THÈSE
PRÉSENTÉE À
L'UNIVERSITÉ DE BORDEAUX 1
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR
PAR
Vincent PRODJINONTO
POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : MÉCANIQUE & ÉNERGÉTIQUE
____________________
CONTRIBUTION A L’ECONOMIE D’ENERGIE DANS LE BÂTIMENT : MESURE DE CAPACITE DE STOCKAGE
DYNAMIQUE D’UNE PAROI
Soutenue le 15 décembre 2011 Devant la commission d'examen formée de :
M. Daniel.GUITARD Professeur Emérite Président du jury
M. Olivier FUDYM Professeur Ecole des Mines d’Albi Rapporteur M. Toyi ASSIH Professeur Université de Lomé Rapporteur M. Jean-Christophe BATSALE Professeur Université de Bordeaux I Directeur de thèse M. Antoine VIANOU Professeur Université d’Abomey Calavi Directeur de thèse M. Vincent HOUNDEDAKO Maître-Assistant Université d’Abomey-Calavi Examinateur M. Jean-Pierre NADEAU Professeur Université de Bordeaux I Invité N° d’ordre : 4449
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Remerciements
Au terme de cette longue épreuve de thèse, c’est un sentiment de satisfaction et de joie qui m’anime, sentiment de satisfaction et de joie que je voudrais légitimement partager avec tous ceux qui m’ont soutenu de près ou de loin par leurs conseils, leurs aides et sans qui je n’aurais pas pu obtenir ce résultat. Qu’il me soit tout d’abord permis de remercier sincèrement M. Olivier FUDYM, professeur à l’Ecole des Mines d’Albi et M.
Toyi ASSIH, professeur à l’université de Lomé qui ont accepté la fastidieuse tâche de rapporter mon document de thèse ainsi que M. Daniel GUITARD pour avoir présidé mon jury de soutenance et M Vincent HOUNDEDAKO Maître-assistant à l’EPAC et M. Jean- Pierre NADEAU professeur des universités à ENSAM pour avoir participé au jury respectivement en qualité d’examinateur et d’invité Ensuite, c’est vers mes encadrants que vont ma reconnaissance et mes remerciements . En premier, M. Jean-Christophe Batsale, professeur des universités à ENSAM, mon directeur de thèse, dont le mérite est grand dans cet aboutissement heureux car, malgré ses multiples et lourdes tâches, a accepté de s’éloigner de son marigot ‘des dimensions minces aux temps caractéristiques courts’, pour s’aventurer avec moi dans l’univers incertain ‘des épaisseurs aux temps caractéristiques longs’. A vous M. Antoine VIANOU, professeur à l’université d’Abomey- Calavi, mon Codirecteur, qui n’a eu de cesse de me dire : courage, vas-y ! tu peux y arriver ! Recevez ma reconnaissance et ma profonde déférence.
Durant un peu plus de trois années qu’ont duré ses travaux de thèse, j’ai côtoyé, croisé des enseignants, le personnel technique ainsi que des agents d’entretien qui m’ont apporté qui du réconfort, qui des conseils, qui une aide précieuse, qui un sourire bienveillant et amical qui m’ont fait en ces moments là beaucoup de bien. J’adresse à tout ce monde ma profonde gratitude. Je sais par ailleurs que rien ne peut valoir tout ce soutien et cette marque d’amour qu’ils m’ont témoignés. Je voudrais leur offrir ce bon résultat accompagné de toute ma reconnaissance. Vous l’avez bien compris, c’est un exercice compliqué est difficile que de se mettre à citer des noms. La moindre omission serait une faute impardonnable. Ne pas en citer le serait tout autant. C’est pourquoi, je prendrai le juste milieu en citant quelques uns et la sympathie contenue dans mes propos à leur égard sera valable pour tout le monde. M. Christophe PRADERE, chargé de recherche CNRS, j’ai reçu de vous le premier programme de thermogramme accompagné d’un algorithme dont j’ignorais qu’il fallait le mettre dans le directory pour faire tourner le programme. Merci ! M. David MOURAND ! Vous avez une qualité d’écoute que j’apprécie beaucoup. Merci de m’avoir consacré certains de vos précieux temps. M. Jean-Luc DAUVERGNE ! Vous m’avez aidé à écrire un programme de conversion d’images PNG en images JPEG merci. M. Alain SOMMIER ! Vous m’avez aidé à faire le montage qui a conduit à ce résultat. Vous êtes toujours de bonne humeur. Je vous envie pour ça. M. Alain OCHSEHNOFER ! Vous m’avez aidé à réaliser et poser mon capteur contre les parois du bâtiment ayant servi aux investigations. Votre humour est un facilitateur impressionnant des échanges. Je vous octroie ce beau résultat en compensation de toutes ces peines que vous vous êtes donné pour mettre au point le capteur. Un gros merci pour vous M. Waste AREGBA! Vos encouragements et conseils m’ont été d’un précieux secours. Muriel BORE ! Merci pour votre gentillesse et votre bonne humeur permanente.
J’ai partagé avec des collègues doctorants des moments de bonne ambiance où nous avons ri et passé des moments agréables. Mais nous avons aussi traversé des moments de balbutiement, de doute, menés par les caprices de manips qui tardent à dévoiler leurs secrets ou des programmes qui refusent de tourner, nous tirant par le bout du nez. Ces
3 moments là, je les ai connus et vécus avec des doctorants venus de divers horizons. Nous nous sommes faits des confidences, sommes entraidés, somme soutenus pour les traversés. Je vous remercie les ‘gars’ pour l’esprit de famille que vous avez su créer au labo TREFLE qui est un antidote efficace contre la solitude, le découragement et le désespoir. Je vous témoigne à tous ma sympathie et ma sincère amitié. Si votre chemin vous conduit un jour au Bénin, n’oubliez pas le nom PRODJINONTO Vincent. Vous serez accueillis avec tous mes soins.
Je voudrais adresser mes remerciements particuliers à Vigen AYVAZYAN ! C’est un jeune homme intelligent qui se reconnaît à son front, qui m’a tiré de biens de situations inextricables et qui se paie ma tête en m’appelant : Mon Vincent ou Vincent du Bénin.
Lilian CLERJAUD ! C’est le symbole vivant de générosité. Il fait partir d’une espèce rare en voie de disparition, qui donne sans compter, qui ne marchande pas ses services et qui peut suspendre ses propres problèmes pour voler au secours des autres. Je ne sais pas ce qu’un banal merci peut valoir devant tant de bonnes qualités humaines qui te caractérisent. Si tu me juge digne, capable de t’aider en quoi que ce soit, n’hésite pas.
Merci du fond du cœur.
A tous ceux qui ont souffert de mon absence au pays et qui ont consenti beaucoup de sacrifices, ceux qui ont porté mon fardeau pendant mon absence, ceux qui m’ont porté dans leur cœur et m’ont soutenu, je vous dédie cette thèse.
Mathieu, Narcisse, Edmond mes chers fils ! merci du courage dont vous avez fait preuve.
Vous voudrez bien offrir à votre tour cette thèse à votre Tonton Maxime, pour le consoler et lui demander pardon de toutes les peines que vous lui avez causé.
Un gros merci à toutes et à tous.
