par le LCPC en 2003. Méthodes de suivi dimensionnel et de

ISSN 1151-1516

Réf : SUIVIDIMPrix : 35 Euros HT

techniques et méthodesdes laboratoires des ponts et chaussées

Guide technique

Méthodes de suivi dimensionnelet de suivi de la fissuration

des structures

Avec application aux structures atteintes de réaction de gonflement interne du béton

Le présent guide technique est un recueil de cinq méthodes de mesures utilisées pour effectuer lesuivi des déformations locales ou globales des structures, le suivi de leur déformée ou de leurfissuration : la mesure de l'ouverture de fissures par macrophotographie numérique, la mesure dedéformation à l'aide de l'extensomètre type LCPC de base 400 mm, le suivi dimensionnel à l'aide dudistancemètre orientable à fil d'invar, le suivi dimensionnel par distancemétrie infrarouge et le suividimensionnel par planimétrie laser.Ces méthodes présentent un grand intérêt pour le diagnostic et la surveillance métrologique desouvrages et de façon plus générale pour le contrôle de santé des ouvrages. Elles ont un vastechamp possible d'applications dans le domaine des ouvrages d'art (ponts, tunnels, ouvrages desoutènement des terres) et plus largement dans le domaine des structures de génie civil et desgrands bâtiments. Elles sont particulièrement utilisées pour le suivi des structures en béton atteintesde réaction de gonflement interne, en accord avec la méthodologie de gestion décrite dans le guidetechnique d'aide à la gestion des ouvrages atteints de réaction de gonflement interne du béton publiépar le LCPC en 2003.

This technical guide is a collection of five methods of measurement used to monitor local or globalstrains in structures, as well as their deformation or cracking: the measure of the crack width bydigital macrophotography, the measurement of local deformations using the LCPC extensometer ofbase 400 mm, the monitoring of global deformation using an invar wire-distancemeter, the monitoringof global deformation by infrared distancemeter and the dimensional monitoring by laser planimetry.These methods are of great interest for diagnosis and metrological monitoring of structures and moregenerally for their health monitoring. They have a wide range of possible applications in the field oftransportation structures (bridges, tunnels, earth retaining structures) and more widely in the field ofcivil engineering structures and major buildings. They are particularly used for monitoring concretestructures affected by internal swelling reaction, in agreement with the management methodologydescribed in the technical guide for aiding to management of structures affected by internal swellingreaction of concrete published by the LCPC in 2003.

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Méthodes de suivi dimensionnel et de suivi de la fi ssuration

des structuresAvec application aux structures

atteintes de réaction de gonfl ement interne du béton

Guide technique

Décembre 2009

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées58, bd Lefebvre, F 75732 Paris Cedex 15

Ce guide technique a été élaboré par :

M. Pascal Fasseu (CETE Nord-Picardie),M. Marc Michel (CETE Nord-Picardie),M. Fabien Renaudin (CETE de l’Est),

sous la direction de M. Bruno Godart (LCPC).

Pour commander cet ouvrage :

Laboratoire Central des Ponts et ChausséesDISTC-Diffusion des éditions58, boulevard LefebvreF-75732 PARIS CEDEX 15Téléphone : 01 40 43 50 20Télécopie : 01 40 43 54 95Internet : http://www.lcpc.fr

Prix : 35 € HT

En couverture : Mise en œuvre du distancemètre à fi l d’invar sur un pont en maçonnerie.

Ce document est propriété du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées et ne peut être reproduit, même partiellement, sans l’autorisation de son directeur général (ou de ses représentants autorisés).

© 2009 - LCPCISSN 1151-1516

ISBN 978-2-7208-2549-2N° DOI/Crossref 10.3829/gt-gtsuividim-fr

Méthodes de suivi dimensionnel et de suivi de la fi ssuration des structures

3

Présentation par M. Bruno Godart ....................................................................................................... 7

MÉTHODE 1 - La mesure de l’ouverture de fi ssures par macrophotographie numérique .............................................................................................................................................................. 9 1. Objet - Domaine d’application ...........................................................................................................................9 2. Références bibliographiques .............................................................................................................................9 3. Principe .............................................................................................................................................................9 4. Matériel et fournitures .......................................................................................................................................9 5. Mode opératoire ..............................................................................................................................................10 6. Contrôles et incertitudes .................................................................................................................................10 7. Résultats et interprétation ...............................................................................................................................11 Contacts ..........................................................................................................................................................11 Annexe 1 - Matériel et exemple d‛application ...........................................................................12

MÉTHODE 2 - La mesure de déformation à l’aide de l’extensomètre type LCPC de base 400 mm ................................................................................................................... 15 1. Objet - Domaine d’application .........................................................................................................................15 2. Références bibliographiques ...........................................................................................................................15 3. Principe ...........................................................................................................................................................16 4. Matériel et fournitures .....................................................................................................................................16 5. Mode opératoire ..............................................................................................................................................17 5.1. Préparation des bases en laboratoire .............................................................................................18 5.2. Scellement des bases sur le béton .................................................................................................18 5.3. Réalisation des mesures sur les bases ...........................................................................................18 6. Contrôles et incertitudes .................................................................................................................................19 7. Résultats et interprétation ...............................................................................................................................20 7.1. Présentation des résultats ...............................................................................................................20 7.2. Interprétation ...................................................................................................................................20 Contacts ..........................................................................................................................................................21 Annexe 1 - Tableau de relevé de mesures type .......................................................................22 Annexe 2 - Photos de l‛extensomètre et de ses accessoires .............................................23 Annexe 3 - Utilisation de l‛extensomètre type LCPC base 400 mm dans le cadre du suivi d‛un ouvrage atteint de réactions de gonfl ement interne .....25

Sommaire

4MÉTHODE 3 - Suivi dimensionnel d’une structure à l’aide du distancemètre orientable à fi l d’invar D01 ...................................................................................................................... 27 1. Objet - Domaine d’application .........................................................................................................................27 2. Références bibliographiques ...........................................................................................................................27 3. Principe ...........................................................................................................................................................27 4. Matériel et fournitures .....................................................................................................................................28 4.1. Lot de mesure de distancemètre type D01 .....................................................................................28 4.2. Appareils de mesure de la température ..........................................................................................28 4.3. Fournitures ......................................................................................................................................28 5. Contrôles du matériel et incertitude ................................................................................................................28 6. Modes opératoires et interprétations ...............................................................................................................29 6.1. Suivi de la géométrie d’une section .................................................................................................29 6.2. Suivi de l’écartement des naissances d’une voûte ..........................................................................31 6.3. Suivi de gonfl ement de structures en béton in situ ..........................................................................32 7. Présentation des résultats ...............................................................................................................................33 Contacts ..........................................................................................................................................................33 Annexe 1 - Photos du distancemètre et de ses accessoires ..............................................34 Annexe 2 - Tableau de relevé de mesures type .......................................................................36 Annexe 3 - Exemple de suivi de la géométrie d‛une section ...............................................37 Annexe 4 - Exemple d‛instrumentation pour le suivi de la distance entre naissances d‛une voûte ................................................................................................................38 Annexe 5 - Exemple d‛instrumentation d‛un mur présentant des symptômes de gonfl ement interne ..............................................................................................................................39

MÉTHODE 4 - Le suivi dimensionnel de structure par distancemétrie infrarouge ............................................................................................................................................................ 41 1. Objet - Domaine d’application .........................................................................................................................41 2. Références bibliographiques ...........................................................................................................................41 3. Principe ...........................................................................................................................................................41 4. Matériel et fournitures .....................................................................................................................................42 5. Mode opératoire ..............................................................................................................................................42 5.1. Implantation des bases et pose des supports des dispositifs de mesure .......................................42 5.2. Implantation des sondes thermo-hygrométriques internes .............................................................43 5.3. Réglages du dispositif .....................................................................................................................43 5.4. Mesures ...........................................................................................................................................43 6. Incertitude .......................................................................................................................................................43 7. Exploitation des mesures ................................................................................................................................43 8. Exemple d’utilisation de la méthode ................................................................................................................44 Contacts ..........................................................................................................................................................45 Annexe 1 - Photos du distancemètre et de ses accessoires ..............................................46 Annexe 2 - Feuille de saisie des mesures ....................................................................................48 Annexe 3 - Exemple d‛utilisation de la méthode .......................................................................49


5MÉTHODE 5 - Le suivi dimensionnel de structure par planimétrie laser ............. 51 1. Objet - Domaine d’application .........................................................................................................................51 2. Références bibliographiques ...........................................................................................................................51 3. Principe ...........................................................................................................................................................51 4. Matériel et fournitures .....................................................................................................................................51 5. Mode opératoire ..............................................................................................................................................52 5.1. Implantation des bases et pose des supports des dispositifs de mesure .......................................52 5.2. Mesures ...........................................................................................................................................52 6. Incertitude .......................................................................................................................................................53 7. Exploitation des mesures ................................................................................................................................53 8. Exemples d’utilisation de la méthode ..............................................................................................................53 Contacts ..........................................................................................................................................................54 Annexe 1 - Photos et fi gures du distancemètre et de ses accessoires .......................55 Annexe 2 - Exemples d‛utilisation de la planimétrie ...............................................................58


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Le présent document est un recueil de cinq méthodes de mesures utilisées pour effectuer le suivi des déformations locales ou globales des structures, le suivi de leur déformée ou de leur fi ssuration. Celles-ci sont :

la mesure de l’ouverture de fi ssures par macrophotographie numérique,la mesure de déformation à l’aide de l’extensomètre type LCPC de base 400 mm,le suivi dimensionnel à l’aide du distancemètre orientable à fi l d’invar,le suivi dimensionnel par distancemétrie infrarouge,le suivi dimensionnel par planimétrie laser.

Ces méthodes viennent utilement compléter la méthode d’essai LPC n°47 intitulée « Détermination de l’indice de fi ssuration d’un parement en béton », dont notre retour d’expérience ne justifi e pas qu’elle soit modifi ée. Tout au plus peut-on noter que dans cette méthode, le processus de calcul de l’indice de fi ssuration est bien adapté à des ouvrages qui présentent une fi ssuration relativement répartie, et que lorsque l’on est confronté à une fi ssuration fortement orientée (comme dans certains cas de structures en béton précontraint ou de poteaux bien chargés), il convient de calculer l’indice de fi ssuration selon l’axe perpendiculaire à l’axe d’orientation des fi ssures.

Il convient de noter que certains appareils utilisés pour l’application de ces méthodes, comme l’extensomètre type LCPC de base 400 mm et le distancemètre orientable à fi l d’invar D01, existent depuis fort longtemps puisque le premier à été mis au point il y a une trentaine d’années pour suivre les déformations différées des ponts sous l’action du retrait et du fl uage, et que le second a été mis au point par l’unité de Mécanique des Roches du LRPC de Lyon, il y aussi une bonne trentaine d’années, pour suivre les déformations des massifs rocheux et des sols.

L’ensemble de ces méthodes ont donc un vaste champ possible d’application qui vont de la surveillance de la convergence des tunnels au suivi de la déplanation de grands murs de soutènement des terres, en passant par la surveillance de l’écartement des culées d’un pont en arc. Ce qui est novateur dans le présent document, c’est leur application à la surveillance et au diagnostic de l’état des structures en béton atteintes de réaction de gonfl ement interne, que cette dernière soit occasionnée par l’alcali-réaction, la réaction sulfatique interne, la formation de thaumasite ou le gel interne des bétons.

