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Thermographie infrarouge active par induction électromagnétique. : application à l'auscultation d'éléments en béton renforcé, Induction infrared thermography applied for accessing reinforced concrete structures

De
223 pages
Sous la direction de Didier Defer
Thèse soutenue le 29 juin 2010: Artois
Les enjeux économiques et sécuritaires majeurs portant sur l'évaluation de la pérennité des systèmes de précontrainte dans les ouvrages d'art conduisent au développement de nouvelles méthodes d'auscultation. Ces travaux représentent la contribution du LGCgE au programme national de recherche ANR ACTENA sur l'auscultation des câbles tendus non-accessibles. Les objectifs de ce travail sont la détermination du tracé des câbles de précontrainte et la détection des zones de défauts d'injection par thermographie infrarouge active. Le premier chapitre rappelle le contexte de cette étude, ainsi que les travaux antérieurs. L'introduction d'un mode de chauffage par induction conduit à une indétermination sur la présence éventuelle de défaut. Afin de lever cet artefact, le deuxième chapitre introduit une méthode originale de traitement fréquentiel des thermogrammes bruts basée sur une approche systémique dans le domaine fréquentiel. Une modélisation par éléments finis des spécimens expérimentaux permet d'étudier la diffusion et d'élaborer les paramètres expérimentaux. Le troisième chapitre expose les résultats expérimentaux obtenus sur trois spécimens de poutres. La procédure de traitement fréquentiel est appliquée aux séries de thermogrammes bruts obtenus. Les résultats sont discutés et mettent en avant l'intérêt des images de phase. Une approche quantitative est appliquée aux résultats de thermographie infrarouge dans le quatrième chapitre. La méthode d'inversion présentée permet la détermination de la diffusivité thermique du béton d'enrobage ainsi que son épaisseur.
-Thermographie infrarouge
-Induction
-Fonction de transfert
-Image de phase
-Béton précontraint
-Contrôle non destructif
The economical and security aspects of the durability of the prestressed concrete construction works lead to develop new non destructive testing methods. This work was developed within the framework of the ANR ACTENA French research project. The main arms are to contribute to the localization of prestressed tendon ducts or rebars and also to the detection of the poor filling defects. The context of this study and previous works are described in the chapter I. The introduction of an inductor heating provides a non uniformity of the heating. In order to avoid any misinterpretation of thermograms, a frequential method based on transfer functions is proposed in chapter II. A 3D numerical model of the experimental specimens is performed by finite element method. Chapter III shows experimental results for three concrete beam specimens. The frequential procedure is applied to the raw thermograms. The results are discussed and highlighted the interest of phase images. A quantitative approach is applied to infrared thermographical results in the chapter IV. Finally, an inverse method is proposed and allowed to the determination of thermal diffusivity and the thickness of the cover concrete.
-Infrared thermography
-Induction
-Tranfer function
-Phase image
-Prestressed concrete
-Non destructive testing
Source: http://www.theses.fr/2010ARTO0203/document
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PRES UNIVERSITE LILLE –NORD DE FRANCE
UNIVERSITE D’ARTOIS
FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES DE BETHUNE
THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE
Spécialité : Sciences pour l’ingénieur
Option : Génie Civil
Par
Tao DU
Thermographie infrarouge active par induction électromagnétique
application à l’auscultation d’éléments en béton renforcé

Thèse soutenue le 29 Juin 2010 devant le jury composé de :
Messieurs :
Xavier DEROBERT Rapporteur
Etienne GAVIOT Rapporteur
Didier DEFER Directeur de thèse

Franck BRACHELET Co-encadrant

Jean -Luc BODNAR Examinateur

Emmanuel ANTCZAK Examinateur

Daniel FRANCOIS Invité
Remerciements





Remerciements










Remerciements

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Remerciements
Remerciements
Cette recherche a été effectuée au sein de l’équipe de Laboratoire de Génie Civil et
géoEnvironnement Lille Nord de France (LGCgE) de l’Université d’Artois à Béthune. Le thème
de cette étude m’a été confié par le professeur Didier DEFER, directeur du laboratoire. Qu’il
trouve dans ces quelques mots le témoignage de ma profonde gratitude pour tous les conseils et
son soutien indéfectible durant ces années.

Je ne saurais présenter cette thèse sans souligner le rôle essentiel de Monsieur Franck
BRACHELET, Ingénieur de recherche du LGCgE de l’Université d’Artois. Durant tout ce
travail, son engagement a été sans faille, dépassant le simple cadre professionnel. Je tiens à lui
témoigner toute ma renaissance et mon estime.