Je voudrais pour terminer, vous laisser méditer cette pensé d’Alexandre DUMAS
« Vivez et soyez heureux enfants chéris de mon cœur et n’oubliés jamais que, jusqu’au jour où Dieu daignera dévoiler l’avenir à l’Homme, toute la sagesse humaine sera dans ces deux mots : Attendre et Espérer »
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SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE ... 5
TABLE DES MATIERES CHAPITRE I ... 8
TABLE DES MATIERES CHAPITRE II ... 38
TABLE DES MATIERES CHAPITRE III ... 66
TABLE DES MATIERES CHAPITR IV ... 120
CONCLUSION GENERALE ... 152
5 INTRODUCTION GENERALE
La question de l’utilisation rationnelle de l’énergie s’est imposée ces dernières années, pour faire face à l’accroissement de son coût et aux conséquences catastrophiques sur l’environnement de son utilisation abusive. Le protocole de Kyoto (1997), qui faisait suite à la convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques New-York (1992), tirait déjà sur la sonnette d’alarme, en invitant les pays industrialisés à une limitation de leurs émissions de gaz à effet de serre. A la conférence de Copenhague décembre (2009) les inquiétudes par rapport aux variations anormales de la température de la planète ont été manifestées par les sommités scientifiques, qui ont émis le vœu que les émissions des pays industrialisés soient maintenues dans une fourchette entre -25% et -40% afin de limiter la hausse de la température moyenne de la planète à 2 degrés par rapport au début de l’ère industrielle. Six gaz à effet de serre particulièrement agressifs ont été dans le champ de mire de Kyoto, à savoir : le dioxyde de carbone (CO2); le méthane (CH4); l'oxyde nitreux (N2O); les hydrofluorocarbones (HFCs); l'hexafluorure de soufre (SF6). Ces gaz, pour la plupart d’origine fossile, rappellent que les carburants fossiles sont non seulement polluants, mais aussi qu’ils constituent une source d’énergie dont les réserves accusent une diminution constante.
Parmi huit grands secteurs, le bâtiment se révèle particulièrement énergétivore, et par voie de conséquence, l’un des secteurs les plus polluants. Par exemple, sur les 100% d’énergie produite en France, plus de 43% (ADME : programme de mesure 2007-2008) vont aux besoins des ménages et au secteur du bâtiment en général. La moyenne dans la communauté européenne se situe autour de 40%. Avec l’accroissement des ménages et la demande conséquente d’énergie, on peut facilement comprendre que les problèmes relatifs à l’énergie dans le bâtiment sus-évoqués : difficultés d’approvisionnement; la pollution (la plupart des gaz mis en cause se retrouvent d’une manière ou d’une autre dans nos ménages) vont s’enfler et devenir ingérables, surtout pour les pays aux ressources limitées, si des mesures ne sont pas prises. La maîtrise de la consommation d’énergie est devenue une préoccupation d’envergure internationale, soutenue au niveau de chaque état par une politique responsable de son économie, en attendant de trouver et de développer des mécanismes permettant de profiter des énergies renouvelables complémentaires ou de substitutions. La DIRECTIVE 2002/91/CE DU PARLEMENT EUROPEEN ET DU CONSEIL du 16 décembre 2002 a d’ailleurs fixé des normes pour les nouveaux bâtiments qui visent à réduire la consommation énergétique tout en garantissant le confort thermique par l’amélioration de l’efficacité thermique. Pour parvenir à cette économie dans le bâtiment, aucun moyen ne sera de trop. Plusieurs stratégies ont été mise en place comme par exemple, les traditionnels tests de solidité, auxquels se sont ajoutés la recherche et l’élimination si possible des ponts thermiques, afin de réduire au minimum les déperditions qui sont estimées à environ 30%
de l’énergie consommée. Le premier chapitre de cette thèse, intitulé : Revues de méthodes de CND ‘classiques’ (mécaniques, radioactives ou électromagnétiques) en regard de méthodes thermiques, fera le point sur les méthodes mécaniques est thermiques développées par la communauté scientifique, pour lutter contre la précarité, rechercher et supprimer les ponts thermiques, afin de limiter les déperditions énergétiques tout en
6 assurant le confort par l’amélioration de l’efficacité thermique du bâtiment. Toujours dans la stratégie de lutte contre les déperditions, de nombreux matériaux ont été conçus, dont les propriétés thermophysiques sont mal connues. De nouveaux outils mathématiques adaptés à la modélisation du bâtiment, permettent de traduire simplement de nombreuses configurations de conditions aux limites, offrant ainsi la possibilité de développer de nouvelles méthodes de CND, et l’estimation de fonction de transfert, dont la connaissance permet de prévoir le comportement du bâtiment par rapport aux sollicitations. Le chapitre 2 intitulé : Modélisation 1D transitoire de murs de bâtiment : des stratégies CND ou estimation de fonction de transfert, montre comment le formalisme des quadripôles peut être mis en œuvre pour réaliser le CND ainsi que les méthodes dédiées à l’estimation de fonction de transfert. Il est également montré, comment à l’aide de transformations mathématiques simples, on peut, à partir d’une excitation de forme quelconque, obtenir la réponse du système sous une forme d’excitation impulsion. L’avantage est que, dans le domaine du bâtiment, où l’on a besoin pour la mise en route de méthodes CND, d’importantes énergies de chauffage, et où l’excitation impulsion est inadaptée, on peut procéder à d’autres formes d’excitation, tout en conservant les méthodes de traitements simples de la méthode impulsionnelle. Il est donc apparu nécessaire, de revisiter la méthode
‘Flash’ associée à la thermographie pour le CND. Le chapitre 3 dont le titre est : Une méthode de CND thermique classique : la méthode flash adaptée à l’utilisation de caméras infrarouge - des méthodes de traitements de signaux - quelques résultats de la littérature appliqués au bâtiment - quelques résultats obtenus au sein de notre équipe de thermique (THERMICAR), rappelle les principes de la méthode flash et ses adaptations au CND. Bien entendu, la thermographie ne vaut que par des traitements appropriés des images thermiques obtenues. Nous avons alors rappelé les différentes méthodes qui sont communément pratiquées dans la méthode flash pour le CND. Nous avons par la suite tiré un exemple de la littérature montrant comment ces méthodes de traitements sont implémentées, et nous avons poursuivi, en présentant quelques résultats obtenus au sein de notre équipe de thermique.
La conservation d’énergie dans les parois internes du bâtiment, pour sa réutilisation future ou dans les parois externes pour se protéger contre les variations de température extérieures est un volet important dans les stratégies développées en vue de réaliser l’économie d’énergie dans le bâtiment. Le dernier chapitre, le chapitre 4 comporte notre contribution à l’effort d’économie d’énergie dans le bâtiment. Nous avons mis au point une technique permettant la mesure de capacité de stockage dynamique d’une paroi de bâtiment in-situ. La technique a été validée par la mesure de la capacité de stockage de chaleur du bâtiment NAPEVOMO implanté sur l’Esplanade des Arts et Métiers de Talence à Bordeaux. Il est intitulé : Contribution à la mesure de capacité de stockage dynamique d’une paroi de bâtiment.
