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Investigations et évaluations dynamiques des ponts techniques et méthodes des l

Investigations et évaluations dynamiques des ponts techniques et méthodes des laboratoires des ponts et chaussées Guide technique Investigations et évaluations dynamiques des ponts Conformément à la note du 04/07/2014 de la direction générale de l'Ifsttar précisant la politique de diffusion des ouvrages parus dans les collections éditées par l'Institut, la reproduction de cet ouvrage est autorisée selon les termes de la licence CC BY-NC-ND. Cette licence autorise la redistribution non commerciale de copies identiques à l’original. Dans ce cadre, cet ouvrage peut être copié, distribué et communiqué par tous moyens et sous tous formats. (CC BY-NC-ND 4.0) Attribution — Vous devez créditer l'Oeuvre et intégrer un lien vers la licence. Vous devez indiquer ces informations par tous les moyens possibles mais vous ne pouvez pas suggérer que l'Ifsttar vous soutient ou soutient la façon dont vous avez utilisé son Oeuvre. 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Ainsi, en complément des ouvrages disponibles à la vente, certaines références des collections de l'INRETS et du LCPC sont dès à présent mises à disposition en téléchargement gratuit selon les termes de la licence Creative Commons CC BY-NC-ND. Le service Politique éditoriale scientifique et technique de l'Ifsttar diffuse différentes collections qui sont le reflet des recherches menées par l'institut : • Les collections de l'INRETS, Actes • Les collections de l'INRETS, Outils et Méthodes • Les collections de l'INRETS, Recherches • Les collections de l'INRETS, Synthèses • Les collections du LCPC, Actes • Les collections du LCPC, Etudes et recherches des laboratoires des ponts et chaussées • Les collections du LCPC, Rapport de recherche des laboratoires des ponts et chaussées • Les collections du LCPC, Techniques et méthodes des laboratoires des ponts et chaussées, Guide technique • Les collections du LCPC, Techniques et méthodes des laboratoires des ponts et chaussées, Méthode d'essai www.ifsttar.fr Institut Français des Sciences et Techniques des Réseaux, de l'Aménagement et des Transports 14-20 Boulevard Newton, Cité Descartes, Champs sur Marne F-77447 Marne la Vallée Cedex 2 Contact : diffusion-publications@ifsttar.fr Investigations et évaluations dynamiques des ponts Guide technique Février 2009 Laboratoire Central des Ponts et Chaussées 58, bd Lefebvre, F 75732 Paris Cedex 15 Ce document a été rédigé par : ¾ M. Christian Crémona (LCPC), avec la participation de : ¾ M. Yves Gautier (CETE Sud-Ouest), ¾ M. Renaud Leconte (CETE Lyon). Pour commander cet ouvrage : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées DISTC-Diffusion des éditions 58, boulevard Lefebvre F-75732 PARIS CEDEX 15 Téléphone : 01 40 43 50 20 Télécopie : 01 40 43 54 95 Internet : http://www.lcpc.fr Prix : 45 € HT En couverture : Épreuves de chargement dynamique sur le viaduc de Verrières. 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). © 2008 - LCPC ISSN 1151-1516 ISBN 978-2-7208-2522-0 N° DOI/Crossref 10.3829/gt-gtinpont-fr INVESTIGATIONS ET ÉVALUATIONS DYNAMIQUES DES PONTS 3 1. INTRODUCTION .....................................................................................................................5 1.1. PRINCIPES GÉNÉRAUX ......................................................................................................... 5 1.2. CHAMPS D’APPLICATIONS .................................................................................................... 7 1.2.1. Ouvrages en construction .......................................................................................... 7 1.2.2. Ouvrages en cours de réception ............................................................................... 8 1.2.3. Ouvrages en service .................................................................................................. 9 1.2.4. Suivi local ou global ? ...............................................................................................11 1.3. DOCUMENTS DE RÉFÉRENCE ............................................................................................. 13 2. TYPOLOGIE DES INVESTIGATIONS DYNAMIQUES .......................................................15 2.1. MESURES DE CONFORT ..................................................................................................... 15 2.2. ÉVALUATION DES SOLLICITATIONS .................................................................................... 17 2.2.1. Détermination de coefﬁ cients de majoration dynamique ......................................... 17 2.2.2. Détermination de contraintes induites et durée de vie en fatigue............................ 20 2.2.3. Détermination de tensions dans les câbles ............................................................. 22 2.3. ANALYSE STRUCTURALE .................................................................................................... 23 2.3.1. Analyse modale expérimentale ou opérationnelle ................................................... 23 2.3.2. Identiﬁ cation structurale ........................................................................................... 25 2.3.3. Vériﬁ cation de l’aptitude au service ......................................................................... 