Évolution de la fonction de transfert mécanique (FTM) entre une structure en béton et une instrumentation par fibre optique sous l’effet d’un vieillissement environnement

L’Université Gustave Eiffel a vocation à conduire des recherches fondamentales et appliquées, des études méthodologiques et des développements d’essais et de prototypes, à mener des travaux d’expertise et de conseil, à diffuser et valoriser ses résultats de recherche y compris via la réglementation technique et la normalisation, l’appui technique, le transfert de technologie et la certification. Ces travaux sont notamment menés dans le cadre de collaborations internationales et de partenariats institutionnels, académiques ou industriels.

La surveillance des structures de génie civil est un processus indispensable pour évaluer au mieux l’état de santé de ouvrages, assurer la sureté des installations et augmenter leur durée de fonctionnement. Parmi les techniques d’instrumentation disponibles, les systèmes de capteurs distribués par fibres optique (FO) présentent de nombreux avantages. Ils permettent notamment de mesurer en continu un profil de déformation ou de température avec une résolution spatiale inférieure au centimètre. Ils sont donc bien adaptés au suivi de structures présentant de grands linéaires ou de grandes surfaces, ainsi qu’à la détection des fissures dans les structures en béton.

Ces capteurs à FO sont généralement constitués d’un cœur en silice (la partie sensible du système) enrobé par une ou plusieurs gaines protectrices en polymère. Les déformations mesurées par la FO à cœur peuvent être sensiblement différentes de celle de la structure hôte, en raison du transfert d’effort par cisaillement à travers les différentes couches protectrices du capteur. Il est donc généralement nécessaire de déterminer une fonction de transfert mécanique (notée FTM) du système pour relier les mesures du capteur aux déformation réelles de la structure hôte.

La FTM des câbles à FO dont la géométrie présente plusieurs symétries peut être établie à partir de formules analytiques qui, sous des hypothèses simplificatrices, permettent de lier les contraintes et les déformations dans la fibre à celles présentes dans la structure hôte (voir par exemple [1]). Pour prendre en compte la géométrie complexe de certains câbles à FO comportant plusieurs couches de revêtements ainsi que des renforcements mécaniques, des modèles aux éléments finis ont été développés à l’Université Gustave Eiffel (Thèse de I. ALJ [2]). La détermination de la FTM a alors été réalisée i) en s’appuyant sur les différentes propriétés des matériaux mesurées au laboratoire et ii) en identifiant les paramètres d’interface par calage des simulations numériques d’essais d’arrachement avec les profils de déformation obtenus par interrogation des FOs lors des essais menés à l’Université Gustave Eiffel.

Dans le cadre d’une instrumentation destinée au suivi d’un ouvrage, l’interprétation des résultats de mesure doit prendre en compte l’évolution du transfert d’effort (et donc de la FTM) liée à la dégradation du capteur dans les conditions de service [3] (milieu alcalin du béton, conditions climatiques extérieures). On peut ainsi parler d’un effet de vieillissement environnemental du capteur.

Dans ce contexte, ce stage porte sur la formulation d’une loi d’évolution de la FTM relative à l’évolution des matériaux constitutifs de la FO ainsi qu’à la dégradation de leurs interfaces. Les principales séquences du travail proposé consisteront :

1. A reproduire sous Castem les simulations 3D de transfert d’effort du matériau hôte vers le cœur de la FO dans le cas d’un câble à FO non vieilli et pour deux configurations d’instrumentation : câble à FO noyé dans le béton et câble à FO collé en surface du béton à l’aide d’un adhésif. Pour cela le stagiaire bénéficiera de la base de données expérimentale produite lors de la thèse de I. Alj [1]. Ce premier travail, associé à une étude bibliographique solide vise à aider le stagiaire à s’approprier le sujet, mais aussi à doter le laboratoire d’accueil d’un outil de calcul consolidé.
2. A identifier les paramètres de la FTM permettant, à l’aide du modèle développé, de reproduire les résultats expérimentaux acquis sur les corps d’épreuve instrumentés vieillis. Là encore ces résultats expérimentaux sont disponibles au laboratoire.
3. A proposer une loi d’évolution des paramètres de la FTM permettant de réaliser des simulations prédictives de mesure par FO sur des éprouvettes (et par extension sur ouvrage) vieillies sur des échéances plus importantes que celles pour lesquelles le laboratoire dispose de données expérimentales.

En conclusion, ce stage vise à poursuivre des recherches déjà largement initiées. Un résultat d’une haute qualité scientifique est donc attendu. Celui-ci et devra aboutir à la rédaction d’un article de revue internationale.

Le stage se déroulera du mois d’avril à septembre (6 mois) au laboratoire EMGCU sur le site de l’Univ. Gustave Eiffel à Marne La Vallée. L’encadrement quotidien sera réalisé par un groupe de chercheurs (K. Benzart, I. Alj et M. Quiertant).

Biliographie

[1] I. Alj, M. Quiertant, A. Khadour, Q. Grando, B. Terrade, J.-C. Renaud, K. Benzarti, Experimental and Numerical Investigation on the Strain Response of Distributed Optical Fiber Sensors Bonded to Concrete: Influence of the Adhesive Stiffness on Crack Monitoring Performance. Sensors 2020, Volume 20, Issue 18, 5144. DOI: 10.3390/s20185144

[2] I. Alj, Durabilité des capteurs à fibre optique destinés aux mesures réparties de déformation dans les ouvrages en béton, Thèse de l'Univ. Paris-Est, soutenue le 13/11/2020.

[3] Alj, I.; Quiertant, M.; Khadour, A.; Grando, Q.; Benzarti, K. Environmental Durability of an Optical Fiber Cable Intended for Distributed Strain Measurements in Concrete Structures. Sensors 2022, 22, 141. DOI: 10.3390/s22010141

Candidat de formation Master 2 recherche Génie Civil ou Mécanique. Le candidat devra s’intéresser au domaine des matériaux avec un goût prononcé pour la modélisation. Une expérience du calcul aux éléments finis est essentielle.