Je tiens à remercier vivement, Monsieur Xavier DEROBERT, Ingénieur des Travaux Publics
d’Etat au LCPC de Nantes, et Monsieur Etienne GAVIOT, Professeur à l’Université du Maine,
pour l’intérêt qu’ils ont porté à mes travaux et le temps qu’ils y ont consacré. Je leur adresse
toute ma reconnaissance.

Je remercie également Monsieur Jean-Luc BODNAR pour m'avoir fait l'honneur d'être
examinateur, et de s'être penché minutieusement sur mon travail.

J'exprime aussi ma sincère reconnaissance à Monsieur le Professeur Emmanuel ANTCZAK pour
sa participation au Jury de ma soutenance et d'avoir porté de l'intérêt à mon travail.

Je remercie Monsieur Daniel FRANÇOIS, Responsable du groupe de travail ACTENA, d'avoir
accepté d’être dans le Jury de soutenance.

Enfin, je souhaite remercier tous les membres du LGCgE qui ont contribué, chacun à leur façon,
au bon déroulement de cette thèse, que se soit de manière technique, scientifique, administrative
ou amicale. Merci en particulier à mes amis Tingting WU et Ying GAO, pour les moments
passés ensemble, l’entraide, la disponibilité et sans qui le travail n’aurait pas eu la même saveur.

