Cette section présente les différents dispositifs de mesure ou d’observation utilisés. Le plan d’instrumentation, qui diffère suivant les caractéristiques de l’essai (notamment l’épaisseur de la couche protectrice et le diamètre de l’impacteur), est présenté en détail en Section 3.6, décrivant la réalisation de la campagne d’essais principale.
Neuf accéléromètres uni-axiaux, sept capteurs de pression totale, deux caméras ultras rapides et un dispositif de mise en évidence des déplacements après impact dans la couche de sable ont permis d’observer les efforts et les déplacements souhaités pour chaque essai. Dans le cadre de la certification ISO 9001 de l’Ifsttar, les accéléromètres et les capteurs de pression font l’objet d’un suivi métrologique. La suite de cette section présente successivement les caractéristiques de ces capteurs et les différents tests réalisés au laboratoire pour s’assurer que leurs caractéristiques étaient adaptées aux mesures à réaliser dans les conditions essais.
3.4.1 Accéléromètres
Les blocs impacteurs furent équipés d’accéléromètres en trièdre. Trois accéléromètres uni-axiaux de type 3801A-200 (TE Connectivity), plage de mesure 0-200 g, furent montés dans trois directions orthogonales entre elles sur un cube rectifié en acier. Ce cube était ensuite boulonné à une plaque d’acier, soudée sur les impacteurs avec coque extérieure en acier, vissée sur les impacteurs en béton. La photo en Figure 3.3 montre la plaque de fixation du cube équipé d’accéléromètres, soudée au sommet de la coque en acier du petit impacteur.
Compte tenu de la nature des contacts plaque-impacteur et cube-plaque, et du fait que les impacteurs étaient pleins, les mesures d’accélération ne furent perturbées que par un signal de faible intensité à très haute fréquence. Ces vibrations induites par le dispositif de mesure purent donc être aisément identifiées et filtrées.
Figure 3.3. Instrumentation des impacteurs
Plaque de fixation des accéléromètres
Mires pour le suivi des déplacements
Six accéléromètres uni-axiaux furent également installés en surface de la structure à protéger (la dalle d’essai) et à l’intérieur de la couche de sable. Ces accéléromètres enfouis sont de type EGC (ENTRAN), plage de mesure 0-200 g, mono-axe. Ils furent fixés en surface supérieur de la dalle en béton armé ou, dans la couche de sable, montés sur grille en polypropylène à mailles carrée de dimension 15 cm x 15 cm pour faciliter leur positionnement et s’assurer de la verticalité de l'axe de mesure.
Figure 3.4 : Positionnement d’un accéléromètre au sein de la couche amortissante
3.4.2 Capteurs de pression totale
La photo en Figure 3.5 montre les capteurs de pression totale utilisés, de type 3515-1 (GEOKON), de plages de mesure de 0 à 1.5, 3 ou 6 MPa. Ces capteurs sont composés de deux disques en acier de diamètre 230 mm qui compriment entre eux une poche d’huile. Les disques sont épais de 10 mm, pour protéger du poinçonnement la cellule contenant l’huile. Les flancs entre les deux disques sont également métalliques, mais beaucoup plus souples, pour que les efforts appliqués sur les disques d’acier soient repris par l’huile en pression. La pression d’huile est mesurée via une tige par capteur à pont de jauges.
Figure 3.5 : Capteur de pression utilisé pour observer les pressions agissant sur la dalle
Pour observer les pressions transmises au travers de la couche de sable, sept capteurs étaient positionnés en « L » sur la surface supérieure de la dalle d’essai, l’angle droit du « L » étant situé au centre de la dalle, à l’aplomb du point d’impact visé. La Figure 3.6 montre la mise en œuvre des capteurs, scellés à la dalle au ciment à prise rapide et recouverts d’un film plastique pour les protéger des infiltrations d’eau et de sable pendant les campagnes d’essais. La Figure 3.6 montre également l’installation d’un des accéléromètres sur la surface supérieure de la dalle.