En outre, ces méthodes sont en adéquation avec la méthodologie de gestion décrite dans le guide technique d’aide à la gestion des ouvrages atteints de réaction de gonfl ement interne du béton publié par le LCPC en 2003* qui s’appuie fortement sur le suivi in-situ du gonfl ement des structures et de leur fi ssuration, et donc sur les mesures d’indice de fi ssuration, sur les mesures de distances globales (distancemétrie) et sur les ouvertures de fi ssures.

Enfi n, il est apparu opportun de faire apparaître, pour chacune des méthodes décrites, les coordonnées des interlocuteurs susceptibles de renseigner effi cacement les personnes intéressées (futurs utilisateurs de ces méthodes, laboratoires souhaitant s’équiper, gestionnaires d’ouvrages d’art, etc.)

Bruno GODARTDirecteur technique des Ouvrages d’Art

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

Présentation

* LCPC, Aide à la gestion des ouvrages attetints de réaction de gonfl ement interne du béton, Guide technique, 66 p. Novembre 2003.


Méthode 1La mesure de l’ouverture de fi ssures par macrophotographie numérique

1. OBJET - DOMAINE D’APPLICATIONL’objet de la méthode est de relever avec précision, fi abilité et répétabilité l’ouverture de fi ssures présentes sur un parement d’un ouvrage en béton.L’application de cett e méthode s’inscrit dans les activités d’inspections ou d’expertises d’ouvrages en béton en particulier lorsque ceux-ci présentent des anomalies de comportement ou de fonctionnement et qu’un relevé précis de la fi ssuration et de son évolution dans le temps est nécessaire. Elle constitue également une amélioration de la méthode de détermination de l’indice de fi ssuration [1].L’emploi d’un appareil photographique par rapport à la mesure directe à l’œil présente de nombreux avantages comme la commodité et la rapidité de l’opération de mesure notamment lorsque l’accessibilité est réduite et/où l’éclairage insuffi sant, la meilleure précision grâce aux possibilités de traitement numérique ultérieur des images et une meilleure traçabilité par l’archivage des photographies qui facilite la surveillance de l’évolution de la fi ssuration.

2. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES[1] Détermination de l’indice de fi ssuration d’un parement de béton, Techniques et méthodes des LPC, Méthode d’essai LPC 47, octobre 1997, 16 pages.

3. PRINCIPEIl consiste à positionner sur une fi ssure une loupe micrométrique montée sur l’objectif d’un appareil photographique numérique, de prendre une photographie et d’eff ectuer un traitement numérique de celle-ci afi n de déterminer avec le maximum de précision l’ouverture de la fi ssure.

4. MATÉRIEL ET FOURNITURESLe matériel se compose de (Fig. 1 en annexe) :

Un appareil photographique réfl ex numérique présentant au moins les caractéristiques suivantes :

- Capteur d’au moins 4 millions de pixels (cett e caractéristique est sujett e à l’évolution des performances des appareils photographiques, et il est évident que l’augmentation du nombre de pixels améliore la précision de la mesure) ;

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CHAPITRE 1 La mesure de l’ouverture de fi ssures par macrophotographie numérique

10- Zoom optique 3× (téléobjectif de focale minimale 150 mm en équivalent appareil argentique 24 × 36) ;- Mise au point automatique et manuelle (cett e dernière est préférable) ;- Écran de visualisation à cristaux liquides ;- Possibilité d’adaptation d’une bague sur l’objectif ;

Une loupe micrométrique de grossissement 10 × équipée d’un réticule gradué de 0 à 20 mm avec un pas de 0,1 mm ;

Une bague d’adaptation permett ant d’assujett ir la loupe sur l’objectif de l’appareil.

5. MODE OPÉRATOIRE

En vue d’une éventuelle répétition des relevés dans le temps et pour assurer un suivi de l’ouverture de la fi ssure, on repère sur l’ouvrage l’emplacement de la mesure par un tracé à la peinture (par exemple un cercle au diamètre de la loupe tracé à cheval sur la fi ssure + axe d’orientation + numéro d’identifi cation).La loupe est fi xée sur l’appareil photo au moyen de la bague d’adaptation, puis l’appareil est réglé en mode automatique (mise au point, ouverture et temps de pose). Dans tous les cas le fl ash est enclenché en mode forcé afi n d’éviter un fl ou de bougé et en puissance maximale (pour cela, au besoin, le capteur de la cellule du fl ash peut être provisoirement obturé par un adhésif noir). Le zoom optique est placé en position téléobjectif.La loupe est placée au contact de la surface à cheval sur la fi ssure (Fig. 2 en annexe). L’appareil est orienté selon le repère tracé au préalable. La visée est contrôlée sur l’écran à cristaux liquides puis la prise de vue est déclenchée. Un enregistrement des clichés pris en corrélation avec la dénomination ou la numérotation des emplacements est eff ectué ; si l’appareil dispose d’une fonction enregistrement sonore, le numéro du point peut être dicté.Une vérifi cation de la qualité de la prise de vue est opérée sur l’écran puis les relevés peuvent continuer sur les points suivants. Une prise de vue plus générale de la zone étudiée est également souhaitable.

6. CONTRÔLES ET INCERTITUDES

La résolution théorique de la mesure résulte directement de celle du capteur de l’appareil, du facteur de grossissement de l’ensemble optique objectif + loupe, et de la qualité de l’optique.Par exemple, avec une loupe de grossissement 10× montée sur un objectif de 210 mm de focale (équivalent à 150 mm pour un format 24 × 36), le champ de prise de vue a une largeur de 10 mm. Avec un capteur de 2240 × 1680 pixels (4 Mégapixels), un pixel représente donc 4,5 μm. Dans la pratique la résolution eff ective est un peu inférieure à celle-ci en raison des pertes de nett eté dans l’optique et de défaut de mise au point. Dans ces conditions on estime que la résolution descend à 2 ou 3 pixels soit 9 à 14 μm (Fig. 3 en annexe). L’aspect irrégulier des lèvres d’une fi ssure qui peuvent être ébréchées ou garnies de calcite et de salissures constitue également une autre source d’imprécision mais surtout sur la mesure absolue d’ouverture car les variations relatives peuvent s’appuyer sur d’autres repères que les lèvres de la fi ssure comme par exemple la texture de la surface du béton (mesure de la distance entre deux détails tels que cavités, bulles, etc.).Enfi n une erreur peut être commise si l’on néglige le choix du positionnement et de l’orientation de la mesure notamment lorsque l’ouverture de la fi ssure se fait suivant une direction non perpendiculaire à son orientation principale (cisaillement). Ce type de déplacement est ainsi aisé à déterminer ce qui peut constituer une information très utile pour certaines investigations. En raison de la faible profondeur de champ du dispositif, un rejet des lèvres des fi ssures altère la précision de mesure et peut rendre la méthode inopérante s’il est trop important.


11Pour autant, la précision obtenue avec cett e technique est élevée et reste largement supérieure au relevé visuel direct. L’intérêt majeur off ert par cett e méthode est la répétabilité de la mesure qui autorise un suivi précis dans le temps de l’ouverture d’une fi ssure et ceci sans qu’il soit nécessaire d’équiper l’ouvrage de dispositifs spécifi ques complexes et fragiles. En eff et, en repérant par traçage indélébile le point de mesure, les photos successives seront toujours positionnées au même endroit. Dès lors les relevés de la largeur sur les images pourront se faire dans des conditions toujours rigoureusement identiques. C’est ainsi que ce repérage permett ra de diminuer fortement les erreurs et imprécisions de lecture et d’interprétation qui pourraient résulter de prises de vue eff ectuées par des opérateurs diff érents.

7. RÉSULTATS ET INTERPRÉTATIONLes fi chiers des clichés sont transférés dans un micro-ordinateur puis visualisés au moyen d’un logiciel de traitement d’image standard. Au besoin, une amélioration du contraste et de la nett eté peut être appliquée. La détermination peut ensuite se faire soit directement sur l’écran de l’ordinateur soit sur un tirage papier après agrandissement de la zone de mesure. Dans un premier temps, on détermine le facteur de grossissement de l’image agrandie examinée. Ceci peut se faire avec précision au moyen de la vue du réticule gradué. Par exemple si l’on relève 192 mm à l’écran ou sur le papier pour 4 mm réel sur le réticule, le facteur de grossissement est de 192 mm/4 mm = 48. Dans un second temps, on eff ectue une ou plusieurs mesures de largeur apparente de la fi ssure et l’on divise ces valeurs par le facteur de grossissement pour obtenir les valeurs réelles de la largeur de la fi ssure.D’autres moyens de dépouillement sont également envisageables comme le comptage de pixels, la comparaison avec des fi gures de dimension connue ou un traitement numérique de l’image.Les fi gures 3, 4 et 5 de l’annexe 1 montrent des exemples de mesure.

Contacts P. FASSEU - 03 20 48 49 53 - [email protected]

LRPC de Lille – Groupe Bétons Ouvrages d’ArtFax : 03.20.50.55.09

B. GODART - 01.40.43.53.32 - [email protected] LCPC PARIS – Direction Technique Ouvrages d’ArtFax : 01.40.43.65.20

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Matériel et exemples d’application

Figure 1 - Ensemble du matériel.

Figure 2 - Dispositif en position de mesure.

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CHAPITRE 1 La mesure de l’ouverture de fi ssures par macrophotographie numérique


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Figure 3 - Mesure d’une fi ssure par comptage de pixels.

Figure 4 - Exemple d’une fi ssure aux lèvres irrégulières.

Figure 5 - Suivi dans le temps de l’ouverture d’une fi ssure.

Matériel et exemple d’application


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Méthode 2La mesure de déformation à l’aide de l’extensomètre type LCPC de base 400 mm

1. OBJET – DOMAINE D’APPLICATIONLe présent mode opératoire a pour objet de décrire la mise en œuvre de l’extensomètre type LCPC de base 400 mm sur des éléments de structure en béton. Les moyens de mesures d’extensométrie sont très nombreux (jauges à fi l résistant, capteurs de déplacement, extensomètres à bille, comparateurs, etc.) et permett ent de répondre à la plupart des problèmes rencontrés sur les ouvrages, moyennant parfois quelques adaptations (utilisation de poulies, de fi l invar, etc.). L’intérêt de l’extensomètre type LCPC de base 400 mm est de permett re de suivre les déformations en surface d’un élément en béton sur une base de mesure plus longue que celle des extensomètres courants, avec une très bonne précision et de façon durable. C’est ainsi que certains ouvrages sont suivis depuis plus de vingt ans avec ce type de capteur, grâce à un recalage des mesures par rapport à une base étalon en silice conservée en laboratoire ou sur chantier.Cet extensomètre, qui peut être utilisé lors de l’auscultation ponctuelle d’un ouvrage (par exemple lors d’essais de chargement), constitue surtout un très bon moyen de surveillance. Il est en eff et plus particulièrement adapté au suivi périodique des déformations d’un élément de structure sous l’eff et de phénomènes permanents ou lentement variables :

déformations de retrait, de fl uage,déformations sous variations d’un eff ort de précontrainte,déformations de gonfl ements internes du béton.