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CHAPITRE 1
Revues de méthodes de CND ‘’classiques’’ (mécaniques, radioactives ou électromagnétiques) en regard de méthodes de
CND thermiques
8 TABLE DES MATIERES CHAPITRE I
Chapitre 1 : Revues de méthodes de CND ‘’classiques’’ (mécaniques, radioactives ou électromagnétiques) en
regard de méthodes de CND thermiques ... 10
Introduction ... 10
1. Etat de l’art des méthodes de CND des ouvrages en génie civil... 11
1.1 Auscultation dynamique ... 11
1.2 Essais de résistance à la pénétration ... 13
1.3 Essais de rebondissement ... 14
1.4 Essais d’arrachement... 16
1.5 Méthodes radioactives par les rayons et ... 16
1.6 La technologie Radar ... 17
1.7 La méthode de mesure par résistivité électrique ... 18
2. Les apports des méthodes thermiques au CND des structures de bâtiment ... 19
2.1 Thermographie passive ... 19
2.1.1 Principe ... 19
2.1.2 Application ... 21
2.2 Thermographie active ... 21
2.2.1 La thermographie du Lock-in ... 23
2.2.1.1 Principe ... 23
2.2.1.2 Application : Méthode de T. Sakagami et S. Kubo ... 25
2.2.2 Méthode de Maierhofer et al. ... 26
2.2.3 Méthode de CND par mesure de réflexion de sources lumineuses ... 30
Références bibliographiques ... 34
9 Nomenclature
Dénomination Signification Unités
Diffusivité de matériau
Chemin parcouru dans la matière Module d’élasticité
Epaisseur de matériau Module de cisaillement
, Intensités lumineuse incidente et émergente - Luminance de l’ambiance
Luminance de l’atmosphère Luminance reçue par la caméra Luminance propre d’objet luminance
Luminance propre d’objet Variation de luminance Température propre d’objet Variation de température
Nombre de diffuseurs Sans unité
, Onde rétrodiffusée et son amplitude - Section de diffusion
temps
, , Vitesse, longitudinale, transverse d’onde Symboles grecs
Coefficient d’atténuation d’ondes rétrodiffusées Position temporelle de diffuseur
Masse volumique
Coefficient de Poisson Sans unité
Coefficient d’absorption
Coefficient d’émissivité de l’objet Sans unité Coefficient de transmission de l’atmosphère Sans unité Constante de Stefan-Boltzmann
Temps caractéristique
10 Chapitre 1 : Revues de méthodes de CND ‘’classiques’’ (mécaniques, radioactives ou électromagnétiques) en regard de méthodes de CND thermiques
Introduction
Les méthodes de Contrôle-Non Destructif (CND) sont d’apparition récente dans le génie civil et sont nées de la nécessité où se trouvent les ingénieurs de garantir la sécurité des biens et des personnes (Code pénal, art. 221 – 1 : Article 223 – 1 Section 1 : Des risques causés à autrui). D’autres raisons historiques et économiques expliquent l’émergence de ce type de contrôle en Europe :
• Après les reconstructions d'après guerre puis le " boum " de la construction des années 60, le patrimoine bâti européen est vieillissant. L'état de dégradation des ouvrages en service implique une réflexion sur l'opportunité de leur rénovation et sur la notion de risque lié à leur maintien en service. La connaissance de l'état des ouvrages et leur évaluation est donc un enjeu majeur pour décider des interventions de réfection et pour en évaluer le rapport coût / utilité.
• Dans un souci de sécurité et de durabilité, les exploitants ont mis en œuvre des matériaux susceptibles de supporter des charges toujours plus importantes. Le comportement des nouveaux matériaux face à l'usure et à la fatigue reste assez mal connu. Il convient donc, parallèlement au développement des performances mécaniques, de concevoir des outils permettant de suivre la qualité des matériaux en œuvre et d'évaluer leur évolution dans le temps.
• Une nouvelle approche se fait jour sur la conception des ouvrages pour une durée de vie donnée. Cette approche rencontre une évolution de la gestion des ouvrages ou des parcs d'ouvrages dans le temps, qui privilégie la prévision des dépenses de maintenance sur la durée de service prévue de l'ouvrage. Les gestionnaires d'ouvrages, pour mener leur politique d'entretien, ont donc maintenant besoin d'une évaluation continue de la valeur résiduelle des ouvrages.
Pour ces raisons, les méthodes de CND étaient plus développées dans un souci de mesure de la résistance des ouvrages. Ce n’est que récemment, à cause de l’accroissement des dépenses d’approvisionnement en énergie et des effets néfastes sur l’environnement de sa consommation, que de nouvelles techniques sont apparues, non pas seulement pour le CND, mais aussi pour la caractérisation des nouveaux matériaux créés aux fins de réduire au minimum les déperditions énergétiques, tout en assurant la sécurité et le confort dans le bâtiment.
Nous exposons dans un premier temps, les méthodes de CND et de caractérisation les plus couramment pratiqués en génie civil. Ensuite, nous aborderons les tentatives des méthodes thermiques à la maîtrise et à la quantification de l’énergie dans le bâtiment.
11 1. Etat de l’art des méthodes de CND des ouvrages en génie civil
Dans une perspective de développement durable, la mise en place d’une procédure de gestion et d’entretien du patrimoine bâti devient une des préoccupations essentielles des maîtres d’ouvrages de Génie Civil. La méthode normalisée utilisée, pour évaluer la qualité du béton dans le bâtiment ou dans les ouvrages comprend, les essais de résistance à la compression, à la flexion et à la traction, effectués sur des éprouvettes coulées au même moment. Mais cette méthode à beaucoup d’inconvénients qui proviennent du fait que : les résultats ne sont pas immédiatement disponibles ; le béton des éprouvettes peut être différent de celui de l’ouvrage, par le fait même que la cure ou le compactage peuvent être différents ; d’autre part, les propriétés de résistance d’une éprouvette dépendent de sa grosseur et de sa forme. Comme il n’est pas possible d’obtenir par mesure directe, une estimation des propriétés de résistance du béton sans le détruire, plusieurs méthodes d’évaluations non-destructives ont été mises au point [1]. Elles s’appuient sur certaines propriétés physiques du béton liées à sa résistance qui peuvent être mesurées par des méthodes non destructives. Parmi ces propriétés physiques du béton, on peut citer la dureté, la résistance à la pénétration des projectiles, la capacité de rebondissement et la capacité de transmettre les impulsions ultrasoniques et les rayons X et gamma. Les méthodes non destructives couramment appliquées sont : essais d’auscultation dynamique, de résistance à la pénétration, à la compression, essais d’arrachement et essais radioactifs.
Une description succincte de ces méthodes sera présentée dans la suite avec leurs avantages et limites.
1.1 Auscultation dynamique
L’auscultation dynamique est une méthode complète, qui donne des renseignements, à la fois sur les grandeurs mécaniques (module de Young) que sur les gradeurs structurelles (compositions et densités) du matériau examiné.
Dans le cas du contrôle ultrasonore du béton, les ondes sont générées par exemple par des cristaux piézo-électriques à excitation par choc, également utilisés dans le récepteur [2]. Ces ondes, qui se propagent, subissent un ensemble de phénomènes, ou elles sont atténuées et leur vitesse modifiée, liés à la divergence géométrique du faisceau, à la dissipation sous forme de chaleur due à la viscosité du matériau et à la diffusion par interaction avec l’ensemble des diffuseurs qu’elles rencontrent. Ces diffuseurs sont les granulats, les grains de sables, les fissures et les microfissures voire les barres de renfort. Dans le cas des émissions d’ondes de fréquences adaptées, l’énergie du faisceau peut être transférée en ondes transmises cohérentes, en ondes transmises incohérentes ainsi qu’en ondes rétrodiffusées. Le signal rétrodiffusé reçu par le récepteur voir [3] peut être assimilé à la fonction
(1) dans laquelle, est l’amplitude initiale de l’onde, est le coefficient d’atténuation des ondes rétrodiffusées, est la vitesse des ondes ultrasonore dans le béton, est le temps,
12 est le nombre de diffuseurs, correspond à la section de diffusion qui dépend des caractéristiques du diffuseur et est la position temporelle du diffuseur.