26 2.4. SURVEILLANCE DU COMPORTEMENT ................................................................................ 27 2.4.1. Détermination de l’inﬂ uence des paramètres environnementaux ............................ 27 2.4.2. Vériﬁ cation de l’efﬁ cacité de mesures de renforcement .......................................... 28 2.4.3. Identiﬁ cation de comportements vibratoires anormaux ........................................... 30 2.4.4. Vériﬁ cation de l’intégrité structurale pendant et après un phénomène exceptionnel ............................................................................................................. 30 2.4.5. Diagnostic d’endommagement ................................................................................ 30 3. PRINCIPES DE RÉALISATION DES ESSAIS VIBRATOIRES ...........................................35 3.1. CHOIX D’UNE SOURCE D’EXCITATION ................................................................................. 35 3.1.1. Essais sous conditions contrôlées ........................................................................... 36 3.1.2. Essais sous vibrations ambiantes ........................................................................... 38 3.2. CHOIX DES DONNÉES À ACQUÉRIR .................................................................................... 40 3.2.1. Choix de la grandeur à mesurer .............................................................................. 40 3.2.2. Choix métrologique .................................................................................................. 40 3.3. CAPTEURS .......................................................................................................................... 41 3.3.1. Mesures de déformation .......................................................................................... 42 3.3.2. Mesures de déplacement ........................................................................................ 46 3.3.3. Accéléromètres ........................................................................................................ 50 3.3.4. Vélocimètres ............................................................................................................ 52 3.4. FIXATION DES CAPTEURS ................................................................................................... 53 3.5. ACQUISITION DES DONNÉES .............................................................................................. 58 3.5.1. Principes technologiques ......................................................................................... 58 3.5.2. Échantillonnage ....................................................................................................... 58 3.5.3. Étalonnage et bruit de fond ..................................................................................... 60 3.6. PLAN D’INSTRUMENTATION ................................................................................................ 61 3.7. PRÉPARATION, ORGANISATION ET REPORTAGE D’UNE INVESTIGATION DYNAMIQUE ....................................................................................................................... 64 Sommaire 4 4. PRINCIPES D’ANALYSE DES ESSAIS VIBRATOIRES ....................................................65 4.1. ANALYSE DES SIGNAUX BRUTS ......................................................................................... 65 4.1.1. Amplitudes maximales et histogrammes d’effets .................................................... 65 4.1.2. Énergie, puissance moyenne, densités spectrales de puissance ........................... 66 4.1.3. Détermination des dépassements de niveaux ......................................................... 69 4.1.4. Détermination des rainﬂ ows .................................................................................... 71 4.2. ANALYSES TEMPS-FRÉQUENCE ......................................................................................... 74 4.2.1. Spectrogramme ....................................................................................................... 74 4.2.2. Ondelettes ............................................................................................................... 75 4.3. IDENTIFICATION MODALE ................................................................................................... 77 4.3.1. Relation entre modes solutions complexes et solutions réelles .............................. 80 4.3.2. Validation des résultats de l’analyse modale expérimentale ................................... 80 4.3.3. Actualisation de modèle .......................................................................................... 82 4.3.4. Indicateurs de modiﬁ cations structurales ................................................................ 82 5. MISES EN ŒUVRE PRATIQUES ........................................................................................89 BIBLIOGRAPHIE .....................................................................................................................99 ANNEXE A : ÉLEMENTS D’ANALYSE VIBRATOIRE ..........................................................101 A.1. PROCESSUS STATIONNAIRES - PROCESSUS ERGODIQUES ............................................ 