Il est à noter que son utilisation peut être intéressante pour reconstituer un diagramme de type « Navier de déformations »* depuis l’intérieur d’un pont caisson sous l’eff et d’un chargement donné ou pour suivre périodiquement les ouvertures de joints entre voussoirs d’un pont-caisson (dans ce cas, on utilise l’extensomètre pour faire de la fi ssurométrie).Il existe également un extensomètre type LCPC de base 200 mm dont les principes d’utilisation sont identiques à ceux de l’extensomètre de base 400 mm décrit dans le présent mode opératoire.

2. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUESDiruy M., Étude expérimentale des phénomènes diff érés dans les ouvrages en béton précontraint, Bulletin de liaison des LPC, 85, pp. 77-96, sept.-oct. 1976.Notice d’utilisation du conditionneur Militron 1234 IC avec palpeur inductif N° 1303 de type Feinprüf.

* Un Navier de déformations consiste à vérifi er la linéarité des déformations suivant la hauteur d’une section.

16Plans de l’extensomètre et de ses accessoires

Plans LCPC n° DésignationB 530 100 Extensomètre à palpeur électronique Base 400 mmB 530 200 Barreau réglable Base 400 mmB 530 301 Corps de mannequin Base 400 mmB 530 401 BaseB 530 500 Barreau de référenceB 530 610 Gabarit de perçage

3. PRINCIPELe principe de la méthode consiste à mett re en place à la surface d’un élément en béton, une paire de bases espacées de 400 mm puis à venir positionner sur ces bases un bâti en acier invar muni d’un capteur de déplacement.Le bâti possède un appui fi xe et un appui mobile. Le mouvement de cet appui est directement transmis au capteur.Il s’agit ensuite de repositionner à intervalles réguliers l’extensomètre sur les bases pour suivre les variations de déformation à la surface de la pièce instrumentée.

4. MATÉRIEL ET FOURNITURES

Conditionneur Militron 1234 ICPlages de mesure : +/- 2000 μm soit +/- 5000 μm/m sur calibre 1 μmValeur du dernier digit : 1 μmTemps de réponse : 100 millisecondesPrécision : 0,1 % de la plage de mesureTension d’alimentation : 220 V

Palpeur inductif Feinprüf n°1303Étendue de mesure : +/- 1 mm (ce qui représente +/-2500 μm/m rapporté à une base de 0,4 m) Sensibilité : 0,02 μmErreur de mesure maximale : 0,5 % de la plage de mesure

Nota : Il est possible d’utiliser un conditionneur et un capteur diff érents ayant des caractéristiques équivalentes.

Accessoires mis au point par le LCPC1 bâti d’extensomètre 400 mm en invar,2 barreaux de référence en silice (l’un conservé en laboratoire, l’autre réservé au chantier),1 barreau de réglage,10 corps de mannequin,1 mannequin de perçage,n bases,1 bâti pour étalonnage.

CHAPITRE 2 La mesure de déformation à l’aide de l’extensomètre type LCPC de base 400 mm


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Appareils de mesure de la température1 appareil de mesure de température, n thermocouples ou sondes platines.

Fournituresn vis Allen φ 5 × longueur 10 mm,n cartons de section carrée 40 × 40 mm avec trou centré φ 10 mm,colle HBM × 60,1 spatule fi ne,1 souffl ett e,1 goupillon,1 niveau à bulle,1 clé Allen de 4 mm,1 tournevis,n chevilles φ 6 mm,n vis « Parker » φ ext. ≥ 12 mm, φ int. 8 mm,n rondelles,Graisse,Tissu,Acétone,Perceuse,Forets φ 6 et 12 mm.

5. MODE OPÉRATOIRELa mise en œuvre de la méthode se fait en trois phases :

dans un premier temps, il faut positionner les bases en laboratoire sur un corps de mannequin en fi xant précisément leur entraxe (en général au zéro du capteur correspondant au milieu de l’étendue de mesure),

ensuite, on scelle les bases sur la pièce à instrumenter à l’aide des mannequins,enfi n on réalise la mesure à l’aide de l’extensomètre.

5.1. Préparation des bases en LaboratoireLa préparation des bases en laboratoire nécessite les opérations suivantes :

nett oyer à l’aide d’acétone les surfaces d’appui : - du barreau de réglage, - du corps de mannequin, - des bases, - de l’extensomètre ;positionner les bases sur le barreau réglable et serrer uniformément les deux vis de fi xation du

barreau ;mett re en route la chaîne de mesure environ 15 minutes avant la mesure ;régler le zéro de l’extensomètre sur le barreau de silice « laboratoire » ;positionner l’extensomètre sur le barreau de réglage et faire varier l’entraxe des plots à l’aide des

vis de réglage de manière à obtenir le zéro sur l’extensomètre ;visser le mannequin sur les bases ;démonter l’ensemble du barreau de réglage ;mett re en place un carton isolant sur l’axe de chaque base de manière à ne coller que l’axe ;conserver le montage dans une caisse à l’abri de tout choc éventuel.

18

5.2. Scellement des bases sur le bétonLe scellement des bases sur le béton requiert les actions suivantes :

implanter les bases suivant les axes de mesure choisis. Éviter les angles des éléments de structure, tenir compte de la position des armatures passives et actives ;

fi xer le mannequin de perçage par son milieu, vérifi er au niveau à bulle, soit la verticalité soit l’horizontalité du mannequin suivant l’implantation ;

percer les deux trous suivant le mannequin de perçage en veillant à bien les centrer et à rester perpendiculaire au parement ;

nett oyer les trous à la souffl ett e puis avec le goupillon ;vérifi er l’entraxe percé avec un mannequin équipé des bases ;nett oyer les bases à l’acétone ;enduire les trous et les axes des bases de colle (seul l’axe des bases doit être scellé et pas la tête de

la base) ;fi xer le corps du mannequin en serrant la vis de fi xation centrale ;respecter un délai d’environ 24 heures pour le séchage de la colle (en fonction de la colle, il est

possible de descendre en dessous de cett e valeur, mais il faut dans tous les cas att endre la stabilisation thermique de la zone au contact de la colle avant de réaliser la première mesure) ;

dévisser les vis de blocage ;repérer les bases à la peinture indélébile ;réaliser un schéma d’implantation des bases ;protéger les bases à l’aide de graisse.

Lors de cett e phase on procédera également à la mise en place de sondes de température dans le matériau.

5.3. Réalisation des mesures sur les basesLa réalisation des mesures impose les opérations suivantes :

vérifi er avant la sortie sur chantier la chaîne de mesure en laboratoire sur les barreaux de silice (noter l’écart, cet écart doit toujours être le même) ;

mett re en route la chaîne de mesure et att endre 15 minutes avant la première mesure ;s’assurer de la propreté des surfaces d’appui (en particulier éliminer la graisse sur les bases lors

de mesures périodiques) ;régler le zéro sur le barreau de silice chantier et vérifi er la répétabilité de la mesure ;eff ectuer les mesures sur les bases (série de cinq mesures) implantées sur l’élément de structure.

(l’extensomètre sera toujours positionné de la même manière, par exemple, capteur en haut ou à gauche) ;

protéger les bases après la mesure avec de la graisse ;relever les conditions de température ;vérifi er la chaîne de mesure sur les barreaux de silice de retour au laboratoire.

Quelques précisions et conseilsL’intérêt du corps de mannequin est de fi xer précisément l’entraxe des bases, mais il s’agit surtout

de positionner les bases dans un même plan, condition indispensable au bon positionnement de l’extensomètre et à la répétabilité de sa réponse.

La tête des bases est constituée d’un tronc de cône sur lequel l’extensomètre vient prendre appui par l’intermédiaire de trois cylindres positionnés à 120°. En outre, un petit téton positionné sur l’extensomètre, côté partie fi xe, vient prendre appui sur le plot scellé. Cett e disposition assure une parfaite répétabilité dans la mise en place de l’extensomètre.

Lorsque les eff ets du phénomène que l’on souhaite suivre sont clairement orientés suivant une direction de la pièce instrumentée, il peut être intéressant de positionner des bases perpendiculairement au sens principal d’instrumentation. Cett e disposition peut, en eff et, permett re de s’aff ranchir de l’eff et de la température, en retranchant aux variations mesurées dans le sens principal, les variations

•

•

•



19mesurées perpendiculairement (on suppose alors que la déformation transversale due au phénomène recherché est nulle, sinon il faut tenir compte du coeffi cient de Poisson du matériau).

ExempleSoit une pièce prismatique soumise à un eff ort variable suivant la direction x.

Suivant cett e direction x, on mesure une déformation εx et suivant une direction perpendiculaire y, on mesure une déformation εy. À deux périodes diff érentes, on eff ectue une mesure, on a :

Δ εx = Δσx / E + Δ εx T

avec σx : contrainte suivant x E : module d’élasticité du béton de l’ouvrage Δ εx T : variation de déformation suivant x liée à la variation de température

et Δ εy = ν . Δ σx / E + Δ εy T

avec ν : coeffi cient de Poisson du béton de l’ouvrage Δ εy T : variation de déformation suivant y liée à la variation de température

On suppose Δ εy T = Δ εx T

Soit Δ σ x = E . (Δ ε x - Δ εy) / (1-ν)

Le choix du calibre dépend de l’amplitude des déformations att endues. En général, le calibre 0,1 μm correspondant à une plage de +/- 200 μm sur 400 mm et convient pour les instrumentations à réaliser. Ceci permet de vérifi er fi nement la bonne répétabilité de la mesure. Dans bien des cas, on peut se contenter d’arrondir au μm.

6. CONTRÔLES ET INCERTITUDESLe LCPC dispose d’un banc d’étalonnage qui permet d’étalonner la chaîne de mesure sans démonter le capteur de son bâti. L’étalonnage de la chaîne « conditionneur – capteur » peut être réalisé par un laboratoire accrédité mais ceci impose de démonter le capteur du bâti de l’extensomètre.Avant chaque mesure, le zéro de la chaîne est vérifi é en laboratoire sur un barreau de silice « laboratoire » muni de bases. Sur chantier en fonction des conditions de température, ce zéro peut être réglé sur un barreau de silice « chantier » après stabilisation en température des appareils de la chaîne.Régulièrement, l’écart de la réponse de la chaîne sur les deux barreaux de silice est vérifi é, cet écart doit toujours être le même. En outre, il est possible de prévoir en laboratoire des bases de contrôle disposées sur un massif en béton (suffi samment ancien pour ne pas être perturbé par le retrait) ou sur une pièce en acier dans un local stable en température. Périodiquement la réponse du capteur sur ces bases peut être vérifi ée. Ceci permet de contrôler d’autres points de l’étendue de mesure que le zéro.Le coeffi cient thermique de la chaîne de mesure (capteur, bâti et appareil de lecture) a été vérifi é expérimentalement en laboratoire, il est de l’ordre de – 1μm/°C. Le coeffi cient thermique du barreau de référence en silice est proche de 0,5 μm/°C. Le recalage du système de mesure sur le barreau de silice « chantier » après avoir att endu l’équilibre permet de compenser l’eff et de la température sur le système de mesure. Par contre, il faut tenir compte de la variation de déformation provoquée par la température sur le barreau de référence.Lors des mesures, on réalise une série de cinq mesures. L’expérience montre qu’en général l’écart entre les mesures est au plus de 1μm. Dans le cas d’une dispersion plus importante des mesures, il faut vérifi er l’état de propreté des surfaces.