Les essais consistant à mesurer la vitesse de propagation d’une impulsion permettent de déterminer les constantes élastiques (module d’élasticité, module de cisaillement) [4] par l’intermédiaire du temps de transmission de l’impulsion. Selon le type d’onde, les relations suivantes sont valables :
Ondes longitudinales dans un milieu étendu
(2) Ondes transversales dans un milieu étendu
(3) où et sont les vitesses longitudinale et transversale, la masse volumique du milieu, le module d’élasticité, le module de cisaillement et le coefficient de Poisson.
Toutefois, pour l’estimation correcte de ces vitesses, certaines précautions doivent être prises :
• La surface sur laquelle l’essai est effectué doit épouser parfaitement la forme de l’appareil qui lui est appliqué et une substance de contact telle une mince couche d’huile est indispensable.
• Le parcours doit être d’au moins 30cm de façon à prévenir toute erreur occasionnée par l’hétérogénéité du béton.
• Une augmentation de la vitesse des impulsions se produit à des températures sous le point de congélation à cause du gel de l’eau ; entre 5 et 30°C (41 et 86°F), la vitesse des impulsions n’est pas subordonnée à la température.
• La présence d’armature d’acier dans le béton a un effet appréciable sur la vitesse des impulsions. Il est par conséquent souhaitable et souvent indispensable de choisir des parcours d’impulsions ne comprenant pas d’armature d’acier ou le cas contraire, d’effectuer des corrections.
Les méthodes consistant à estimer le coefficient d’atténuation [3], donnent des renseignements sur la structure du béton : fissures, porosité, humidité, la position d’armature. C’est un coefficient qui croit avec la densité des diffuseurs rencontrés.
Avantages et limites
La méthode consistant à mesurer la vitesse de propagation des impulsions est une méthode idéale pour déterminer l’homogénéité du béton. Elle peut être utilisée autant sur les ouvrages modifiés que sur ceux en construction. Généralement, lorsque de grands écarts de la vitesse de propagation de l’impulsion sont observés sans causes apparentes dans l’ouvrage, il y a lieu de soupçonner que le béton est défectueux ou altéré.
13 Une vitesse élevée de propagation des impulsions indique généralement un béton de bonne qualité. Une interprétation possible entre la qualité du béton en relation avec la vitesse de diffusion des impulsions est donnée dans le tableau1 suivant [5].
Tableau I. Qualité du béton et vitesse de propagation des impulsions Qualité Vitesse de propagation des impulsions, excellente supérieure à 15000
bonne 12000 - 15000 douteuse 10000 - 12000 mauvaise 7000 - 10000 très
mauvaise
Inférieure à 7000
De façon générale, la réduction de la vitesse de propagation des impulsions est relative à l’importance des dommages. Les fissures, la porosité, et l’humidité, peuvent aussi être détectées. L’exploitation des résultats de l’essai d’auscultation dynamique, dans le but de déterminer l’importance des dommages, doit néanmoins être faite avec grand soin puisque ces résultats sont souvent difficiles à interpréter. Il arrive quelquefois que les impulsions ne se propagent pas dans la partie endommagée du béton.
En résumé, les essais d’auscultation dynamique sont très efficaces pour contrôler la bonne santé du béton, et particulièrement pour évaluer l’homogénéité et détecter les fissures ou les imperfections. Ces essais ne sont toutefois pas aussi efficaces pour évaluer la résistance à cause du grand nombre de variables influençant la relation entre la résistance et la vitesse de propagation des impulsions.
1.2 Essais de résistance à la pénétration
La sonde de Windsor est généralement reconnue comme le meilleur moyen pour exécuter l'essai de résistance à la pénétration. L'équipement comprend un pistolet à poudre, des sondes en alliage durci, des cartouches chargées, une jauge de profondeur pour mesurer la pénétration des sondes et d'autres accessoires connexes. Une sonde de 6,5 mm de diamètre et de 8,0 cm de longueur est enfoncée dans le béton au moyen d'une charge de poudre de précision. La profondeur de la pénétration fournit une indication de la résistance du béton à la compression. Quoique des tableaux d'étalonnage soient fournis par le fabricant, l'instrument doit être étalonné selon le type de béton et le type et la grosseur des granulats utilisés.
14 Limites et avantages
Cette méthode donne des résultats variables, et il ne faut pas s'attendre à obtenir des mesures précises de la résistance du béton. Cet essai a toutefois l'avantage de fournir un moyen rapide de contrôler la qualité et la maturation du béton coulé sur place. Il fournit aussi un moyen d'évaluer le développement de la résistance par la cure. Cet essai est essentiellement non destructif puisqu'il peut être effectué sur place sur le béton et les éléments de charpente, et qu'il ne nécessite qu'un rebouchage mineur des trous sur les faces qui ont subi l'essai.
1.3 Essais de rebondissement
L'essai au marteau est destiné à mesurer la dureté superficielle du béton et il existe une corrélation empirique entre la résistance et l'indice sclérométrique qui est un code composé d’une lettre (donnant une indication sur la qualité du béton) et d’un nombre (donnant une indication sur sa résistance à la pression). Le marteau de Schmidt (voir figure 1) est le seul instrument connu qui utilise le principe du rebondissement pour les essais sur le béton. Ce marteau a une masse approximative de 1,8 kg et convient aux essais en laboratoire comme aux essais sur le chantier. Une masse commandée par un ressort se déplace sur un plongeur dans un tube de protection. La masse est projetée contre la surface de béton par le ressort, et l'indice sclérométrique est mesuré sur une échelle. La surface sur laquelle l'essai est effectué peut être horizontale, verticale ou à tout autre angle, mais l'appareil doit être étalonné à la position où il sera utilisé.
Figure 1 : Type de marteau Proceq N de béton
L'étalonnage peut être effectué avec des éprouvettes cylindriques de 15 x 30 cm2 constituées du même ciment et des mêmes granulats que ceux utilisés pour l'ouvrage. Les éprouvettes cylindriques doivent être recouvertes d'un chapeau, et être fermement retenues par compression. Il faut effectuer plusieurs lectures bien réparties et
15 reproductibles, la moyenne représentant l'indice sclérométrique de l'éprouvette. Ces opérations doivent être répétées avec plusieurs éprouvettes cylindriques pour déterminer la résistance à la compression.
Des scléromètres pré étalonnés, à usage facile, pour de simple estimation de la résistance de l’objet testé, comme le PCE-HT 225A sur la figure 2 sont actuellement disponibles sur le marché. Ce scléromètre pour vérifier le béton est basé sur le principe de Schmidt. La vérification s’effectue toujours sous une énergie de test de 2207J.
Figure 2 : Scléromètre pour le béton PCE-225A
L’énergie cinétique de rebond est donnée dans le scléromètre comme mesure de la dureté du béton, de la pression sur la surface ou de la résistance à la pression (kgf/cm2 ou sa conversion en N/mm2). La qualité du béton est évaluée sur la base de sa résistance à la pression, puisqu’il s’agit d’une valeur d’orientation pour vérifier la capacité de charge et la durabilité des constructions en béton. La résistance à la pression est donnée sous forme d’une série de chiffres et de lettres. Par exemple B25 signifie qu’il s’agit d’un béton normal avec une résistance à la pression de 25 N/mm². D’autres indices intermédiaires s’étalant jusqu’à la classe supérieure de résistance B55 existent comme l’indique le tableau de la figure 2.
Avantages et limites
Le marteau de Schmidt est une méthode peu coûteuse, simple et rapide pour connaître la résistance du béton, mais une précision entre ±15 et ±20% n’est possible qu’avec des éprouvettes qui ont été coulées et soumises à un traitement de cure et à des essais dans les conditions pour lesquelles les courbes d’étalonnages ont été établies. Les résultats sont influencés par des facteurs tels que l’état de surface, la grosseur et la forme de l’éprouvette, le degré d’humidité du béton, le type de ciment et la grosseur des granulats ainsi que le degré de carbonatation de la surface.