101 A.2. MOYENNE – VARIANCE ..................................................................................................... 102 A.3. COVARIANCE – CORRÉLATION ......................................................................................... 102 A.4. DÉRIVÉE D’UN PROCESSUS STOCHASTIQUE .................................................................. 103 A.5. DENSITÉ SPECTRALE DE PUISSANCE .............................................................................. 104 A.6. DÉPASSEMENTS DE NIVEAUX .......................................................................................... 105 A.6.1. Dépassements moyen d’un niveau ....................................................................... 106 A.6.2. Période de retour .................................................................................................. 106 A.6.3. Facteur de pointe .................................................................................................. 107 A.7. CALCUL PRATIQUE DES DENSITÉS SPECTRALES DE PUISSANCE .................................. 109 ANNEXE B : CONCEPTS EN ANALYSE MODALE EXPÉRIMENTALE ..............................111 B.1. RAPPEL D’ANALYSE MODALE ...........................................................................................111 B.1.1. Oscillations libres ...................................................................................................111 B.1.2. Décrément logarithmique .......................................................................................112 B.1.3. Oscillations forcées harmoniques ..........................................................................113 B.1.4. Oscillations forcées aléatoires ...............................................................................115 B.1.5. Fonctions de réponse .............................................................................................116 B.2. MODES PROPRES DE VIBRATION ......................................................................................117 B.2.1. Solution de l’équation homogène non amortie .......................................................117 B.2.2. Orthogonalité des modes propres de vibration ......................................................118 B.2.3. Choix d’une base de mode propre .........................................................................119 B.2.4. Matrice de transfert ................................................................................................119 B.3. MÉTHODES PRATIQUES D’IDENTIFICATION MODALE EN ANALYSE MODALE EXPÉRIMENTALE ............................................................................................................. 120 B.3.1. Appropriation modale ............................................................................................ 120 B.3.2. Identiﬁ cation des fonctions de transfert ................................................................. 120 B.3.3. Exponentielles complexes amorties ...................................................................... 120 B.3.4. Méthodes d’identiﬁ cation entrée/sortie .................................................................. 121 ANNEXE C : SPÉCIFICATION DES CAPTEURS ................................................................123 INVESTIGATIONS ET ÉVALUATIONS DYNAMIQUES DES PONTS 5 1.1. Principes généraux La réalisation d’essais vibratoires a été formalisée pendant et après la seconde guerre mondiale, la construction d’avions ayant été un élément moteur du développement de ces essais dont l’objectif était d’appréhender des phénomènes particuliers conduisant à certaines défaillances sous sollicitations répétées et rapides. Les essais modernes ne sont que des prolongements plus ou moins sophistiqués de ces toutes premières investigations. Ainsi, en Suisse, la réalisation d’essais dynamiques sur les ponts routiers de plus de 20 m de portée a débuté dans les années 1920 ; ces tests étaient effectués en faisant circuler sur un ouvrage un véhicule calibré à différentes vitesses. Il ne faut pas confondre essais ou investigations dynamiques et évaluation dynamique. Les essais dynamiques visent à effectuer des mesures de grandeurs physiques (accélérations, déplacements, vitesses, déformations, etc.) variant rapidement au cours du temps. Ces investigations dynamiques – également appelées mesures de vibration – recouvrent deux familles différentes : les épreuves dynamiques, qui sont réalisées de manière ponctuelle à des instants donnés de la vie de l’ouvrage, la surveillance dynamique, qui consiste à acquérir de manière continue ou sur seuil les grandeurs physiques d’importance. La réalisation d’investigations dynamiques répond à des objectifs d’évaluation qui portent sur : la vériﬁ cation de la performance structurale en phases de construction, de réception et de ser- vice, l’appréciation de l’aptitude au service en phase de réception et de service, la détermination des caractéristiques vibratoires pour calibrer un modèle numérique et pour le diagnostic, le retour d’expérience. L’évaluation dynamique vise donc à tirer des mesures résultant des investigations dynamiques une information susceptible d’apporter une appréciation plus pertinente de la performance d’un ouvrage sur son cycle de vie (construction, réception, service). uploads/Ingenierie_Lourd/ guidetechnique-lcpc-gtinpont.pdf