•

20Dans des conditions normales d’utilisation, l’incertitude sur une mesure peut donc être estimée à +/- 1 μm sur la base de 400 mm, soit +/- 2,5 μm/m.

7. RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION

7.1 Présentation des résultatsLa présentation des résultats comporte les rubriques suivantes :

identifi cation de l’ouvrage,date de l’intervention,opérateurs,conditions atmosphériques,température ambiante,schéma d’implantation des bases d’extensométrie,schéma d’implantation des sondes de température,tableau des mesures sur les bases d’extensométrie,tableau des mesures sur les sondes de température.

Un modèle de tableau de relevé fi gure en annexe 1. Les variations des déplacements mesurés sur une base de 400 mm sont ramenées à une base de 1 m de manière à être présentées en μm/m.

7.2 InterprétationL’interprétation des mesures dépend de la problématique posée. Il peut par exemple être intéressant d’estimer la variation de contrainte ayant entraîné la variation de déformation mesurée en prenant en compte le module instantané ou diff éré supposé du béton en fonction de la nature de l’action à l’origine de la déformation. Pour tenter de s’aff ranchir des eff ets thermiques, on peut a priori retenir deux principes :

soit mett re en place, si cela est possible, une base témoin dans une zone subissant les mêmes variations thermiques que les bases de suivi mais non soumise aux eff ets d’autres actions et en particulier aux eff ets du phénomène suivi ;

soit implanter des sondes de température à proximité des bases de suivi et corriger les eff ets thermiques en fonction de la variation de température du matériau et de son coeffi cient de dilatation thermique connu ou supposé. Comme la mesure réalisée est une mesure de surface, les sondes seront positionnées à 2 ou 3 cm de profondeur. Dans ce cas la variation de déformation due à la variation de température sur la base de mesure a pour expression :

Δ ε T = l . α. ΔTavec Δε T : variation de déformation due à la variation de température du béton, l : base de mesure soit 0,4 m, α : coeffi cient de dilatation thermique du béton, ΔT : la variation de température mesurée entre deux mesures.On doit également compenser le variation de déformation du barreau de silice servant de référence (coeffi cient thermique de l’ordre de 0,5 μm/°C.

Exemple d’application numériqueOn suppose la mise en place d’une base sur une structure en béton.Une mesure initiale est réalisée à une température ambiante de 20 °C : on lit + 20 μm sur le conditionneur du capteur.Une autre mesure est réalisée ultérieurement sur la même base à une température de 4 °C : on lit -10 μm sur le conditionneur du capteur.



21La variation de déformation du béton liée aux variations thermiques entre les deux mesures est égale à :

Δ ε T = 0,4.1.10-5.(4-20) = - 64 μmLe décalage lié à la variation de déformation du barreau est égale à

Δ ε barreau = 0,5.(4-20) = - 8 μmLa variation de déformation de la base entre les deux mesures, corrigée des eff ets thermiques est alors égale à :

Δ ε = -10 – 20 + 64 - 8 = + 26 μmSoit un allongement de la base de mesure de 26 μm.

Contacts F. RENAUDIN 03.87.20.46.29 [email protected]

CETE de l’Est – Division Ouvrages d’ArtFax : 03.87.20.46.49

B. GODART 01.40.43.53.32 [email protected] LCPC PARIS – Direction Technique Ouvrages d’ArtFax : 01.40.43.65.20

22

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1CHAPITRE 2 La mesure de déformation à l’aide de l’extensomètre type LCPC de base 400 mm

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Figure 6 - Vue d’ensemble du matériel.

Figure 7 - Bases à sceller.

Figure 8 - Extensomètre positionné sur le barreau de silice.

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2

Figure 9 - Détail de la zone d’appui de l’extensomètre.

Photos de l’extensomètre et de ses accessoires

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2 (suite

)CHAPITRE 2 La mesure de déformation à l’aide de l’extensomètre type LCPC de base 400 mm

Figure 10 - Détail de la zone d’appui de l’extensomètre.

Figure 12 - En haut : corps de mannequin - En bas : mannequin de perçage.

Figure 13 - Extensomètre en position sur des bases de contrôle en laboratoire.

Figure 11 - En haut : Barreau de silice - En bas : Barreau de réglage.


25

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3La mise en œuvre de l’extensomètre dans le cadre du suivi d’un ouvrage atteint de réaction de gonfl ement interne ne présente pas de différence notable par rapport au mode opératoire décrit dans ce document.L’extensomètre base 400 mm peut être utilisé pour suivre localement et fi nement les déformations de surface d’un élément de structure atteint de réaction de gonfl ement interne.Les directions de mesure pourront suivre les directions des axes de l’indice de fi ssuration (voir méthode d’essai des LPC n° 47) de manière à corréler localement les déformations de la pièce avec l’évolution de la fi ssuration.Le recours à l’extensomètre peut être intéressant dans le cadre de pièces de faibles dimensions et lorsque la fi ssuration est orientée suivant une direction privilégiée.On peut par exemple penser aux cas de poutres précontraintes dont les effets de la réaction de gonfl ement se traduisent essentiellement par une fi ssuration orientée parallèle à l’effort de précontrainte. Dans ce cas, on pourra implanter des bases de mesures perpendiculairement à la fi ssuration sur la hauteur de l’âme de la poutre et ce dans plusieurs sections. On s’intéresse alors à une déformation moyenne incluant la présence de fi ssures.Cette méthode peut également présenter un intérêt dans le cas de poteaux. L’implantation des bases suivant un plan transversal à la fi bre moyenne du poteau permettra de suivre les variations de la section du poteau sous l’effet des réactions de gonfl ement.De manière un peu forfaitaire, on pourra aussi tenter de rapprocher les variations de déformation de la pièce instrumentée avec l’augmentation du taux de travail des armatures passives parallèles à la direction de mesure. On veillera cependant à bien choisir l’emplacement des bases en évitant de préférence les fi ssures. Par ailleurs, pour que le positionnement de l’extensomètre reste répétable sur les bases, il ne faut pas que les déformations de la pièce entraînent des mouvements trop importants des bases.

Utilisation de l’extensomètre type LCPC base 400 mm dans le cadre du suivi d’un ouvrage atteint de réactions de gonfl ement interne


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Méthode 3Suivi dimensionnel d’une structureà l’aide du distancemètre orientable à fi l d’invar D01

1. OBJET – DOMAINE D’APPLICATIONLe présent mode opératoire a pour objet de décrire la mise en œuvre du distancemètre orientable à fi l d’invar DO1 sur des ouvrages d’art afi n d’en suivre les mouvements ou les déformations qui peuvent être qualifi ées de déformations globales.Dans la panoplie des moyens de suivi des déformations d’ouvrages, l’intérêt du distancemètre orientable à fi l d’invar est de permett re le suivi de la distance entre deux points implantés sur une structure, sur une grande base de mesure, avec une bonne précision et de façon durable (jusqu’à 20 m de distance avec une résolution de 0,1 mm). Il permet d’eff ectuer à partir d’un même repère des mesures dans toutes les directions (systèmes de trilatération à deux ou trois dimensions).Parmi les applications possibles du distancemètre à la surveillance des ouvrages d’art, l’objet du présent mode opératoire est de traiter le suivi :

de la géométrie d’une section d’ouvrage,de l’écartement des naissances d’une voûte,du gonfl ement d’une structure en béton in situ.

2. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES[1] Notice d’utilisation du LRPC de Lyon – Groupe Mécanique des roches, Distancemètre orientable à fi l INVAR D01, 19 pages.[2] LCPC, Aide à la gestion des ouvrages att eints de Réactions de Gonfl ement Interne, Guide technique, 66 p., Novembre 2003.[3] Détermination de l’indice de fi ssuration d’un parement de béton, Techniques et méthodes des LPC, Méthode d’essai LPC n° 47, octobre 1997, 16 pages.[4] Buses métalliques, Guide pour la surveillance spécialisée, l’entretien et la réparation, SETRA, décembre 1992.[5] Les ponts en maçonnerie, Conception et stabilité, SETRA, Juin 1982.

3. PRINCIPELe principe de la méthode consiste :

à mett re en place sur la structure des repères,à venir positionner entre deux repères une chaîne de mesure qui est constituée par le distancemè-

28tre, un fi l de mesure (appelé fi l maître) et une ou deux rallonges suivant le cas permett ant de centrer l’appareil sur sa plage de mesure,

à eff ectuer une lecture sur le vernier du distancemètre.

Il s’agit ensuite de repositionner à intervalles réguliers cett e chaîne de mesure entre les repères pour suivre les variations de distance de la base de mesure.

4. MATÉRIEL ET FOURNITURES

4.1. Lot de mesure de distancemètre type D01L’appareillage type Laboratoire des Ponts et Chaussées de Lyon se présente sous la forme d’un lot de mesure complet comportant :

l’appareil de mesure proprement dit qui rassemble les fonctions de tension et de mesure ; il comporte une molett e montée sur une tige fi letée permett ant de régler la tension du fi l, ainsi qu’un dynamomètre à ressort taré et une échelle de lecture équipée d’un vernier au 1/10 mm. La plage utile de fonctionnement de l’appareil est de 100 mm.

- Base de mesure : de 1 à 20 m- Plage de mesure du vernier : 100 mm- Résolution absolue : 0,1 mm- Résolution relative sur la plus grande base : 5.10-6 m/m

le corps d’ancrage qui constitue le système d’amarrage auquel est reliée l’autre extrémité du fi l de mesure,

un jeu de fi ls et de rallonges étalonnés permett ant la réalisation de toutes les longueurs comprises entre 1 et 20 m,

une fi che d’étalonnage déterminant les diff érentes constantes de l’appareil de mesure et des fi ls en invar.

Le lot complet de mesure est logé dans des coff rets en aluminium.

4.2. Appareils de mesure de la températureun appareil de mesure de température,n thermocouples ou sondes platines.

4.3. Fournituresn repères de type DO,une perceuse avec un foret de 18 mm, longueur 200 mm mini et 1 foret de 32 mm,une souffl ett e,un goupillon,un produit de scellement.

5. CONTRÔLES DU MATÉRIEL ET INCERTITUDELe LRPC de Lyon dispose d’un banc d’étalonnage qui permet d’étalonner l’ensemble de la chaîne de mesure.En outre, il est possible de prévoir en laboratoire des bases de contrôle disposées dans un local stable en température. On pourra éventuellement faire des mesures comparatives avec un autre instrument.Avant chaque mesure, on vérifi e l’intégrité des fi ls. Lors des mesures, on réalise deux séries de trois mesures. L’expérience montre qu’en général l’écart entre les mesures est au plus de 0,1 mm. Dans le

CHAPITRE 3 Suivi dimensionnel d’une structure à l’aide du distancemètre orientable à fi l d’invar D01


29cas d’une dispersion importante des mesures, il faut vérifi er l’état des scellements ou des dispositifs de fi xation.La résolution absolue est de 0,1 mm, et la résolution relative sur la plus grande base est de 5.10-6 m/m.