Tableau de la partie postérieure
16 1.4 Essais d’arrachement
Un essai d'arrachement permet de mesurer, à l'aide d'un instrument spécial, la force nécessaire pour extraire du béton une tige d'acier spécialement profilée et dont l'extrémité élargie, a été noyée dans le béton à une profondeur de 7,6 cm. Le béton est soumis simultanément à un effort de traction et de cisaillement, mais la force nécessaire pour provoquer l'arrachement peut être fonction de sa résistance à la compression. L'essai d'arrachement permet ainsi de mesurer quantitativement la résistance du béton coulé sur place lorsque des corrélations appropriées ont été effectuées. Il est constaté que, dans bon nombre de cas, la résistance à l'arrachement a un coefficient de variation comparable à celui de la résistance à la compression [6].
Limites et avantages
Quoique les essais d'arrachement ne permettent pas de mesurer la résistance intérieure du béton de masse, ils fournissent des indications sur la maturation et le développement de la résistance dans une partie représentative du béton de masse. De tels essais ont l'avantage de donner une mesure quantitative de la résistance du béton coulé sur place. Le principal désavantage de ces essais est qu'ils exigent une préparation, et que l'ensemble nécessaire à l'arrachement doit être mis en place dans le coffrage avant que le béton soit coulé.
L'arrachement cause bien sûr quelques dommages mineurs. Cet essai peut toutefois être non destructif si l'application de la force minimale d'arrachement est arrêtée avant la rupture, mais il faut s'assurer qu'une résistance minimale a été atteinte. Ces renseignements sont d'une grande valeur pour savoir à quel moment les coffrages peuvent être enlevés sans danger.
1.5 Méthodes radioactives par les rayons et
Les rayons et sont des ondes électromagnétiques comme les faisceaux lumineux ordinaires, mais ils ont une longueur d’onde sensiblement inférieure et une énergie de rayonnement supérieure aux rayons lumineux. L’énergie de rayonnement élevée confère aux rayons et la propriété de pouvoir pénétrer et de traverser des corps opaques à la lumière ordinaire. A l’intérieur de la matière, l’intensité diminue selon la loi d’absorption de Berr
(4)
17 et sont respectivement l’intensité incidente et l’intensité émergente, est le chemin effectivement parcouru dans la matière, sans tenir compte des cavités présentes, et est le coefficient d’absorption.
Ces méthodes d’essais radioactifs sur le béton, peuvent être utilisées pour détecter l’emplacement des armatures, pour mesurer la densité du béton et pour déceler la présence de nids de gravier dans des éléments porteurs. En effet, le coefficient d’absorption dépend de la densité des composants traversés ; il croît avec la densité. Ces essais sont de plus en plus acceptés en Europe. L’équipement est assez simple et les coûts d’exploitation peu élevés quoique le coût de l’équipement de base peut être élevé. Le béton dont l’épaisseur ne dépasse pas 45 cm peut être examiné sans difficultés.
Remarque :
Les équations 1 et 4 découlent de la même loi de Berr. Mais dans le cadre de l’utilisation des rayons et , elles sont plus appropriées à l’étude des variations de densité.
D’autres méthodes de CND, d’apparition récente, comme la technologie Radar ou la mesure de Résistivité peuvent également être mentionnées.
1.6 La technologie Radar
Le RADAR (Radio Detecting And Ranging) est une application de l’électromagnétisme. Le dispositif émet de l’énergie électromagnétique (EM) qui se propage dans le milieu et se réfléchit sur des interfaces présentant un contraste de propriétés EM. L’analyse du signal enregistré (vitesse et atténuation) peut donner des informations pertinentes comme la position de la cible ou les caractéristiques EM du milieu de propagation. De plus, le radar présente de nombreux avantages. En effet, la technique est simple d’utilisation, rapide et permet l’auscultation de grandes surfaces. En outre, le système de mesure est portable, léger et peu encombrant.
La sensibilité des ondes radar à l’état d’humidité des matériaux (sol, béton) a été rapportée par de nombreux auteurs [7–10]. L’augmentation de la teneur en eau du béton conduit à une forte variation des paramètres du signal radar. Ceci est généralement dû à l’augmentation de la permittivité et de la conductivité du béton. Ainsi, la présence d’humidité et/ou de fissures remplies d’eau peut affecter le comportement du signal radar.
Du plus, ce signal radar nécessite la présence d’un réflecteur (armatures, interface) dans la structure [11]. Ce qui limite donc les investigations à des structures en béton très ferraillé.
18 1.7 La méthode de mesure par résistivité électrique
Elle est utilisée notamment pour localiser des zones présentant une probabilité de corrosion des barres d’armatures [12], mais aussi pour caractériser la fissuration dans le béton [13].
La méthode de mesure par résistivité électrique consiste en une auscultation du béton à partir de la surface. A cet effet, le Centre de Développement en Géosciences Appliquées de l’Université de Bordeaux 1 a développé un dispositif carré comportant quatre électrodes (voir figure 3). Deux électrodes permettent d’injecter une intensité de courant connue dans la structure. Puis, la différence de potentiel créée par le passage du courant dans le béton est mesurée par les deux autres électrodes.
Figure 3 : Principe de la mesure électrique par un dispositif carré Extrait de [13]
Il s’en suit [13], que la résistivité électrique du matériau est proportionnelle à un facteur k dépendant de la géométrie et des dimensions du dispositif. Le dispositif utilisé est un quadripôle carré de 5cm de côté. En première approximation, la profondeur d’investigation correspond à l’écartement des électrodes. Avec l’aide d’un commutateur, deux directions d’injection du courant sont possibles pour chaque mise en place du dispositif porte- électrodes. Il peut ainsi être possible d’étudier l’anisotropie du matériau. La forte présence d’eau dans le béton, la formation de micros et macros fissures et la présence de gel, sont autant de facteurs auxquels la méthode doit être sensible [12]. En conséquence, la nature du défaut et sa localisation précise sont très délicates à obtenir.
Conclusion
De façon générale, on retient qu’une structure de bâtiment est considérée comme constituée d’une partie résistive et d’une partie capacitive. Les méthodes précédemment exposées visent à estimer exclusivement l’un ou l’autre de ces paramètres, ou les deux à la fois. Ces méthodes sont pour la plupart, très faciles à mettre en œuvre in situ. Cependant, les données issues des essais ne sont pas faciles à interpréter et les valeurs chiffrées
19 obtenues ne donnent qu’une indication sur l’état de santé du béton ou de la structure examinée.
2. Les apports des méthodes thermiques au CND des structures de bâtiment
Ces dernières années, d’autres préoccupations d’ordre énergétique son apparues, provoquées par l’accroissement des prix des énergies conventionnelles et les problèmes environnementaux résultant de leur consommation. Le secteur du bâtiment à lui tout seul, dispose de près de 43% de l’énergie produite en France et est responsable d’environ 23%
des émissions de gaz à effet de serre (ADME, programme de mesure 2007-2008). Il devient alors urgent de réduire ses taux au minimum. Les stratégies passent par la création de nouveaux matériaux devant assurer une meilleure isolation des bâtiments, mais aussi par le développement et la mise en œuvre des outils de contrôle et de réduction des déperditions à travers les composants du bâtiment.
Dans les paragraphes suivants, nous aborderons les apports de la thermographie infrarouge à la lutte contre les déperditions d’énergie.
