Transcript Chaussée instrumentée : essai de fibres optiques - JTR 2013

Chaussée instrumentée : essai de fibres optiques sur
le manège de fatigue
Pierre Hornych, Juliette Blanc, Xavier Chapeleau, IFSTTAR
Jean-Luc Gautier, Colas
Journées Techniques Routes 2013
Nantes – 6 & 7 février 2013
Chaussée instrumentée : essai de fibres optiques sur la manège de fatigue
Introduction
Les fibres optiques sont de plus en plus utilisées comme capteurs, pour la mesure
des déformations, des températures, des pressions, dans le domaine des structures
et des matériaux.
Intérêt de ces capteurs : possibilité de mesures sur toute la longueur de la fibre
(pour certains types), faible encombrement, coût intéressant, durabilité, capteurs
passifs.
Présentation de 2 essais réalisés sur le manège de fatigue, pour tester
différents systèmes de mesure à fibres optiques dans les chaussées :
• Essai en collaboration avec l’Université Laval (Thèse de D.Grellet). Test de
capteurs à fibres optiques de type interférométrique.
• Essai en collaboration avec Colas – test de fibres optiques à réseaux de Bragg, et
fibres continues
P Hornych, J.L. Gautier – JTR 2013
2
Les différentes technologies de capteurs à
fibres optiques
Capteurs de type interféromètre Fabry-Perrot :
Principe :
• Mesures par
interférométrie
• 1 seul capteur par
fibre optique
• Très faible encombrement
• Grande précision
Les différentes technologies de capteurs à
fibres optiques
Les réseaux de Bragg
Prinicipe : Réseaux d’indice de
réfraction variable sur la fibre,
conduisant à la réflexion de lumière
dont la longueur d’onde dépend du
pas du réseau
• Capteurs locaux de déformation
• Plusieurs réseaux de Bragg peuvent
être répartis sur une même fibre
• Fréquence d’acquisition : jusqu’à
plusieurs kHz  mesure dynamique
Fibre optique continue
Basée sur le principe de diffusion de
Rayleigh :
• Mesure continue de déformation sur
toute la fibre
• Sur une distance allant jusqu’à 70 m
ou 2km (selon la résolution)
• Durée d’acquisition : 1 à 10
secondes pour une mesure 
mesure statique
Capteurs à fibres optiques développés à
l’université Laval (interféromètre Fabry-Perrot)
 Carotte instrumentée:
La carotte est prélevée sur place,
instrumentée puis scellée sur site à la résine
2 jauges en partie supérieure
2 jauges en partie inférieure
 Plaque instrumentée:
Épaisseur 5 mm
6 à 8 jauges horizontales en partie supérieure
et en partie inférieure
6 à 8 jauges verticales
Mise en place dans un trait
de scie, scellée à la résine
Capteurs à fibres optiques développés à
l’université Laval (interféromètre Fabry-Perrot)
Vue des carottes et
plaques instrumentées
Plaque extraite de la
chaussée en fin d’expérience
Exemple de mesures
Déformations longitudinales et transversales au passage d’un tridem
300
eps L
eps T
5
0
-5
-10
3,2
10
microstrain
t (s)
contraction
3,4
3,6
3,8
4
4,2
Chaussée
-20
-30
contraction
3,6
3,8
4
4,2
4,4
 interface ~22°C
4,6
contraction
t (s)
0
-100
GB
0
eps L
epsT no signal
t (s)
eps L
eps T
100
BB
extension
-10
extension
200
microstrain
extension
GNT
3,1
3,3
3,5
3,7
3,9
4,1
Très différent hyp. usuellement admise
100 extension
0
-100
-200
eps L
eps T
-300
-400
contraction
t(s)
-500
microstrain
microstrain
10
3,6
3,8
4
4,2
4,4
 Interface ~ 42°C
4,6
Essai manège en collaboration avec COLAS
Plan d’instrumentation des chaussées
R = 19m
Structure de chaussée : 8 cm BB – 30 cm GNT
0.7m
1.6 m
bande de
roulement
21 cm
21 cm
0.7m
7m
0.5m
5m
0.5m 1 m
0.5 m
8m
0.5 m
7m
30.0 m
FO réseau Bragg et T°
FO continue
Jauge d’extensométrie
Les fibres optiques à réseaux de Bragg
Mise en place des fibres optiques continues
sur le manège
Mise en place des Fibres à réseaux de
Bragg SensoLux
Fibres optiques à réseaux de Bragg : exemple
de mesures
BBSG mesures du 11 septembre 2012 21°C
120
Exemple de mesure dans un
BBSG sous le passage d’un
demi-essieu chargé à 65 kN
 Même signal que les jauges
d’extensométrie
(résolution 5 mdef environ)
Déformation (mdef)
100
80
S_3_b_1
S_3_b_2
S_3_a_1
S_4_a_2
60
40
20
0
Déformation longitudinale
-60
BBSG, 21°C
-40
-20
0
20
Position (cm)
40
60
60
Déformation (mdef)
40
20
0
1.4
1.5
1.6
1.7
-20
-40
-60
Temps (s)
1.8
1.9
Bassin des maximums de
déformations longitudinales pour 4
jauges à réseaux de Bragg dans le
BBSG sous charge de 65 KN
Même forme que les jauges
d’extensométrie
 bonne répétabilité
80
Mesure du signal Rayleigh (fibre continue) :
exemple de mesure sous chargement
Principe :
• Une mesure de référence
« sans chargement »
• Une mesure avec
chargement statique (demiessieu manège chargé à
6.5 tonnes)
• Calcul de la différence
entre les deux mesures
Enrobé viscoélastique
 Réponse fonction du
temps de chargement
Exemple de mesure à la base d’un EME
Déformation longitudinale
Pic de
déformation
Mesure du signal Rayleigh : exemple de mesure
sans charge à différents nombres de cycles
Principe :
Déformation longitudinale – base BBSG
• Une mesure de référence Par rapport à la référence à 150000 chargements
« sans chargement » à N1
cycles
• Une mesure « sans
chargement » à N2 cycles
• Calcul de la différence
entre les deux mesures
• Donne une déformation
cumulée entre les 2 états
 indicateur possible de
S
T
C
P
l’endommagement de la
structure ?
Apparition de « défauts »
Orniérage ? Fissuration ?
Conclusion
Les essais réalisés montrent l’intérêt des techniques de mesure de
déformations par fibres optiques dans les chaussées.
Bonne résistance des fibres aux conditions de mise en œuvre
(température, compactage)
• Interféromètres Fabri-Perrot : Mesures de déformation locales à
différents niveaux – détermination précise des champs de
déformation dans les 3 directions – coût assez élevé.
• Fibres à réseaux de Bragg : utilisation et coût similaire aux jauges
classiques utilisées sur manège. Grande durabilité.
• Fibres continues : mesure répartie sur toute la longueur de la fibre,
mais uniquement en statique. Faible coût de la fibre . Indicateur
possible d’endommagement ?
Application prévue sur une section de chaussée en 2013.
Evénement: 17/18 Octobre 2013
http://35ans-manege.ifsttar.fr
1978 – 2013
Un parcours d’expériences inédites
Intentions de communication (100 mots max)
à soumettre avant le 15 avril 2013 à : [email protected]
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