6. MODES OPÉRATOIRES ET INTERPRÉTATIONSLe mode opératoire pour la mesure de distance est décrit dans la note d’utilisation citée en référence [1]. Ce mode opératoire peut s’appliquer à la surveillance des ouvrages d’art. Des précisions sont essentiellement à apporter pour ce qui concerne le positionnement des bases de mesure, les éventuelles corrections thermiques et l’interprétation des résultats.

6.1. Suivi de la géométrie d’une section

6.1.1. ObjectifL’objectif est de suivre les déformations d’une section de structure à partir de la mesure de distances entre points implantés sur cett e section. En général, la section considérée est un plan vertical, on suppose donc que tous les points sont dans le même plan. Cett e méthode est essentiellement employée pour réaliser des mesures de convergence sur des ouvrages de type tunnel, buse, cadre, etc.

6.1.2. Position des pointsLes points sont positionnés régulièrement sur la circonférence intérieure de l’ouvrage. L’implantation est aussi symétrique que possible par rapport aux axes de symétrie de l’ouvrage.

6.1.3. Scellement des pointsLe scellement des repères se fait à au moins 15 cm des bords libres des éléments instrumentés. Il est fortement conseillé d’éviter de positionner ces repères sur des fi ssures existantes, et de les implanter au centre des mailles du ferraillage. Dans tous les cas, l’utilisation d’un détecteur d’armatures est recommandée. Dans le cas de buse métallique, il est possible de réaliser des adaptateurs pour se fi xer sur les fi letages des boulons d’assemblage de la buse.

6.1.4. Mise en place de sondes de températureOn positionne au moins une sonde de température à 5 cm de profondeur dans la section instrumentée d’une structure en béton. Selon les cas, l’instrumentation en température pourra être plus évoluée de manière à déterminer la température moyenne de la structure et les éventuels gradients de température existant dans son épaisseur ou sur la hauteur de l’ouvrage.

6.1.5. Détermination du mouvement des pointsSoit n points implantés sur une structure, le point 1 est choisi comme point de référence et les autres points sont positionnés de telle façon qu’ils soient tous situés dans le demi-plan délimité par la droite passant par les points 1 et 2 (ceci évite des problèmes de signe).Le point 1 est l’origine du plan (noté O), l’axe Ox des abscisses est l’axe passant par les points 1 et 2, son orientation est telle que l’abscisse du point 2 est positive. L’axe Oy des ordonnées est l’axe orthogonal à l’axe Ox passant par l’origine et orienté de façon à ce que les ordonnées des points soient toutes positives.

30On note :D1-i : distance du point 1 au point i,D2-i : distance du point 2 au point i,xi ; yi : les coordonnées du point i.On réalise la mesure de toutes les distances D1-i pour i allant de 2 à n et toutes les distances D2-i pour i allant de 3 à n. Ceci donne accès à 2n-3 valeurs.Il y a, a priori, 2n inconnues correspondant aux coordonnées des n points. Cependant, dans le repère Oxy, les coordonnées du point 1 sont connues ([0 ; 0]) ainsi que l’ordonnée du point 2 (0), il reste donc 2n-3 inconnues.À partir des 2n-3 distances mesurées, il est donc possible de déterminer les 2n-3 inconnues.On a : x1 = 0 ; y1 = 0 et x2 = D1-2 ; y2 = 0Les coordonnées du point i, pour i allant de 3 à n, sont déterminées de la façon suivante :D1-i

² = xi² + yi

² et D2-i² = (xi - D1-2)² + yi

²


Si l’on souhaite connaître les coordonnées des points dans un repère orthonormé Ox’y’ dont l’axe des abscisses correspond à l’horizontal, il est nécessaire d’eff ectuer un nivellement relatif des points 1 et 2. La diff érence d’altitude h2-h1 (altitude du point 2 - altitude du point 1) correspond à l’ordonnée y’2 du point 2 dans le repère Ox’y’. L’angle θ entre les axes des deux repères peut être déterminé, car on a : sin θ = y’2 / D1-2 soit θ = arcsin (y’2 / D1-2)Dans le nouveau repère Ox’y’, les coordonnées des points sont alors : x’1 = 0 , y’1 = 0 et x’2 = D 1-2.cos θ ; y’2 = h2 - h1

x’i = xi.cos θ – yi.sin θ et y’i = xi.sin θ + yi.cos θDes mesures régulières sont réalisées et l’on suit les variations des coordonnées [xi; yi] de tous les points. Ceci permet d’avoir les mouvements des points dans un repère où le point 1 est toujours à l’origine.Si l’on souhaite connaître, les mouvements de la section dans l’absolu, il faut eff ectuer un suivi topométrique du point 1 par rapport à une référence extérieure réputée fi xe, de façon à déterminer les mouvements Δx1 ; Δy1 du point 1 dans le repère Ox’y’. Les coordonnées des points sont alors obtenues par translation [Δx1 ; Δy1].Chaque série de mesures s’accompagne de mesures de température pour pouvoir faire les corrections thermiques nécessaires.En guise de contrôle, on réalise la mesure de distance sur quelques autres trajets (par exemple entre les points 3 et 4) et l’on vérifi e que la mesure de distance eff ectuée est équivalente à la distance calculée à partir des coordonnées des points, à un résidu près qui doit être relativement petit (quelques dixièmes de millimètres).

6.1.6. InterprétationLes mouvements des points de la structure sont corrélés aux mesures de température afi n de distinguer un éventuel fonctionnement cyclique de l’ouvrage avec les variations de température. En cas de mouvements importants, les déformations mesurées doivent être analysées conjointement avec un bureau d’études.

Soit 2-1

i-2i-12-1i 2.D

²)D - ²D ²(D x

et ²x-²D y ii-1i


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6.2. Suivi de l’écartement des naissances d’une voûte

6.2.1. ObjectifL’objectif est de suivre les variations de distance entre les naissances d’une voûte qui peut être en béton ou en maçonnerie.

6.2.2. Position des pointsEn général, on cherche à suivre les distances entre naissances selon trois profi ls, l’un situé dans l’axe longitudinal de l’ouvrage, et les deux autres à proximité des bords de la voûte sur les bandeaux. Les points sont situés le plus près possible de la naissance (sur un bloc du sommier ou sur le premier bloc de la voûte dans le cas d’un ouvrage en maçonnerie) - voir exemple d’instrumentation donné en annexe 4.

6.2.3. Scellement des pointsLe scellement des repères se fait à au moins 15 cm des bords libres dans le cas d’un ouvrage en béton et au milieu des blocs dans le cas des ouvrages en maçonnerie, en évitant de positionner ces repères sur des fi ssures existantes.

6.2.4. Mise en place de sondes de températureOn positionne au moins une sonde de température à 5 cm de profondeur en intrados de la voûte. Selon les cas, l’instrumentation en température pourra être plus évoluée de manière à déterminer la température moyenne de la voûte et les éventuels gradients de température existant dans son épaisseur.

6.2.5. Mesure de l’écartement des naissancesLe suivi de l’écartement des naissances se fait en relatif, le mouvement d’une culée étant mesuré par rapport au mouvement de l’autre culée. Il permet de déterminer les mouvements des culées dans un axe essentiellement longitudinal.On note :D0,i : écartement entre naissances selon le profi l i lors de la mesure initiale,Dk,i : écartement entre naissances selon le profi l i lors de la mesure k.

La variation de l’écartement entre la mesure k et la mesure initial est alors :Δe k,i = D0,i – Dk,i

Le suivi de distance entre culées peut s’accompagner de mesures de nivellement et de rotation.Chaque série de mesures s’accompagne de mesures de température.

6.2.6. InterprétationLes variations d’écartement des naissances sont corrélées aux mesures de température afi n de distinguer un éventuel fonctionnement cyclique de l’ouvrage avec les variations de température (on observe, en général, un écartement des naissances en été et leur rapprochement en hiver). On peut aussi évaluer les eff ets des fl uctuations des niveaux d’eau dans le cas d’un ouvrage hydraulique sur les variations d’écartement.L’interprétation des résultats se fait conjointement avec un bureau d’études.

32

6.3. Suivi de gonfl ement de structures en béton in situ

6.3.1. ObjectifL’objectif est de suivre les déformations globales d’éléments de structure en béton att eints de réaction de gonfl ement interne telle que l’alcali-réaction ou la réaction sulfatique interne.

6.3.2. Position des pointsLes directions des bases de mesure doivent si possible coïncider avec les directions principales de l’élément instrumenté. Ces directions sont les mêmes que celles des axes des bases d’indice de fi ssuration de manière à corréler les déformations avec l’évolution de la fi ssuration [3]. Dans le cas d’éléments élancés (poutres, fûts de pile, pylônes, etc.), on positionne les repères de manière à suivre les variations de section de l’élément sous l’eff et des réactions de gonfl ement. On veille à suffi samment fractionner les bases de mesure pour pouvoir discriminer, sur une même partie d’ouvrage, des zones suivant l’intensité de leur gonfl ement. D’une manière générale, pour garder une bonne précision, les bases de mesure font au moins 1 m de longueur, la longueur moyenne des bases est de 3 à 5 m de manière à avoir un maillage suffi sant de la structure (voir exemple d’instrumentation donné en annexe 5).

6.3.3. Scellement des pointsLe scellement des repères type D0 se fait sur une quinzaine de centimètres de profondeur. Les déformations suivies sont donc essentiellement les déformations de surface de l’élément instrumenté.Le scellement des repères se fait à au moins 15 cm des bords libres des éléments instrumentés. Il est recommandé d’éviter de positionner ces repères sur des fi ssures existantes et de les implanter au centre des mailles du ferraillage. Dans tous les cas, l’utilisation d’un détecteur d’armatures est recommandée.

6.3.4. Mise en place de sondes de températureDans l’élément instrumenté, on positionne au moins une sonde de température à 5 cm de profondeur, cett e sonde renseigne sur la température de peau de l’élément. Suivant la géométrie de cet élément, l’instrumentation en température pourra être plus évoluée de manière à déterminer sa température moyenne et les éventuels gradients de température existant dans son épaisseur.

6.3.5. Suivi des déformations d’une pièceLors de chaque mesure, on mesure la longueur des bases mises en place ainsi que la température du béton.On note :D0,i : la longueur initiale de la base i,Dk,i : la longueur de la base i au bout de k jours,T0 : la température initiale du béton (température de référence),Tk : la température du béton lors du kème jour,α : coeffi cient de dilatation thermique du béton,La déformation ek,i du béton suivant la base i au bout de k jours est alors :


i0,

i0,ik,ik, D

DD

Cett e déformation intègre le mouvement éventuel des fi ssures existant entre les repères de la base de mesure.


33La déformation thermique du béton lors du kème jour est :

εTh k = α.(Τk-Τ0)

6.3.6 InterprétationOn note :ε T0,k : déformation corrigée en température de la base i par rapport à l’origine,E T0,k : déformation corrigée ramenée à une année.L’interprétation des mesures est eff ectuée sur la base des variations des déformations préalablement corrigées des eff ets thermiques :

ε Τ0,k = εk,i - εTh k

Les variations de déformations corrigées sont ramenées à une année et à une température de référence. Elles seront exprimées en mm/m/an.

Ces variations peuvent être comparées aux données issues d’un suivi d’indice de fi ssuration et éventuellement aux résultats d’essais d’expansion résiduelle.