2.1 Thermographie passive
La thermographie est dite passive lorsque, les objets d’une scène thermique visée par une caméra infrarouge sont excités de l’intérieur ou de l’extérieur par des sources thermiques incontrôlées.
2.1.1 Principe
Une caméra infrarouge dont l’objectif est dirigé vers une scène thermique, opère une sélection des objets qui s’y trouvent en fonction de leur température et de leur émissivité respectives. En effet, tout matériau absorbe et émet de l’énergie appelée rayonnement thermique dans la gamme spectrale des infrarouges dépendant de sa température de surface [14]. La caméra infrarouge dont la gamme spectrale couvre les longueurs d’onde d’émission des objets, capte ce rayonnement lié à la luminance et une électronique d’interprétation convertit le rayonnement reçu en signaux électriques. Mais, ce rayonnement reçu n’est pas que l’émission propre de l’objet visé, il comprend aussi, la réflexion sur l’objet de l’énergie d’excitation et l’émission de l’atmosphère séparatrice. La
20 figure 4 montre les phénomènes physiques partie prenante de l’information reçue par la caméra.
Figure 4 : Composition du rayonnement reçu la caméra infrarouge (schéma extrait de [15]) Le bilan des flux thermiques entrant dans la caméra se présente [16] comme suit
(5)
où désigne la luminance reçue par la caméra, la luminance propre de l’objet, la luminance de l’environnement, la luminance de l’atmosphère, le coefficient d’émissivité de l’objet et le coefficient de transmission de l’atmosphère.
La température mesurée par la caméra infrarouge est donc fort logiquement fonction de la température de l’objet, de la température de l’ambiance, de la température de l’atmosphère, de le coefficient d’émissivité de l’objet et de le coefficient de transmission de l’atmosphère.
(6) En résumé, la mesure de température passive a pour objet, l’utilisation du contraste d’émissivité et de température d’un objet avec son environnement pour le détecter et le caractériser.
Flux émis au travers de l’atmosphère Flux émis
par l’objet
Flux réfléchi
par l’objet Flux émis par l’atmosphère
21 2.1.2 Application
La thermographie passive a été mise en œuvre par (Rivard et al.) [16] pour mesurer la température apparente de blocs de béton à des fins de contrôle non-destructif. L’influence de l’environnement et les hypothèses faites sur l’homogénéité du matériau (température et émissivité constantes dans le temps et dans l’espace) ont rendu l’exploitation des valeurs numériques très délicates. En effet, les comportements différentiels ou de contrastes de températures peuvent être tout aussi bien provoqués par l’humidité, la présence de gel, la présence de micro ou macro fissures susceptibles de modifier la diffusivité thermique du béton. Il est donc très difficile d’associer les variations de températures obtenues à un défaut particulier. Les initiateurs de l’essai ont conclu à l’inefficacité de la méthode à la détection d’endommagement dans les structures de génie civil.
2.2 Thermographie active
Pour contourner les difficultés engendrées par l’intervention des sources parasites (émissions environnementales et atmosphériques notamment), contribuant au rayonnement reçu par la caméra infrarouge dans le cas de la thermographie passive, une énergie brève et spatialement homogène est envoyée sur le matériau à examiner et son évolution suivie dans le temps avec une caméra infrarouge: c’est la thermographie active.
Son principe a été développé par Nordal en 1979. Une source lumineuse produit une excitation pouvant être ponctuelle [17], périodique modulée [18], ou aléatoire [19].
L’énergie ainsi produite est absorbée par le matériau de température initiale . Il s’en suit une élévation de température de de sa surface d’émissivité . Il émet alors un flux de chaleur sous la forme d’un rayonnement thermique qui peut être exprimé selon la loi de Stefan-Boltzmann par:
(7) où
(8) d’où
(9) Où :
22 et
avec la constante de Stefan-Boltzmann.
Si la variation de température n’est pas trop grande (quelques Kelvin), la loi de refroidissement de Newton s’applique, et alors:
(10) Ainsi donc la variation de flux de chaleur émise par la surface et proportionnelle à la variation de sa température:
C’est cette grandeur qui est mesurée via les détecteurs de la caméra infrarouge et convertie en signaux électriques par une électronique. De l’évolution de cette variation de température enregistrée par la caméra en face arrière du matériau, il est possible de déduire ses propriétés thermiques. En effet, l’ordre de grandeur du temps caractéristique de diffusion de l’énergie excitatrice est donné par:
(11) où désigne l’épaisseur du matériau et sa diffusivité.
Dans le bâtiment, les épaisseurs des matériaux sont de l’ordre de quelques dizaines de centimètres et les diffusivités relativement faibles, ce qui induit un temps caractéristique extrêmement long.
Toutes les difficultés des méthodes thermiques à s’appliquer au bâtiment et aux ouvrages en général, proviennent des perturbations d’émissions parasites dans le cas de la thermographie passive, ou du temps de diffusion très long dans le cas de la thermographie active.
Dans les applications de la thermographie à la caractérisation et au CND dans le génie civil, l’excitation impulsionnelle dite méthode ‘flash’, et l’excitation aléatoire ne sont que très peu mises en œuvres. Cependant, elles constituent une base théorique difficilement contournable quant on aborde les méthodes thermiques. Nous reviendrons en détail dans le chapitre 3 sur ces formes d’excitation avec quelques résultats obtenus sur des composants de bâtiment et les possibilités de simulation qu’elles offrent. Mais avant, nous exposerons les tentatives de CND et de caractérisation en génie civil basées sur les excitations modulées et ses variantes.
23 2.2.1 La thermographie du Lock-in
2.2.1.1 Principe
Dans son principe, le lock-in consiste à soumettre la surface du matériau à inspecter à une excitation périodique. Celle-ci se propage à l’intérieur du matériau où elle se réfléchit aux limites de défaut éventuel, puis remonte en surface se superposer à l’onde initiale. Une transformée de Fourier des images thermiques permet, par l’analyse des images d’angle et de phase, de révéler ce défaut.
Etant donné que la longueur de diffusion thermique est un paramètre important relatif à la profondeur de pénétration [20], il s’est avéré très vite que l’imagerie des caractéristiques sous surface d’un matériau nécessite de très basses fréquences et des temps longs correspondants, pour obtenir une image photothermique. Or, les matériaux concernés dans le génie civil sont de quelques dizaines de centimètres d’épaisseur et une image obtenue pixel par pixel dans une gamme de fréquences autour de 1Hz peut facilement prendre plusieurs heures. Une approche permettant de réduire le temps d’inspection est la thermographie du Lock-in où, la basse fréquence d’onde thermique est générée simultanément sur toute la surface du composant inspecté et surveillée partout sur plusieurs périodes par modulation de cycle, dans le but d’obtenir aussi bien une image d’amplitude que de phase par modulation de température [21-24]. Ainsi le temps d’inspection est réduit à quelques modulations de cycles. Il existe en faite deux techniques de thermographie du lock-in. La méthode optique ou thermique et la méthode ultrasonique.
Dans la méthode optique, des ondes thermiques sont envoyées sur toute la surface du matériau à sonder. L’intensité d’absorption par modulation de radiation, génère alors sur toute la surface, une onde thermique qui se propage à l’intérieur où elle est réfléchie aux limites des obstacles que constituent les défauts, puis remonte à la surface se superposer à l’onde initiale (voir figure 5 à gauche). De cette façon, un défaut sous surface est révélé par un changement local d’angle de phase. L’image d’angle de phase obtenue est donc un mélange de celle de la zone saine et celle de la zone défectueuse. Le défaut peut être par conséquent détecté par comparaison de l’image obtenue avec un échantillon de référence ou par confrontation avec les caractéristiques attendues fournies par la théorie.