S’agissant de mesures de pression en dynamique – la bande passante de ces capteurs de pression n’étant pas disponible auprès du fournisseur – une série de six essais en puits de chute fut réalisée pour qualifier la réponse en dynamique des capteurs de pression. Dans chaque série, une masse de 7.43 kg était lâchée d’une hauteur de 1, 2 ou 3 m sur une structure sandwich composée du capteur de pression GEOKON à tester et d’un capteur d’effort de type FN 2081 (FGP), de diamètre 150 mm et de capacité 200 kN, collés entre eux par un adhésif double-face. La réponse dynamique du capteur d’effort, dont la mesure est également basée sur un capteur à pont de jauges de déformation, est donnée par le fabricant et contrôlée dans le cadre du suivi métrologique des moyens de mesure de l’Ifsttar.
Le graphique de la Figure 3.7 présente en fonction du temps les mesures effectuées pendant un de ces essais : en bleu, la force mesurée par le capteur d’effort et, en rouge, la pression observée par le capteur GEOKON à tester multipliée par la surface du capteur. L’offset temporel entre les réponses des capteurs a été introduit pour faciliter la comparaison dans le graphique. Ces résultats montrent que la réponse du capteur de pression, avec chambre d’huile sous pression, est proche de celle du capteur de force, en termes de montée en charge du capteur, de largeur de pic et d’intensité maximale. La réponse du capteur de pression est donc validée, y compris pour des chocs « raides. »
Figure 3.6 : Mise en place des capteurs de pression et d’un des accéléromètres, scellés à la dalle.
Figure 3.7 : Comparaison de l’effort donné par le capteur d’effort FN 2081 (FGP) et de la pression donnée par le capteur 3515-1 GEOKON (ramenée à un effort) lors d’un essai en puits de chute
3.4.3 Caméras rapides
Pour suivre les déplacements de l’impacteur, deux caméras ultra rapides furent employées, de fréquence d’acquisition égale à 1000 images de résolution 512 x 1024 pixels par seconde. Pour
Comme montré dans la Figure 3.3, deux mires étaient collées sur les impacteurs pour suivre le déplacement relatif de l’impacteur pendant l’impact. Dans la configuration d’essai, position des caméras et résolution d’image, la précision sur la position du bloc pendant la chute et l’impact était de l’ordre du millimètre.
Toutefois, il est à noter que, lors de certains essais à haute énergie d’impact, le sable décolle du remblai autour de l’impacteur, rendant difficile, voire impossible, le suivi de la position à partir de l’analyse d’images. Dans ce cas, les mesures de décélération du bloc étaient employées pour ponctuellement compléter l’observation du déplacement.
3.4.4 Dispositif de mise en évidence des déplacements dans la couche de sable
Cherchant d’éventuels mécanismes de rupture, similaires à ceux observables à la rupture des fondations superficielles, trois techniques pour mettre en évidence les déplacements finaux dans le sable furent testées au cours de la campagne d’essais préliminaires. La Figure 3.8 montre la mise en œuvre, entre deux passes de construction de la couche protectrice, des trois dispositifs envisagés : (a) Une fine couche de sable coloré aux pigments d’oxyde de fer, (b) Un filet avertisseur ou (c) De la peinture de chantier passée en surface de passe.
La technique d’observation basée sur l’intercalation d’une fine couche de sable coloré fut retenue pour la campagne d’essais principale. En effet, cette technique perturbe faiblement les conditions d’essai et met nettement en évidence les déplacements de la fine couche de matériau coloré. La Figure 3.9 montre la coupe d’un remblai impacté dont les déplacements au voisinage de l’impacteur sont mis en évidence par deux fines couches de sable coloré placées à deux hauteurs différentes pendant la construction. Il est intéressant de noter qu’aucun mécanisme de rupture par cisaillement localisée, faisant apparaitre des surfaces de rupture ne peut être distingué. Les importants déplacements dans le sable lâche pendant la pénétration de l’impacteur modifient les zones de rupture et de plastification, empêchant des mécanismes de rupture localisée de se développer et donc l’apparition de surfaces de glissement.
(a) Couche de sable coloré
(b) Filet avertisseur
(c) Couche de peinture