7. PRÉSENTATION DES RÉSULTATSLe rapport comprend les éléments suivants :

identifi cation de l’ouvrage,date de l’intervention,opérateurs,conditions atmosphériques,température ambiante,« température de l’ouvrage »,schéma d’implantation des bases de distancemétrie,schéma d’implantation des sondes de température,tableau des mesures sur les bases de distancemétrie,tableau des mesures sur les sondes de température (un modèle de tableau de relevé de mesures

fi gure en annexe 2).

Selon le type de problème traité :tableau d’évolution des coordonnées des points avec éventuellement représentation graphique

des déformations de l’ouvrage (voir exemple donné en annexe 3),tableau d’évolution de l’écartement des naissances,tableau d’évolution des déformations de gonfl ement de l’élément instrumenté.

Contacts F. RENAUDIN - 03.87.20.46.29 - [email protected]

CETE de l’Est – Division Ouvrages d’ArtFax : 03.87.20.46.49 B. GODART - 01.40.43.53.32 - [email protected]

LCPC PARIS – Direction Technique Ouvrages d’ArtFax : 01.40.43.65.20 A. BENOIT - 04.72.14.32.69 - [email protected]

LRPC de LyonFax : 04.72.14.33.42

k365kT0,kT0,

34

Ann

exe

1

Photos du distancemètre et de ses accessoires


Figure 14 - Composition de la chaîne de mesure.

Rallonge Fil maitre

Repère scellé Repère scellé

Appareil DO

Fixation par crochet chapeCorps d'ancrage

Figure 15 - Distancemètre.

Figure 16 - Corps d’ancrage.


35Photos du distancemètre et de ses accessoires

Figure 17 - Coffrets de rangement des fi ls et du distancemètre.

Figure 18 - Éléments composant la chaîne de mesure.

Ann

exe

1 (suite

)

36

Ann

exe

2CHAPITRE 3 Suivi dimensionnel d’une structure à l’aide du distancemètre orientable à fi l d’invar D01

Tabl

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34

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38

Ann

exe

4

Exemple d’instrumentation pour le suivi de la distance entre naissances d’une voûte


Repères implantés dans les blocs du sommier

Distance mesurée

OA de la RN 25 sur la rivière à CherreyImplantation de l'instrumentation

La rivièreAval

La rivièreAmont

Rive droite

Rive gauche

1' 2' 3'

1 2 3

Profil 1 - aval Profil 2axe

Profil 3 - amont

4,35 m

0,50 m 0,50 m

Figure 19


39

Ann

exe

5

Exemple d’instrumentation d’un mur présentant des symptômes de gonfl ement interne

Légendebase d'indice de fissuration bases de distancemètre

sonde de température

Indice de fissuration : 1 base dans la zone la plus atteinte- deux axes verticaux notés V1 et V2 de la gauche ves la droite- un axe horizontal noté H- un axe diagnonal noté D

Bases de distancemétrie à fil invar : 6 repères implantés formant 7 bases de mesure-2 bases verticales notées Dv1 et Dv2 de gauche à droite - 3 bases horizontales Dh1 à Dh3 de la gauche vers la droite- 2 bases "diagonales" notées Dd1 et Dd2

Composition des basesDv1 H+A Longueur en m 1199,47Dv2 2+H Longueur en m 3000,20Dh1 4+A+B Longueur en m 4450,97Dh2 H+A Longueur en m 1199,47Dh3 H+F Longueur en m 1599,66Dd1 4+D+A Longueur en m 4553,58Dd2 4+G+A Longueur en m 5000,83Température / hygrométrie : Uniquement mise en place d'une sonde thermocouple (profondeur 3 cm)

Description de l'instrumentation

Instrumentation de l'ouvrage

Dh1

Dd1

Dh2 Dh3

Dv2

Dv1

Dd2


41

Méthode 4Le suivi dimensionnel de structure par distancemétrie infrarouge

1. OBJET ET DOMAINE D’APPLICATIONLa méthode de distancemétrie infrarouge décrite ci-après constitue l’une des applications topométriques basées sur les techniques électro-optiques. Elle a pour objet de relever avec une grande précision la longueur d’éléments de structure de moyenne ou de grande dimension (de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres). Des relevés successifs étalés dans le temps permett ent ensuite de déceler et de quantifi er les déformations linéaires des éléments instrumentés. Cett e technique est en particulier intéressante dans le cadre de l’expertise des ouvrages en béton att eints de réactions de gonfl ement interne (RGI) telles que l’alcali-réaction ou la réaction sulfatique [1] mais peut également être appliquée à tous types de structure dont on souhaite mesurer une déformation globale sous d’autres eff ets : retrait du béton, fl uage, etc.À la diff érence de la méthode de mesure par distancemètrie à fi l invar, la distancemétrie infrarouge présente l’intérêt de s’aff ranchir de certaines contraintes d’accès à l’ouvrage notamment dans la zone située entre les repères (passage de voies circulées, caténaires, etc.) et d’être applicable sur des longueurs importantes pouvant dépasser la centaine de mètres. Elle peut être complémentaire des méthodes habituelles de relevés d’ouvertures de fi ssures [2] ou de mesures de déformation sur petite base par extensométrie.Enfi n, associé à un théodolite de base, le distancemétre infrarouge trouve également son utilité en levés de points classiques pour des applications de mesure de convergence/divergence, de profi lométrie sur paroi, de vérifi cation de stabilité de mur, etc.

2. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES[1] LCPC - Aide à la gestion des ouvrages att eints de réactions de gonfl ement interne, Guide technique, 66 p., Novembre 2003.[2] LCPC - Détermination de l’indice de fi ssuration d’un parement de béton, Méthode d’essai LPC n° 47.[3] Norme ISO 17123-4, Optique et instruments d’optique, Méthodes d’essai sur site des instruments géodésiques et d’observation, Partie 4 : Télémètres électro-optiques (instruments MED).

3. PRINCIPELa distancemétrie infrarouge s’appuie sur la mesure du temps de propagation aller et retour d’une impulsion laser de lumière infrarouge entre un ensemble émett eur/récepteur fi xé à une extrémité de la base de mesure, et un miroir réfl ecteur catadioptrique fi xé à l’autre extrémité de la base de mesure, les deux extrémités de la base de mesure étant implantées sur l’ouvrage.

42

4. MATÉRIELS ET FOURNITURESLes matériels constituant la chaîne de mesures sont les suivants :

Matériels de basedistancemètre infrarouge (par exemple : WILD Di2000) de caractéristiques minimales suivantes :

résolution : 0,1 mm, précision : ± 1 mm + 1 ppm (écart-type) (annexe 1, Fig. 21) ;support goniométrique du distancemètre orientable et réglable et son embase ;réfl ecteurs catadioptriques mono prisme (par exemple ; WILD GPH1) (annexe 1, Fig. 22 et 23) ;lunett e de grossissement 8X avec réticule et renvoi d’angle pour visée du réfl ecteur ou émett eur

laser rouge pour matérialisation du faisceau infrarouge ;thermomètre aérien de résolution minimale 0,1 °C ;baromètre de résolution minimale 1 hPa ;hygromètre de résolution minimale 1 % ;

Consommablessondes thermo-hygrométriques internes de résolution minimale 0,1 °C et 1 % HR ;plaques support de distancemètre adaptées au modèle utilisé (annexe 1, Fig. 24) ;douilles topométriques de supports de réfl ecteur (annexe 1, Fig. 25) ;colle époxydique rapide ;visserie.

5. MODE OPÉRATOIRE

5.1. Implantation des bases et pose des supports des dispositifs de mesureUne base de mesure distancemétrique est constituée d’un couple de supports pour l’émett eur /récepteur et pour le réfl ecteur. Plusieurs bases peuvent partager un même support.La localisation des bases est à déterminer en fonction :

de leur représentativité par rapport à l’ensemble des désordres aff ectant la partie de structure considérée ;

du besoin de prendre en compte ou non les dimensions globales de l’élément (hauteur, largeur, longueur, etc.) ;

du mode de sollicitation de la partie d’ouvrage étudiée (traction, compression, cisaillement, etc.) ;

des désordres principaux (fi ssures, fractures, désaffl eurements, etc.) ; des possibilités d’accès et de la nécessité d’assurer la conservation des repères en les préservant

des agressions de l’environnement et du vandalisme ; de la géométrie en place de la paroi par rapport aux possibilités de réglage des supports.

La plaque de base qui supporte l’émett eur/récepteur (noté E) est constituée d’une platine usinée en acier protégée de la corrosion (cadmiage) ou en acier inoxydable. Cett e platine adaptée au modèle du distancemètre utilisé, présente un système de positionnement par butées et queue d’aronde ainsi que des vis calantes pour le réglage fi n en plan. La platine comporte également un fi letage permett ant la fi xation d’un réfl ecteur. La fi xation de la platine sur le parement est assurée par deux vis inox et des chevilles.Le support du réfl ecteur (noté R) est constitué d’une douille topométrique à vis standard en bronze. Celle-ci est scellée dans la paroi de béton à l’aide d’une colle époxydique rapide. Sur la plaque de base, lors des mesures, vient se positionner une tourelle goniométrique supportant le distancemètre. Cett e tourelle permet une rotation sur 360° et est ajustable en profondeur sur plus ou moins 10 mm. Sur la douille topométrique est vissé un tenon sur lequel est clipsé le réfl ecteur optique.

CHAPITRE 4 Le suivi dimensionnel de structure par distancemétrie infrarouge


43

5.2. Implantation des sondes thermo-hygrométriques internesPour s’aff ranchir au mieux de fl uctuations saisonnières, la dilatation du béton lors des mesures est intégrée dans le calcul. Il convient donc pour cela de connaître la température réelle du béton au cœur des éléments étudiés. L’humidité du béton étant un facteur connexe infl uençant le développement des réactions de gonfl ement interne susceptibles de concerner l’ouvrage étudié, sa mesure peut être utilement associée à celle de la température au moyen d’un capteur électronique mixte implanté en profondeur.Un exemple de dispositif est présenté sur la fi gure 26 (annexe 1). L’implantation de plusieurs sondes en divers emplacements et sur d’autres profondeurs est également souhaitable.

5.3. Réglages du dispositifAprès durcissement des scellements, les matériels sont installés sur leurs supports et mis en service. Puis il est procédé aux réglages fi ns de la réception du faisceau infrarouge du distancemètre vers le ou les réfl ecteurs, par l’intermédiaire des trois vis calantes défi nissant ainsi le plan de l’émission et ce jusqu’à l’obtention d’un signal de réception d’un niveau suffi sant. En cas de diffi cultés d’alignement, pour des distances importantes par exemple, on peut ajouter une lunett e d’approche avec renvoi d’angle, ou mieux équiper le distancemètre d’une diode émett rice laser visible de guidage.