Quant à la méthode ultrasonique, une onde élastique est envoyée dans tout le volume du matériau observé. Celle-ci se propage à l’intérieur de matériau jusqu’à ce qu’elle se transforme en chaleur. Mais, un défaut cause des pertes localement accentuées dues à sa faiblesse mécanique par rapport à son environnement, et par conséquent une concentration de contraintes sous des charges périodiques. Cet amortissement important au niveau des zones de défaut fait que les ultrasons sont converties en chaleur [25-26]. Ainsi, comme une modulation d’amplitude d’onde se traduit par une génération de chaleur périodique, un
24 défaut est alors transformé en une source locale d’émission d’onde thermique (voir figure 5 à droite).
Figure 5: Principe optical (à gauche) et ultrason lock-in thermographie (à droite) (Extrait de [28]).
Cette émission peut être détectée via la modulation de la température à la surface qui est analysée par la thermographie lock-in synchronisée à la fréquence de modulation d’amplitude d’onde [27]. Les images d’amplitude montrent alors l’ampleur des pertes mécaniques locales, révélant ainsi l’étendue du défaut. La technique est très efficace car elle révèle en même temps tous les défauts puisque ceux-ci émettent des ondes sélectives propres à leurs caractéristiques.
Il est également important de souligner que dans la méthode optique, la caméra synchronisée avec l’unité lock-in, qui commande une lampe halogène générant le signal de référence, sont placées du même côté de l’échantillon (voir figure 6 à gauche). Par contre, dans la méthode ultrasonique, un transducteur situé en face arrière du matériau, génère à partir d’un point fixe des ondes à travers tout le volume du matériau. Il est excité par un amplificateur ultrasonique commandé par l’unité lock-in synchronisée avec la caméra qui, eux, sont placées en face avant (voir figure 6 à droite).
Figure 6 : Dispositif expérimental de la thermographie lock-in avec excitation à la lampe halogène (gauche) et excitation ultrasonique (droite)
25 2.2.1.2 Application : Méthode de T. Sakagami et S. Kubo
Le principe du lock-in précédemment décrit, a été adapté au domaine du génie civil par (Sakagami et Kubo) [29], pour tenter de localiser des défauts artificiels de décollement dans un bloc de béton de dimensions (1×1×0,3 m3), dans lequel sont disséminées des feuilles de mousse en polystyrène (10×10 cm2) de différentes épaisseurs t à différentes profondeurs d, pour créer des défauts artificiels (voir figure 7). Le signal de référence est généré par chauffage périodique par des lampes.
Figure 7 : Spécimen de bloc de béton face A (à gauche) face B (à droite) (extrait de [29]) Le dispositif expérimental est composé d’un ordinateur qui commande de façon synchrone une caméra infrarouge et l’unité lock-in. L’unité lock-in est reliée au boîtier de commande du réchauffeur qui commande douze (12) lampes de quartz. Le chauffage périodique est assuré en commutant alternativement, grâce au relais du boîtier, les lampes selon le signal de référence. Des données de rayonnement infrarouge de la surface du spécimen sont mesurées par la caméra infrarouge et transférées à l’ordinateur contenant l’algorithme informatique du lock-in par une carte de capture d’image (voir figure 8).
Figure 8 : Schéma du système de contrôle-non destructif du lock-in thermographique Extrait [29]
26 Après l’application du Lock-in au bloc, et la mise en évidence de la position et de la taille des défauts de décollement par le secteur des changements de contraste des images de retard de phase, les auteurs [29], ont par la suite tenté de localiser précisément ces défauts. A cette fin, la différence de phase est calculée entre la moyenne des amplitudes enregistrées par la caméra infrarouge en chaque zone présentant un contraste dû à un défaut et la moyenne de l’ensemble des amplitudes enregistrées sur le spécimen. Les courbes d’évolution de en fonction des périodes (durées) de chauffage sont représentées sur la figure 9.
Figure 9 : Relation entre la différence de phase et la période (durée d’excitation) obtenue pour différentes profondeurs de défauts (Extrait de [29])
L’observation de ces courbes montre que chacune d’elles passe par un pic à un certain moment au cours de la durée de chauffage . Il est également remarquable que le moment où une courbe passe par son pic est d’autant long que le défaut de décollement est profond.
De plus, pour les défauts situés à 2 cm de profondeur, toutes les courbes passent aux valeurs négatives après 30 min de chauffage.
Les initiateurs de la méthode pensent qu’il est possible d’exploiter ces constats entre la différence de phase est la période de chauffage , pour l’évaluation quantitative des profondeurs de décollement.
2.2.2 Méthode de Maierhofer et al.
Maierhofer propose une estimation quantitative de profondeurs de défauts sous une dalle de béton par méthode inverse. Avant de détailler la méthode, nous présentons d’abord les résultats qualitatifs issus des manipulations expérimentales.
27 Le dispositif expérimental est montré sur la figure 10. Il se compose d’un dispositif de chauffage électrique, d’une caméra infrarouge (Inframétric SC 1000) et d’un système
Figure 10 : A gauche : installation expérimentale pour des mesures de chauffage- thermographie montrant le spécimen d’essais, le radiateur, la caméra infrarouge et l’unité informatique. A droite : spécimen d’essais avec des cubes en polystyrène simulant des vides.
Extrait de [31]
informatique permettant l’enregistrement des données numériques en temps réel. Le dispositif de chauffage thermique contient trois radiateurs infrarouges ayant une puissance de 2400W chacun. Les radiateurs sont disposés verticalement et déplacés perpendiculairement à la surface de la dalle de béton, afin d’assurer un chauffage homogène. La dalle a un volume de 1,5×1,5×0,5m3 au sein duquel huit (8) défauts artificiels de tailles 20×20×10 cm3 et 10×10×10 cm3 sont disséminés à différentes profondeurs.
Pour la recherche sur ce spécimen d’essais, six (6) cycles de chauffage périodiques ont été exécutés avec des temps de chauffage allant de 5 à 60 minutes. Au cours d’un cycle, le processus de diffusion de chaque impulsion de chaleur au sein du spécimen est enregistré, ainsi que le processus de refroidissement au terme d’un cycle. Les données transitoires obtenues sont ensuite analysées par FFT. Il est alors possible de visualiser les images (voir figure 11) de thermogrammes, d’amplitudes et de phases.
28 Figure 11 : Au-dessus : thermogrammes enregistrés après 0 ; 34,5 ; 68,5 ; et 102,8 min de refroidissement après une période de 30 min de chauffage. Milieu : images d’amplitudes à différentes fréquences. En bas : images de phases à différentes fréquences. Extrait de [31]
Dans la figure 11, au-dessus, pour un temps de chauffage de 30 min, quatre thermogrammes sont enregistrés après différents temps de refroidissement entre 0 et 100 min. Dans chaque thermogramme, les couleurs grises sont comptées pour minimum de température et les couleurs blanches pour maximum de température. On peut voir qu’immédiatement après la coupure de la source de chauffage, les vides peu profonds numéros 3 et 4 et les numéros de 5 à 8 sont visibles. Les vides plus profonds apparaissent après un temps de refroidissement de 30 min. Dans les images du milieu et du fond dans la figure 11, sont montrées respectivement, les images d’amplitude et de phase à différentes fréquences. Il est remarquable que, pour les basses fréquences, tous les vides sont visibles. Avec l’augmentation de la fréquence, seuls les vides peu profonds demeurent. Ceux-ci sont plus clairement observés dans les images de phase que d’amplitude aux plus hautes fréquences, preuve que les images de phase sont peu sensibles aux perturbations extérieures.
