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Journées Techniques Routes 2013Nantes – 6 & 7 février 2013
Chaussée instrumentée : essai de fibres optiques sur le manège de fatigue
Pierre Hornych, Juliette Blanc, Xavier Chapeleau, IFSTTAR
Jean-Luc Gautier, Colas
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 20132
Chaussée instrumentée : essai de fibres optiques sur la manège de fatigue
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 résine2 jauges en partie supérieure2 jauges en partie inférieure
Plaque instrumentée:
Épaisseur 5 mm
6 à 8 jauges horizontales en partie supérieureet en partie inférieure6 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
-10
-5
0
5
10
3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2
t (s)
mic
rostr
ain
eps Leps T
contraction
extension
-100
0
100
200
300
3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1
t (s)
mic
rostr
ain
eps Leps T
contraction
extension
-30
-20
-10
0
10
3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6
t (s)
micr
ostra
in
eps LepsT no signal
contraction
extension
-500-400-300-200-100
0100
3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6
t(s)
mic
rostr
ain
eps Leps T
contraction
extension
interface ~22°C Interface ~ 42°C
Très différent hyp. usuellement admise
GB
GNT
BB
Chaussée
Déformations longitudinales et transversales au passage d’un tridem
0.7m
1.6 m bande de roulement
30.0 m
R = 19m
0.5 m 8 m7 m 7 m5 m
21 cm
0.5 m
21 cm
0.7m
0.5m 0.5m 1 m
FO continue
Jauge d’extensométrie
Essai manège en collaboration avec COLAS Plan d’instrumentation des chaussées
FO réseau Bragg et T°
Structure de chaussée : 8 cm BB – 30 cm GNT
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, 21°C
-60
-40
-20
0
20
40
60
1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
Temps (s)
Déf
orm
atio
n (m
def)
BBSG mesures du 11 septembre 2012 21°C
0
20
40
60
80
100
120
-60 -40 -20 0 20 40 60 80Position (cm)
Déf
orm
atio
n (m
def)
S_3_b_1S_3_b_2S_3_a_1S_4_a_2
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 def environ)
Bassin des maximums de déformations longitudinales pour 4 jauges à réseaux de Bragg dans le BBSG sous charge de 65 KNMême forme que les jauges d’extensométrie bonne répétabilité
Déformation longitudinale
Mesure du signal Rayleigh (fibre continue) : exemple de mesure sous chargement
Principe : • Une mesure de référence « sans chargement »• Une mesure avec chargement statique (demi-essieu 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
Pic de déformation
Déformation longitudinale
Mesure du signal Rayleigh : exemple de mesure sans charge à différents nombres de cycles
Principe : • Une mesure de référence
« 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 l’endommagement de la structure ?
PCTS
Déformation longitudinale – base BBSGPar rapport à la référence à 150000 chargements
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
16
1978 – 2013Un parcours d’expériences inédites
http://35ans-manege.ifsttar.fr
Intentions de communication (100 mots max)
à soumettre avant le 15 avril 2013 à : 35ans-manege@ifsttar.fr
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