5.4. MesuresPour chaque base, après réglage et obtention du niveau du signal requis l’acquisition des données est lancée selon le mode choisi par le mesureur. La cohérence de la série de mesure est vérifi ée et l’on passe au réfl ecteur suivant en pivotant le distancemètre. Simultanément, à intervalles de temps réguliers, on procède à l’acquisition des caractéristiques de l’atmosphère au voisinage de la zone de mesure (température, hygrométrie, pression atmosphérique) et au cœur du béton (température, hygrométrie). Une correction des mesures eff ectuées est nécessaire en raison de l’incidence sur celles-ci, des paramètres suivants :

matériel : une constante selon le type de réfl ecteur utilisé. Elle est égale à 0 pour les mono prismes circulaires habituellement utilisés en distances inférieures à 100 m ;

atmosphère : un facteur d’échelle (en ppm) proportionnel à la distance est appliqué pour prendre en compte les caractéristiques optiques de l’atmosphère qui dépendent de la pression atmosphérique, de la température et de l’humidité). Cett e correction est donnée dans la notice du matériel.

Un exemple de feuille de saisie des mesures est présenté en annexe 2.

6. INCERTITUDELes valeurs d’incertitude associées aux mesures dépendent des performances de la chaîne utilisée mais sont normalement inférieures à 0,5 mm.Une vérifi cation régulière de la chaîne est à opérer conformément aux recommandations de la norme internationale ISO 17123-4 [3].La chaîne de mesure de distancemétrie ne nécessite aucune maintenance particulière hormis le maintien des surfaces optiques en bon état de propreté. Les supports des bases, implantés à demeure et bien que pourvus d’une protection contre l’oxydation, doivent être mis à l’abri des projections d’eau, de la pollution et du vandalisme.

7. EXPLOITATION DES MESURESSeule la température relevée au cœur du béton concernée par les mesures est prise en compte pour corriger les mesures. Elle intervient dans la correction des longueurs enregistrées en appliquant la valeur standard du coeffi cient de dilatation du béton soit 1,0 . 10-5 . m-1 . °C-1.

44Les mesures de longueur ainsi corrigées peuvent être transcrites en variations rapportées à la distance initiale, soit en valeurs absolues (en mm ou en μm) soit en valeurs relatives (en mm/m, μm/m ou 10-6). Les variations annuelles peuvent également être calculées.

Lorsque la confi guration des lieux le permet, une procédure de mesure par triangulation est possible : après avoir installé le distancemètre sur un théodolite monté sur pied, le distancemètre est déporté de la base de mesure dont les deux extrémités sont équipées de réfl ecteurs. Le distancemètre est placé au plus près de l’axe passant par les deux réfl ecteurs de sorte que leurs visées se fassent avec un écart angulaire le plus faible possible afi n de minimiser l’incidence des erreurs sur les angles dont les relevés sont moins précis que les distances. La distance entre les repères est alors donnée par la diff érence des deux distances « distancemètre – réfl ecteurs » en appliquant la correction des angles verticaux et horizontaux de visée données par le théodolite. La distance D entre deux réfl ecteurs est alors donnée par l’expression:

D = (d12 + d22 – 2 d1 d2 (cosH.cosV1.cosV2 + sinV1.sinV2)) 1/2

Avec : d1, d2 = distances obliques (théodolite – réfl ecteurs 1 et 2) H = angle de la projection sur le plan horizontal (réfl ecteur 1 - théodolite - réfl ecteur 2) V1, V2 = angles verticaux (réfl ecteurs 1 et 2 - théodolite – plan horizontal)Cett e procédure est à appliquer notamment dans les cas où il est impossible d’obtenir un alignement en plan satisfaisant des supports d’émett eur et réfl ecteur.

8. EXEMPLE D’UTILISATION DE LA MÉTHODEUne application privilégiée de la distancemétrie est le suivi des structures att eintes de réactions de gonfl ement interne (RGI). Lorsque l’existence de tels phénomènes est décelée ou soupçonnée, il est indispensable de connaître la vitesse avec laquelle les gonfl ements se manifestent sur l’ouvrage pour aider au choix des suites à donner. Lorsqu’un ouvrage touché par ces réactions est traité, par exemple par application d’un traitement d’imperméabilisation de surface, il est nécessaire d’évaluer l’effi cacité de la réparation dans le temps. Une telle démarche est illustrée par le cas réel suivant :

Le tablier en béton armé d’un ouvrage autoroutier (annexe 3, Fig. 27) construit en 1976, a présenté, une dizaine d’années après sa construction, des symptômes de développement de réactions de gonfl ement interne (fi ssuration évolutive multidirectionnelle et généralisée (annexe 3, Fig. 28) sans explication d’ordre mécanique). Les expertises confi rment la présence d’une alcali-réaction intense couplée à une réaction sulfatique interne. Alors que deux autres ouvrages de la même série de construction, nett ement plus dégradés doivent être détruits, le gestionnaire tente la réparation du tablier de l’ouvrage par colmatage des fi ssures, réfection de l’étanchéité de l’extrados et ajout d’un enduit mince d’imperméabilisation en intrados de type liant hydraulique modifi é (annexe 3, fi g. 29). À la suite de ce traitement, un programme de suivi de caractéristiques mécaniques et géométriques de l’ouvrage est engagé. Celui-ci comprend, à intervalles de temps réguliers, des épreuves de chargement et des mesures dimensionnelles globales au distancemètre infrarouge. Les résultats de cett e campagne de distancemétrie sont présentés ci-après. La fi gure 20 ci-après montre la disposition des cinq bases de mesure implantées sur le tablier de l’ouvrage. Sur les cinq bases, toutes implantées en intrados, trois sont longitudinales, deux sous les encorbellements et une en axe des deux travées centrales. Deux bases transversales sont implantées à proximité de chaque extrémité du tablier. Un suivi de ces bases a été mené pendant quatre ans à raison de deux mesures par an. Le résultat de l’ensemble des mesures corrigées thermiquement est représenté sous forme de graphiques à la fi gure 30 de l’annexe 3 et synthétisé dans le tableau I.En résumé on observe une infi me tendance à un allongement des bases longitudinales et à un très faible raccourcissement des bases transversales. Ces déformations sont minimes et hors de proportion avec celles que peuvent engendrer les RGI (plusieurs mm/m/an). On peut donc penser que les réactions de gonfl ement sont maintenant arrêtées, soit naturellement par épuisement des réactifs en jeux, soit par l’action positive des réparations eff ectuées, soit par la conjonction de ces deux éléments. Un suivi à plus long terme serait évidemment souhaitable pour confi rmer ces conclusions.



45

Tableau I - Variations dimensionnelles enregistrées sur le tablier d’un ouvrage autoroutier durant 4 ans

Base Implantation des basesLongueur

initiale (m)

Allongementmoyen annuel

(μm/m)E1-R1E2-R2E3-R3E4-R4E5-R5

Longitudinale en encorbellement de dalle ouestLongitudinale en encorbellement de dalle estTransversale en extrémité coté sudTransversale en extrémité coté nordLongitudinale en axe de dalle entre pile P1 et P3

67 m67 m7 m7 m

44 m

0,90,1

-12,4-18,32,3

On peut aussi observer, lors de ces mesures que des fl uctuations saisonnières subsistent en dépit de corrections de température appliquées. Ceci met en évidence la nécessité de n’interpréter formellement une campagne de distancemétrie qu’à l’issue d’un nombre suffi sant de mesures (cinq au minimum) étalées sur une durée suffi sante (deux ans au minimum).


LRPC de Lille – Groupe Bétons Ouvrages d’ArtFax : 03.20 50 55 09


Fig. 20 - Implantation des bases de mesures distancemétriques sur l’ouvrage.

46

Ann

exe

1CHAPITRE 4 Le suivi dimensionnel de structure par distancemétrie infrarouge

Figure 21 - Distancemètre électro-optique infrarouge à poste sur un mur (l’appareil est monté sur un support goniométrique fi xé sur une embase, elle-même fi xée sur une plaque de base).

Figure 22 - Réfl ecteur catadioptrique mono prisme fi xé sur un intrados de tablier.

Figure 23 - Réfl ecteur catadioptrique mono prisme monté sur une plaque support de distancemètre.



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1 (suite

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Figure 24 - Plaque support de distancemètre.

Figure 25 - Douille topométrique (à gauche) et support de réfl ecteur (à droite)

Figure 26 - Exemple de sonde thermo hydrométrique interne au béton.

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Exemple d’application de la méthode

Figure 27 - Ouvrage autoroutier suivi par distancemétrie.

Figure 28 - Aspect de l’extados du tabler après dépose de la chape.

Figure 29 - Traitement d’imperméabilisation de l’intrados du tablier de l’ouvrage.

50

Figure 30 - Variations mesurées après correction thermique des distances sur le tablier d’un ouvrage autoroutier durant 4 ans.

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)CHAPITRE 4 Le suivi dimensionnel de structure par distancemétrie infrarouge

base transversale E4-R4 (7m)

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Méthode 5Le suivi dimensionnel de structure par planimétrie laser

1. OBJET - DOMAINE D’APPLICATIONLa méthode a pour objet de relever les caractéristiques géométriques d’une partie d’ouvrage sensiblement plane de grandes dimensions telles que l’horizontalité, la verticalité, la planéité, le déversement, le bombement, etc. De telles mesures trouvent leur utilité dans l’expertise de structures présentant ou susceptibles de présenter des déplacements où des déformations anormales par suite de sollicitations externes (surcharges, tassements, ruptures d’armatures, poussée des terres, etc.) ou internes (fi ssuration, gonfl ement par alcali-réaction, réactions sulfatiques, etc.).Cett e méthode s’applique plus particulièrement aux murs de soutènement (notamment ceux en terre renforcée par des armatures), aux murs de culées (murs de front, murs en aile ou en retour), mais également aux intrados de tabliers de pont.

2. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES[1] LCPC, Aide à la gestion des ouvrages att eints de réactions de gonfl ement interne, Guide technique, 66 p., novembre 2003.[2] Guide technique, Ouvrages de soutènement, Recommandations pour l’inspection détaillée, le suivi et le diagnostic des ouvrages de soutènement en remblai renforcé par des éléments métalliques, LCPC, 102 p., juillet 2003.

3. PRINCIPEUn plan horizontal ou vertical est généré par le balayage rotatif d’un rayon laser parallèlement au parement à étudier. L’écart entre ce plan et un maillage de points implantés sur le parement à étudier ainsi que quelques points fi xes de référence est relevé au moyen d’une mire à récepteur laser. La géométrie réelle de la paroi est alors reconstituée et positionnée par rapport au référentiel défi ni par le rayon laser.

4. MATÉRIEL ET FOURNITURESLes matériels constituant la chaîne de mesures sont les suivants :Matériels de base :

Laser plan rotatif automatique avec trépied spécifi que lourd, précision minimale 0,5 mm à 10 m (Fig. 31, Annexe 1) ;

52Une mire avec récepteur de faisceau laser de précision minimale 1 mm (Fig. 32 et 33, Annexe 1).

Petits matériels et consommables :Repères de nivellement (clous d’arpentage) ;Cordeau à tracer ;Décamètre à ruban ;Thermomètre aérien de résolution minimale 0,1 °C ;Marqueurs etc.