Nous abordons dans cette partie l’aspect quantitatif de la méthode. Tout d’abord, nous faisons remarquer que, d’après le paragraphe précédent, il existe une certaine corrélation entre les pics de température et un moment assez long pendant chaque période de chauffage et que ces quantités constituent en quelque sorte, une signature de la profondeur d’un défaut particulier. Ce sont ces données expérimentales qui seront exploitées dans la démarche que propose Maierhofer.
29 Un logiciel développé, basé sur un schéma aux différences finies, mis au point par [30], simule une impulsion de chauffage sur la surface du spécimen pendant un temps défini et calcule le transfert de chaleur à l’intérieur. Ce logiciel à l’avantage de prendre en compte l’influence des conditions environnementales ainsi que les paramètres physiques et géométriques du spécimen. Des valeurs optimales de paramètres ont pu être dégagées après une étude systématique de leur influence sur le transfert de chaleur au sein du spécimen. Il a été ainsi possible d’obtenir des valeurs de température à chaque nœud (point) de la surface et une matrice de données constituée et traitée conformément aux données expérimentales. Il est important de souligner que l’étude de simulation a porté sur dix (10) vides de taille 10×10×10 cm3 situés à différentes profondeurs de 1 à 10 cm. Les temps de chauffage sont respectivement : 5 min ; 15 min et 45 min. Les températures maximales
et les temps maxima correspondant à chaque vide ont pu être calculés et ceci, pour chacun des trois (3) temps de chauffages. Les courbes des variations de en fonction des profondeurs sont présentées sur la figure 12.
Figure 12 : en fonction des profondeurs. Les lignes en pointillées montrent les valeurs de obtenues expérimentalement dont les profondeurs correspondantes pourraient être lues. Extrait de [31]
La dernière étape (méthode inverse) consiste, à partir des obtenus expérimentalement, à retrouver les profondeurs correspondantes, à l’aide des courbes de la figure 12 issues des calculs de simulation et à les comparer aux profondeurs réelles. Pour cela, les temps
correspondant aux trois (3) périodes de chauffage 5min ; 15min et 45 min peuvent être repérés sur l’axe des ordonnées (l’axe des ) et projetés sur les courbes correspondantes et en suite projetés sur l’axe des abscisses (l’axe des profondeurs) pour une simple lecture des profondeurs correspondant aux valeurs de expérimentales. Les lignes en pointillées
30 sur la figure 12 montrent ces projections uniquement pour le temps de chauffage de 15min et pour quatre profondeurs.
La comparaison entre les valeurs lues et les valeurs réelles est donnée dans le tableauII Extrait de [31] pour les quatre plus grandes profondeurs.
Détermination de profondeur de défaut par la solution inverse Numéro de vide Profondeur nominale
en cm
Profondeur moyenne de comparaison pour simulation en cm
1 2 3 4
8,0 6,0 4,0 2,0
6,3 ±0,4 5,2 ± 0,2 3,9 ± 0,5 2,6 ± 0,2
Les écarts moyens entre les valeurs de profondeurs mesurées et les valeurs réelles varient de -1,7 à 0,6. Les initiateurs de la méthode pensent que ces écarts sont dus, soit aux incertitudes de la méthode de simulation, soit aux profondeurs qui auraient changé lors de la concrétisation du spécimen.
Somme toute, la méthode est non-destructive, rapide et efficace, donnant des images directes de thermogrammes, d’amplitude et de phase de la surface sondée. L’analyse quantitative des données doit être davantage approfondie en vue d’améliorer la localisation précise d’un défaut dans des structures de génie civil. Enfin, elle reste encore une méthode de laboratoire qui pourrait s’exportée facilement sur le terrain puis que l’équipement n’est pas encombrant. Les seules difficultés de la mise en œuvre de la méthode résident dans la nécessaire connaissance des propriétés thermophysiques du matériau sain pour le renseignement du logiciel.
2.2.3 Méthode de CND par mesure de réflexion de sources lumineuses
La thermographie a déjà été utilisée dans de nombreux cas pour le CND dans les structures de génie civil [32]. Cependant, les mesures de réflexion avec une source lumineuse souffrent d’un inconvénient majeur. Il est quasiment impossible de distinguer entre les changements d’émissivité de la surface du matériau et l’influence de l’humidité capable de modifier localement sa diffusivité. De plus, de nombreuses sources parasites contribuent au signal enregistré. Pour contourner cette difficulté, (Wiggenhauser) [33] propose une méthode qui Tableau II : Des écarts entre valeurs mesurées et valeurs réelles
31 sépare l’effet de l’humidité d’autres facteurs en utilisant une lumière composée de deux sources modulables. Les flux de rayonnement intervenant dans le signal capté par la caméra infrarouge sont ainsi récapitulés sur la figure 13.
Figure 13 : Les contributions des flux radiatifs mesurés avec la caméra. et sont deux sources lumineuses qui sont modulées. et sont les signaux correspondants extraits de la caméra par (FFT).
Afin de séparer les lumières réfléchies des autres, les deux sources lumineuses sont modulées avec des fréquences appropriées, l’une basée sur une longueur d’onde dans la bande d’absorption de l’eau et l’autre de référence en dehors de toute influence d’eau . Enfin, une analyse fréquentielle du côté du détecteur permet de séparer les deux sources lumineuses. Les images de l’objet à ces deux longueurs d’onde peuvent ainsi être extraites. Pour le calcul de l’index d’humidité, la formule
est appliquée pour calculer la valeur de chaque pixel.
L’image de l’index d’humidité est visualisée comme image de gamme de gris. Les zones de forte humidité sont observées comme un accroissement de la valeur du gris (voir figures 14 et 15).
32 Figure 14 : Spécimens de briques avec différentes teneurs en eau (de gauche à droite : 100%, 36%, 57%, 79%, 14%). A gauche photographie, à droite thermogramme.
Figure 15 : Images des spécimens dans la longueur d’onde de référence (en haut à gauche) et dans la bande d’absorption de l’eau ( en bas à gauche) et une image synthétique des spécimens par combinaison des deux à droite.
La méthode est très efficace parce que très sélective. On peut en effet, distinguer nettement et classer les briques par ordre d’humidité à partir des images dans la bande d’absorption de l’eau et de celle de l’image synthétique. Mais elle reste encore une méthode de laboratoire.
Conclusion
Les apports des méthodes thermographiques au CND des ouvrages de génie civil sont prometteurs. L’équipement est simple, discret, sans contact, couvrant une surface
33 d’observation plus vaste. Cependant, les résultats demeurent pour l’instant des résultats de laboratoire. L’interprétation des données mesurées, sont comme dans le cas des méthodes mécaniques assez compliquées, rendue difficile par les perturbations extérieures qui influencent les mesures, et surtout par la nature complexe des structures de génie civil.
D’autre part, l’épaisseur des objets à sonder est relativement importante, avec une conductivité faible, ce qui induit un temps caractéristique assez long, forcé comme on est, d’opérer à des fréquences très basses de l’ordre du dixième de mm Hz.
Dans le chapitre 2 suivant, nous proposons la modélisation 1D transitoire d’une structure de génie civil, et des stratégies de recherche de défaut ou de fonction de transfert, qui
s’apparentent à la recherche d’élasticité ou de densité comme dans les méthodes mécaniques de CND que nous venons d’exposer dans le chapitre 1.
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