la charge sur l'un des arbres sous la base de la jetée 2, ainsi que les étapes de la construction. Cette figure montre que près de 800 kips de la charge totale de 3500 kip des arbres ont résisté dans le palier d'extrémité et qu'environ la moitié de la charge restante a été supportée par le cisaillement latéral de la couche rocheuse. Les étapes de la charge sont évidentes entre le 29 mai et le 9 juillet, montrant l'emplacement de chacun des 15 segments de poutre-caisson.
La phase 3 est en cours. Elle utilise les calibrations et les corrélations obtenues au cours de la phase 2 pour surveiller la santé à long terme du pont. Les variations des charges sur l'ouvrage et les colonnes peuvent identifier des conditions aberrantes et alerter les responsables pour qu'ils prennent les mesures appropriées.
Ce projet, tout comme le projet Huey P. Long Bridge, était bien adapté pour démontrer les avantages de la méthode d'analyse spectrale pour la lecture des capteurs à corde vibrante. Non seulement ce projet impliquait un grand nombre de capteurs à corde vibrante, mais l'installation était située à un mètre et demi d'un générateur de 1000 KW. Comme auparavant, le résultat a été très positif. Même avec la grande génératrice à proximité, aucune donnée n'a été perdue à cause du bruit, et aucune analyse supplémentaire n'a été nécessaire pour déterminer si les mesures avaient été affectées par le bruit. En fait, les données brutes ont été automatiquement publiées sur un site web accessible au public toutes les 15 minutes, sans examen ni qualification. En raison du succès de la nouvelle méthode dans ce projet, le responsable du programme a déjà prévu de l'intégrer dans deux futurs projets de surveillance des ponts.
Pour de plus amples informations, veuillez consulter l'étude de cas : "Minnesota: Bridge Disaster Recovery" .