A priori, le simple fait qu’un matériau se déforme dans le temps, témoigne de l’existence de certains désordres structuraux. Si cette déformation s’accentue continuellement on peut anticiper la ruine éventuelle du matériau. Par ailleurs, les plus cartésiens vont se référer aux enseignements de la résistance des matériaux: la déformation est directement reliée à la résistance ultime d’un matériau donc à la contrainte maximale avec laquelle on peut le solliciter. Conséquemment, il devient alors important de faire le suivi des déformations. Pour ce qui est du béton, des jauges extensométriques issues de technologies diverses sont disponibles pour accomplir cette opération et peuvent être installée à l’extérieur, sur une face de la structure, ou noyées dans la masse; on s’intéresse particulièrement à cette dernière catégorie. Chacune des différentes jauges se distingue par ses performances spécifiques. Aussi, une terminologie décrivant ces mêmes performances est maintenant établie et présentée au tableau 2.3. Cette dernière sera utile dans la description et la validation, aux sections et chapitres suivants, de quelques-unes des jauges largement utilisées à l’heure actuelle.
2.4.1 Jauge à corde vibrante
En ce qui a trait aux mesures des déformations, l’extensomètre à corde vibrante est sans contredit très populaire pour la mesure des déformations et il reçoit la faveur de nombreux chercheurs et praticiens autant dans le domaine des structures que de la mécanique des roches [BORDES & DEBREUILLE, 1985; DASCAL & SUPÉRINA, 1985; TUNBRTOGE & 0IEN , 1988; MARTIN, 1989; McRAE & SIMMONDS, 1991]. La technologie des cordes vibrantes est considérée comme étant fiable et les instruments basés sur celle-ci présentent une longévité et une précision de mesure qui cadrent assez bien avec les conditions et objectifs de l’instrumentation de grandes structures. La figure 2.9 montre un type d’extensomètre à corde vibrante. Quant à son fonctionnement, disons simplement qu’il est basé sur la mesure de la fréquence d’oscillation d’un petit fil métallique tendu à l’intérieur d’un tube de protection qui constitue le corps même de la jauge. Si l'on connaît la variation de la fréquence d’oscillation du fil, il est possible de calculer la variation de déformation en combinant les équations décrivant les oscillations des corps à celles de la propagation des ondes [SEARS & coll. 1987].
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Sécurité et instrumentation des barrages
Tabl.au 2.3
Termes reliés à la performance des instruments de mesures
Terme Définition Schématisation
Exactitude
Précision
Lorsque la mesure s’approche de la valeur réelle de la quantité mesurée (justesse de la mesure).
Lorsque les valeurs d’une série de mesures s’approchent de la moyenne de ces mesures (reproductibilité).
+
Valeur juste MesureA T
Exactitude et précisionRésolution |L a plus petite division de l’échelle de I mesure de l’instrument
Sensibilité Fait référence à la réponse d’un
instrument suite à l’application d’une quantité donnée; en pratique on dit souvent l’échelle. Par exemple, 100 mv/mm.
100 mv/mm 1 0 0 mv
Étendue I Valeurs minimale et maximale pouvant
I
être mesurées avec l’instrument. LinéaritéHystérésis
Un instrument est dit linéaire lorsque les valeurs mesurées sont directement proportionnelles à la quantité mesurée. L’écart entre les courbes est une mesure de la linéarité exprimée en pourcentage.
— Étalonnage — Régression
linéaire Valeur juste
Écart entre les valeurs mesurées lors du chargement et celles du déchargement L’espacement entre l’aller et le retour
est une mesure de l’hystérésis.
A
Valeur juste
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Ch a p it r e 2
3 i
^ •. /. v
Figure 2.9 Extensomètre à corde vibrante
Les principaux avantages sont leur solidité, leur longévité et aussi le fait que le signal en fréquence peut parcourir, sans atténuation notable, plusieurs kilomètres de distance. Bien que ce type d’instrument soit performant, certaines appréhensions subsistent quant à leur encombrement et à leur rigidité. La jauge noyée dans le béton n’a généralement pas le même module d’élasncité que le béton qui l’entoure, ce qui a pour effet de modifier le champ, c’est-à-dire la répartition, des déformations dans le béton à l’endroit de la jauge: c’est l’effet d’inclusion. Mentionnons que ce phénomène n ’est pas unique aux jauges à corde vibrante, toute jauge, instrument où objet dont les propriétés élastiques diffèrent de la matrice dans laquelle il est enfoui provoque ce même effet avec une intensité plus ou moins grande [ESHELBY, 1957; 1959]. D ’ailleurs, un modèle de jauge à corde vibrante de faible rigidité a été développé pour Finstrumentauon du béton et voit une application dans le suivi de l’évolution des réactions alcalis-granulats [LARTVE & coll., 1995].
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Sécurité et instrumentation des barrages
2.4.2 Ja u g e électrique
Les jauges électriques sont utilisées dans la conception de nombreux instruments géotechniques. Leur principe repose sur le fait que la résistance électrique d’un conducteur varie en directe proportion avec le changement de sa longueur. Il existe divers modèles de jauge électrique mais les plus couramment utilisés sont les jauges collées (bonded fo il gauge) et les jauges noyées dans une matrice plastique ou composite; elles se présentent avec diverses configurations (rosettes) et longueurs. La figure 2.10 montre une jauge électrique pouvant être noyée dans le béton afin d’en mesurer les déformations. La technologie relativement simple de ces jauges constitue un avantage certain; elles sont peu coûteuses, les unités de lecture portatives sont couramment disponibles et la possibilité d’effectuer l’acquisition automatisée du signal est aisément obtenue puisque de nombreuses cartes et systèmes d’acquisition offrent cette option. Toutefois, ces jauges sont flanquées d’une étiquette d’instabilité à long terme; l’humidité, la température, les connexions et la perte du signal électrique sur de grandes distances sont autant de sources d ’erreurs.
Figure 2.10 Jauge extensométrique électrique pouvant être noyée dans le béton
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Ch a p it r e 2
2.4.3 Ja u g e à fibre optique
Une toute nouvelle gamme de jauges connaît un essor marqué, soit celle des capteurs à fibre optique. En plus des jauges extensométriques, il existe des capteurs de pression, de température et même chimique basés sur cette dernière technologie. Ces derniers sont actuellement disponibles sur le marché ou, du moins, en sont à un stade avancé de leur développement [UDD, 1995]. En génie civil, cette technologie voit un nombre croissant d’applications [ANSARI, 1998].
On ne traitera pas pour l’instant de ces jauges. Puisque l’un des thèmes de cette thèse est la validation d’un type de jauge extensométrique à fibre optique, notamment la jauge Fabry-Pérot de type EFO (embedment fib er optic), on propose, au chapitre suivant, une revue de la technologie des capteurs à fibre optique. Néanmoins, on présente tout de même cette jauge à la figure 2.11.
F ig u re2 .il Jauge extensométrique à fibre optique de type EFO
L’idée d’avoir un capteur de déformation performant n’est pas étranger au fait qu’une telle mesure permet de calculer les contraintes. La section suivante traite des différentes cellules de mesures des déformations et contraintes. Ces dernières sont issues surtout du domaine de la mécanique des roches et on verra que leur utilisation dans un matériau comme le béton et, à plus
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grande échelle, dans une structure aussi imposante qu’un barrage, le passage des déformations vers les contraintes n’est pas si aisé.