5. MODE OPÉRATOIRE

5.1 Implantation des bases et pose des supports des dispositifs de mesure.Le nombre et la position des points implantés est variable et dépend de l’importance et de la géométrie de la structure étudiée, de l’orientation des déformations actuelles et de leur évolution att endue, de la précision des résultats souhaitée mais aussi du problème posé (expertise sommaire ou approfondie, durée du suivi, nature et causes de désordres, etc.).Les points peuvent ainsi être implantés sur tous les noeuds d’un corroyage de 2 × 2 m, 1 × 3 m (Fig. 34, Annexe 1), ou sur un axe défi ni, ou encore en des emplacements particuliers (angles, lèvres de fi ssures, bordure d’écaille de mur en terre armée, etc.).Dans le cas d’expertise d’un mur de soutènement en remblai renforcé par des éléments métalliques, structure pour laquelle cett e méthode est bien adaptée, les repères peuvent par exemple être implantés sur un axe vertical centré sur un empilement d’écailles tous les n modules comme présenté sur l’un des exemples cités ci-après (Fig. 39, Annexe 2).Les possibilités d’accès et les moyens disponibles sont également à prendre en considération dans l’implantation des bases de mesure.Il convient également de prévoir l’implantation, dans le champ de mesure, de 2 ou 3 points fi xes situés de préférence hors d’une zone de déplacement (base du mur, semelle, piédroit connexe, renfort, appui, etc.) afi n de défi nir les plans de référence. Un plan de référence vertical doit passer par deux points fi xes écartés mais situés à un même niveau (Fig. 35-1 et 35-2, Annexe 1) : points R1 et R2) ; ce plan vertical n’est donc pas nécessairement parallèle au plan laser. Un plan de référence horizontal n’est défi ni que par un seul point fi xe (Fig. 35-3, Annexe 2) : point R). Chaque point de mesure est repéré et est matérialisé durablement par le scellement d’un clou topographique sur le parement. Dans le cas où il n’est pas prévu de suivi ultérieur, un simple traçage d’une croix au marqueur suffi t.

5.2 Mesures L’émett eur est posé sur un trépied ou sur un support fi xé au parement ou encore directement sur le sol si celui-ci est stabilisé (Fig. 36, Annexe 1). Son implantation se situe en général au milieu du parement à étudier. Le plan laser est positionné à une distance du parement et des points de référence compatible avec la planéité du parement et avec la course du récepteur laser. Si plusieurs mises en station sont nécessaires, par exemple dans la cas d’un parement vertical courbe, chaque nouvelle station aura au moins un point de référence en commun avec la précédente afi n d’assurer une continuité des mesures. L’ordre de relevé dépend des moyens d’accès utilisés, et il est important qu’il soit méthodique afi n d’éviter les erreurs d’identifi cation. Le récepteur laser est positionné sur le point de mesure perpendiculairement au plan laser. Chaque valeur d’écart parement/plan relevée est notée ou mémorisée dans l’appareil.

CHAPITRE 5 Le suivi dimensionnel de structure par planimétrie laser


53

6. INCERTITUDELes valeurs d’incertitudes associées aux mesures dépendent des performances de la chaîne utilisée et sont normalement comprises entre +1 mm et +3 mm selon la distance émett eur-récepteur.Comme tout instrument de mesure, la chaîne de mesure est à étalonner et à vérifi er régulièrement. L’étalonnage est du ressort d’un spécialiste mais la vérifi cation peut être menée directement par l’utilisateur. Un exemple de procédure simple de vérifi cation qui peut être adopté est décrit ci-après :

placer deux repères fi xes au sol à des niveaux légèrement diff érents dans un lieu abrité ; eff ectuer dix séries de relevés de niveau de ces repères en plaçant l’émett eur laser en mode

plan horizontal à chaque fois dans une position diff érente, à une distance de 10 à 20 m des deux repères ;

calculer les dix valeurs de diff érences de niveau entre les deux repères et l’écart type correspondant. Celui-ci doit alors être inférieur ou proche de l’incertitude théorique donnée par le constructeur (en général + 1 mm à + 3 mm selon la distance émett eur-récepteur), et voisin aussi de la dispersion mesurée lors d’une vérifi cation antérieure.

La vérifi cation en mode plan vertical est basée sur le même principe mais un troisième point doit être ajouté. Sur un mur vertical deux points sont placés sur une même ligne horizontale, ils défi nissent le plan vertical de référence. Les écarts du troisième point avec ce plan sont alors relevés à dix reprises en déplaçant à chaque fois l’émett eur.

7. EXPLOITATION DES MESURESLes données collectées sont ensuite traitées sur un tableur de manière à restituer les résultats sous forme de tableaux et de courbes de profi ls verticaux ou horizontaux. Les données brutes qui correspondent, pour chaque point, à l’écart entre le parement et le plan laser sont transformées en écarts entre le parement et le plan de référence. La température de l’air relevée lors des mesures n’a pas d’infl uence signifi cative sur les mesures pour autant que celle-ci se situe dans une plage normale (de 10 à 25 °C). Au-delà, une correction des mesures peut se révéler nécessaire selon le coeffi cient de dilatation de la mire utilisée.

8. EXEMPLES D’UTILISATION DE LA MÉTHODEDeux exemples sont exposés ci-après :

Le premier concerne un mur en remblai renforcé par des armatures métalliques (ouvrage A). Ces ouvrages sont des structures assez souples et déformables, mais des mouvements trop importants peuvent être le signe précurseur de désordres beaucoup plus graves pouvant mett re en cause la stabilité de l’ouvrage (Fig. 37, Annexe 1). Un suivi géométrique dans le temps de ces ouvrages est donc fréquemment réalisé, celui-ci peut effi cacement s’appuyer sur la planimétrie laser.

L’ouvrage A construit en 1983 a présenté progressivement des mouvements horizontaux importants et quelques ruptures d’écailles (Fig. 38, Annexe 2). Il a été mis sous suivi géométrique annuel à partir de 1991. Les relevés planimétriques initiaux et fi naux (Fig. 39, Annexe 2) présentés sous forme de profi ls verticaux (1991 : courbes bleue, 2001 : courbes rouges) ont cependant montré que, sur cett e période de 10 années, l’évolution était faible ce qui indiquait que les déformations étaient maintenant stabilisées.

Le deuxième exemple porte sur un passage supérieur autoroutier (ouvrage B) att eint de réaction de gonfl ement interne (Fig. 40, Annexe 2). L’un des murs de culée de cet ouvrage construit en 1970 présente un réseau particulièrement dense de fi ssures multidirectionnelles (Fig. 41, Annexe 2) et des déformations suspectes. Un suivi de la fi ssuration a été eff ectué à partir de 1989 et a été complété par des mesures de la stabilité verticale du mur eff ectuées par planimétrie en 1991, 1994 et 1997 (Fig. 42, Annexe 2). Une absence d’évolution des deux profi ls verticaux est fi nalement constatée durant les six années de mesure (Fig. 43, Annexe 2). Cett e information sur le comportement réel de l’ouvrage,

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CHAPITRE 5 Le suivi dimensionnel de structure par planimétrie laser

qui est essentielle pour le gestionnaire au plan de la sécurité, s’est également avérée très utile pour l’organisation ultérieure de la maintenance.


LRPC de Lille – Groupe Bétons Ouvrages d’ArtFax : 03.20 50 55 09



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Figure 32 - Mire récepteur de faisceau laser (modèle CILAS).

Figure 33 - Récepteur de faisceau laser monté sur mire (modèle NEDO).

Photos et fi gures du distancemètre et de ses accessoires

Figure 31 - Émetteur laser en position plan vertical (modèle SPECTRA PHYSICS).

Figure 34 - Relevés par planimétrie et nivellement laser.

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1 (suite

)CHAPITRE 5 Le suivi dimensionnel de structure par planimétrie laser

Figure 35 - Relevés par planimétrie et nivellement laser.

Photos et fi gures du distancemètre et de ses accessoires


57Photos et fi gures du distancemètre et de ses accessoires

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Figure 36 - Planimétrie sur mur en remblai renforcé par des éléments métalliques.

Figure 37 - Effondrement d’un mur en remblai renforcé par des éléments métalliques.

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2CHAPITRE 5 Le suivi dimensionnel de structure par planimétrie laser

Exemples d’utilisation de la planimétrie

Figure 38 - Ouvrage A - Un des murs en remblai renforcé par des armatures métalliques suivi par planimétrie.

Figure 39 - Ouvrage A - Exemples de profi ls de déformation suivis pendant 10 ans.


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Figure 41 - Ouvrage B - Détail de la fi ssura-tion au voisinage du profi l P1.

Figure 40 - Ouvrage B - Mur de culée atteint de réaction de gon-fl ement interne suivi par planimétrie - Position des profi ls de mesure P1 et P2.

Figure 42 - Ouvrage B - Mesure planimétri-que en cours sur le profi l P2.

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2 (suite

)CHAPITRE 5 Le suivi dimensionnel de structure par planimétrie laser

Figure 43 - Ouvrage B - évolution sur six années (1991 à 1997) des deux profi ls P1 et P2.


Document publié par le LCPC sous le numéro C1502549 Conception et réalisation LCPC-DISTC, Marie-Christine Pautré Infographie LCPC-DISTC, Philippe Caquelard Impression Jouve N° Dépôt légal 4e trimestre 2009

ISSN 1151-1516

Réf : SUIVIDIMPrix : 35 Euros HT

techniques et méthodesdes laboratoires des ponts et chaussées

Guide technique

Méthodes de suivi dimensionnelet de suivi de la fissuration

des structures

Avec application aux structures atteintes de réaction de gonflement interne du béton

Le présent guide technique est un recueil de cinq méthodes de mesures utilisées pour effectuer lesuivi des déformations locales ou globales des structures, le suivi de leur déformée ou de leurfissuration : la mesure de l'ouverture de fissures par macrophotographie numérique, la mesure dedéformation à l'aide de l'extensomètre type LCPC de base 400 mm, le suivi dimensionnel à l'aide dudistancemètre orientable à fil d'invar, le suivi dimensionnel par distancemétrie infrarouge et le suividimensionnel par planimétrie laser.Ces méthodes présentent un grand intérêt pour le diagnostic et la surveillance métrologique desouvrages et de façon plus générale pour le contrôle de santé des ouvrages. Elles ont un vastechamp possible d'applications dans le domaine des ouvrages d'art (ponts, tunnels, ouvrages desoutènement des terres) et plus largement dans le domaine des structures de génie civil et desgrands bâtiments. Elles sont particulièrement utilisées pour le suivi des structures en béton atteintesde réaction de gonflement interne, en accord avec la méthodologie de gestion décrite dans le guidetechnique d'aide à la gestion des ouvrages atteints de réaction de gonflement interne du béton publiépar le LCPC en 2003.

This technical guide is a collection of five methods of measurement used to monitor local or globalstrains in structures, as well as their deformation or cracking: the measure of the crack width bydigital macrophotography, the measurement of local deformations using the LCPC extensometer ofbase 400 mm, the monitoring of global deformation using an invar wire-distancemeter, the monitoringof global deformation by infrared distancemeter and the dimensional monitoring by laser planimetry.These methods are of great interest for diagnosis and metrological monitoring of structures and moregenerally for their health monitoring. They have a wide range of possible applications in the field oftransportation structures (bridges, tunnels, earth retaining structures) and more widely in the field ofcivil engineering structures and major buildings. They are particularly used for monitoring concretestructures affected by internal swelling reaction, in agreement with the management methodologydescribed in the technical guide for aiding to management of structures affected by internal swellingreaction of concrete published by the LCPC in 2003.

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Documents

par le LCPC en 2003. Méthodes de suivi dimensionnel et de