Merci à ma famille surtout…….
Remerciements

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Sommaire





Sommaire
















Sommaire

8
Sommaire
REMERCIEMENTS............................................................................................................................3
SOMMAIRE.........................................................................................................................................7
TABLES DES FIGURES ET DES TABLEAUX .............................................................................12
NOMENCLATURE ...........................................................................................................................17
INTRODUCTUIN..............................................................................................................................21
I. CONTEXTE ................................................................................................................................29
I.1 LA PROBLEMATIQUE D’ACTENA..............................................................................................29
I.2 LES DIFFERENTS TYPES DE PRECONTRAINTE ..............................................................................30
I.3 ORIGINE DES VIDES D’INJECTION : .............................................................................................32
I.4 ETAT DE L’ART DES TECHNIQUES EXISTANTES...........................................................................33
I.4.1 Radiographie : ..................................................................................................................33
I.4.2 Méthode Impact-Echo :.....................................................................................................35
I.5 LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE.............................................................................................37
I.5.1 Le rayonnement électromagnétique [GAUS]: ..................................................................38
I.5.2 Le rayonnement infrarouge : ............................................................................................40
I.5.3 Bilan radiométrique d’une scène thermique : ..................................................................40
I.6 LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE APPLIQUEE AUX CONTROLES NON DESTRUCTIFS : ................42
I.6.1 La Thermographie Pulsée : [GLSB].................................................................................43
I.6.2 Thermographie modulée :.................................................................................................46
I.6.3 La thermographie à Phase Pulsée [MALM].....................................................................48
I.7 LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE APPLIQUEE A LA DETECTION DES VIDES DE
PRECONTRAINTE : ......................................................................................................................51
I.7.1 Sollicitation des armatures métalliques par passage d’un courant électrique : ..............51
I.7.2 Thermographie à phases pulsées appliquées à l’auscultation des câbles de
précontrainte.........................................................................................................................51
I.7.3 Exemple de la campagne d’essais de MERLEBACH : .....................................................54
I.8 CONCLUSION..............................................................................................................................56
II. ASPECTS THEORIQUES ..........................................................................................................61
II.1 ELEMENTS DE CONDUCTION THERMIQUE ..................................................................................61
II.1.1 Equation d’équilibre thermique....................................................................................61
II.1.2 Loi de Fourier...............................................................................................................62
II.1.3 Conduction en régime transitoire .................................................................................62
II.1.4 Conditions limites .........................................................................................................63
II.2 MODELISATION NUMERIQUE......................................................................................................64
II.2.1 Caractéristiques des modèles .......................................................................................65
II.2.1.1 Paramètres thermophysiques des matériaux .............................................................65
II.2.1.2 Paramètres géométriques des modèles : ...................................................................66
II.2.1.3 Approximation par élément finis ..............................................................................67
II.2.1.4 Conditions initiales et limites appliquées au modèle numérique..............................68
II.2.1.5 Sollicitation thermique appliquée aux poutres :........................................................69
II.2.2 Résultats de la simulation pour la poutre sans défaut :................................................71
II.2.3 Résultats de la simulation pour la poutre avec défaut : ...............................................73
II.3 DISPOSITIF EXPERIMENTAL........................................................................................................76
II.3.1 Principales caractéristiques du dispositif de chauffage ...............................................76
II.3.2 Corps d’épreuves ..........................................................................................................78
II.3.3 Procédure expérimentale..............................................................................................79
II.4 ESSAI DE CHAUFFAGE D’UNE POUTRE SANS DEFAUT A L’AIDE DE L’INDUCTEUR :......................79 Sommaire
II.5 METHODE DE TRAITEMENT FREQUENTIELLE :............................................................................83
II.5.1 Rappels sur la transformation de Fourier :..................................................................83
II.5.1.1 Transformation de Fourier ........................................................................................83
II.5.1.2 Transformation de Fourier discrète...........................................................................83
II.5.2 Analyse par fonctions de transfert ................................................................................84
II.5.3 Modélisation numérique – cas d’une dissipation non uniforme...................................86
II.5.4 Comparaison des résultats de la simulation et résultats expérimentaux.....................87
II.5.4.1 Températures de surface : .........................................................................................87
II.5.4.2 Températures internes...............................................................................................87
II.5.4.3 Comparaison des évolutions temporelles des températures en un point de la
barre : ................................................................................................................................89
II.5.5 Forme temporelle de la sollicitation.............................................................................90
II.5.6 Calcul de la fonction de transfert sur les températures simulées.................................91
II.5.6.1 Extraction des résultats par nœud .............................................................................91
II.5.6.2 Analyse des résultats numériques .............................................................................92
II.5.6.3 Calcul de la FFT des températures de surface de la poutre sans défaut ...................93
II.5.6.4 Calcul des fonctions de transfert...............................................................................95
II.5.7 Choix des fréquences Atténuation.................................................................................99
II.5.7.1 Atténuation..............................................................................................................100
II.6 CONCLUSION ...........................................................................................................................102
III. ESSAIS EXPERIMENTAUX SUR POUTRES SAINES ET AVEC DEFAUTS :.................107
III.1 PROCEDURE EXPERIMENTALE ................................................................................................107
III.2 ESSAIS SUR LA POUTRE SANS DEFAUT ....................................................................................108
III.2.1 Thermogrammes bruts de la poutre sans défaut : ......................................................108
III.2.2 Mise en évidence de la position de la barre : .............................................................110
III.2.3 Analyse du champ de températures à la surface de la poutre :..................................110
III.2.4 Décomposition spectrale du signal d’entrée : ............................................................112
III.2.5 Analyse fréquentielle appliquée à deux points caractéristiques.................................112
III.2.6 Analyse fréquentielle appliquée à la série de thermogrammes ..................................115
III.2.7 Phases de la fonction de transfert H...........................................................................119
III.3 ESSAIS SUR LA POUTRE AVEC DEFAUT....................................................................................120
III.3.1 Thermogrammes bruts de la poutre avec défaut.........................................................120
III.3.2 Mise en évidence de la position de la barre avec défaut :..........................................123
III.3.3 Analyse du champ de températures à la surface de la poutre :..................................124
III.3.4 Analyse fréquentielle appliquée à deux points caractéristiques.................................125
III.3.5 Analyse fréquentielle appliquée à la série de thermogrammes ..................................128
III.3.6 Phases de la fonction de transfert H...........................................................................131
III.4 RESULTATS COMPLEMENTAIRES A L’AUSCULTATION DES CABLES TENDUS NON-ACCESSIBLES
PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE – APPLICATION A DES CAS PARTICULIERS.........................132
III.4.1 Modélisation d’une poutre contenant une gaine métallique : ....................................133
III.4.1.1 Champ de temperature :..........................................................................................133
III.4.1.2 Analyse fréquentielle des thermogrammes.............................................................134
III.4.2 Présence de ferraillages passifs..................................................................................135
III.4.2.1 Chauffage de la poutre dans laquelle l’armature passive est dans le même plan
que la barre centrale........................................................................................................136
III.4.2.2 Chauffage de la poutre dans laquelle l’armature passive est décalée de deux
centimètres par rapport à la barre centrale......................................................................139
III.4.3 Conclusion sur ces résultats complémentaires :.........................................................141
III.5 CONCLUSION..........................................................................................................................141
10