Contribution to the pratical use of dynamic testing for damage detection in bridges
Contribution à l'utilisation pratique de l'évaluation dynamique pour la détection d'endommagements dans les ponts
Résumé
The thesis presents a comprehensive approach for structural assessment of bridges based on dynamic testing. The two essential stakes are respectively the dynamic realization of tests under service loads and the detection and/or localization of damage. The first objective requires the development of appropriate modal identification techniques, while the second requires powerful, sensitive and reliable techniques which do not rely on numeric models (like finite elements models) often not available for all bridges.
The first part of this thesis is devoted to the problems of modal identification under ambient excitation, such as the realization of vibration tests, the choice of excitations and the interest to involve ambient excitations for testing. This part also details a vectorial form of the random decrement technique, which will be largely used to identify the modal parameters (frequencies, modes and damping ratios) of the structures studied within this dissertation. Its development also allows to extract some statistical results of the modal estimators.
The second part presents some of the most usually used strategies for the detection and the localization of damages and which only require the estimation of modal parameters ; this is the methods of flexibility, flexibility curvature and mode shapes curvature. A damage indicator method, based on the study of strain energy ratios between two measurement series, is also presented, detailed and generalized to the cases of three-dimensional beams and thin plates. By carrying out Monte-Carlo simulations, the sensitivy of these methods and their ability to detect and locate damages have been evaluated and analyzed by studying the probabilities of detection and false alarms.
In order to provide a practical use of dynamic testing as diagnosis method, the theoretical developments have been applied, validated and compared to experimental cases of beams and bridges.
The first part of this thesis is devoted to the problems of modal identification under ambient excitation, such as the realization of vibration tests, the choice of excitations and the interest to involve ambient excitations for testing. This part also details a vectorial form of the random decrement technique, which will be largely used to identify the modal parameters (frequencies, modes and damping ratios) of the structures studied within this dissertation. Its development also allows to extract some statistical results of the modal estimators.
The second part presents some of the most usually used strategies for the detection and the localization of damages and which only require the estimation of modal parameters ; this is the methods of flexibility, flexibility curvature and mode shapes curvature. A damage indicator method, based on the study of strain energy ratios between two measurement series, is also presented, detailed and generalized to the cases of three-dimensional beams and thin plates. By carrying out Monte-Carlo simulations, the sensitivy of these methods and their ability to detect and locate damages have been evaluated and analyzed by studying the probabilities of detection and false alarms.
In order to provide a practical use of dynamic testing as diagnosis method, the theoretical developments have been applied, validated and compared to experimental cases of beams and bridges.
La thèse présente une démarche complète de l'évaluation structurale des ponts par essais dynamiques. Les deux enjeux essentiels traités sont respectivement la réalisation d'essais dynamique sous charge d'exploitation et la détection et/ou la localisation d'endommagements. Le premier objectif necessite le développement de techniques d'identification modale appropriées tandis que le second requiert la mise en uvre de méthodes d'évaluation performantes, sensibles, fiables ne reposant pas sur un modèle numérique aux éléments finis souvent inexistant.
La première partie de ce mémoire est consacrée à la problèmatique de l'identification modale sous excitation ambiante dont la réalisation d'essais vibratoires, le choix de l'excitation et l'intérêt de recourir à des sources d'excitation ambiante. Cette partie détaille en particulier une version vectorielle du décrément aléatoire qui sera largement utilisée pour identifier les paramètres modaux (fréquences propres, déformées propres et coefficients d'amortissement) des structures étudiées dans la thèse. Sa mise en uvre permet, notamment de déterminer diverses statistiques sur les estimateurs modaux.
La deuxième partie présente quelques stratégies de détection et de localisation des endommagements les plus couramment utilisées ne nécessitant que la connaissance des paramètres modaux de la structure ; il s'agit en particulier des méthodes de flexibilité, de courbure de flexibilité et de courbure des déformées propres. Parallèllement, une méthode de l'indicateur d'endommagement, basée sur l'étude de rapports d'énergie de déformation entre deux séries de mesures, est présentée en détail et généralisée aux cas de poutres tridimensionnelles et de plaques minces. En effectuant des simulations de Monte-Carlo, la sensibilité de ces méthodes et leur fiabilité à détecter et localiser des endommagements ont été aussi évaluées au travers de l'étude des probabilités de fausse alarme et de détection.
Afin de répondre à la problématique de la mise en oeuvre pratique de l'évalaution dynamique comme méthode de diagnostic, l'ensemble des développements théoriques est appliqué à de nombreux exemples expérimentaux de poutres et de ponts.
La première partie de ce mémoire est consacrée à la problèmatique de l'identification modale sous excitation ambiante dont la réalisation d'essais vibratoires, le choix de l'excitation et l'intérêt de recourir à des sources d'excitation ambiante. Cette partie détaille en particulier une version vectorielle du décrément aléatoire qui sera largement utilisée pour identifier les paramètres modaux (fréquences propres, déformées propres et coefficients d'amortissement) des structures étudiées dans la thèse. Sa mise en uvre permet, notamment de déterminer diverses statistiques sur les estimateurs modaux.
La deuxième partie présente quelques stratégies de détection et de localisation des endommagements les plus couramment utilisées ne nécessitant que la connaissance des paramètres modaux de la structure ; il s'agit en particulier des méthodes de flexibilité, de courbure de flexibilité et de courbure des déformées propres. Parallèllement, une méthode de l'indicateur d'endommagement, basée sur l'étude de rapports d'énergie de déformation entre deux séries de mesures, est présentée en détail et généralisée aux cas de poutres tridimensionnelles et de plaques minces. En effectuant des simulations de Monte-Carlo, la sensibilité de ces méthodes et leur fiabilité à détecter et localiser des endommagements ont été aussi évaluées au travers de l'étude des probabilités de fausse alarme et de détection.
Afin de répondre à la problématique de la mise en oeuvre pratique de l'évalaution dynamique comme méthode de diagnostic, l'ensemble des développements théoriques est appliqué à de nombreux exemples expérimentaux de poutres et de ponts.
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