Capteurs à fibre optique intégrés à des matériaux composites pour le génie civil : essais et simulations sur éprouvettes cruciformes

En raison des problèmes de détérioration des infrastructures de génie civil, des besoins se font sentir pour que soient développées des techniques d'évaluation non destructive des structures. Face à cette demande croissante, les capteurs à fibre optique se révèlent une alternative fort prometteuse, en raison de leur faible encombrement, de leur fiabilité et de leur durabilité exceptionnelles, ainsi que de leur capacité de prendre des mesures absolues et de les transmettre sur de longues distances. Parmi les instruments de mesure examinés, les capteurs à réseau de Bragg et les capteurs Fabry-Pérot ont été privilégiés dans cette étude en raison de leurs propriétés inégalées. Dans le cas des structures renforcées avec des matériaux composites, ces outils de détection peuvent même être intégrés aux matériaux de renforcement. Il est cependant admis que les capteurs à fibre optique noyés dans des matériaux composites perturbent l'état de déformation du matériau hôte. De plus, les capteurs à réseau de Bragg sont reconnus pour leur grande sensibilité aux déformations transversales. Il importe donc de bien comprendre ces effets pour que les mesures des capteurs Bragg soient interprétées correctement. L'objectif principal de cette thèse était de développer une technique de mesure des déformations des matériaux composites qui tienne compte de la présence du détecteur. Des capteurs Bragg ont fait l'objet d'une étude exhaustive visant à évaluer leur comportement lorsqu'intégrés à des matériaux composites stratifiés. L'originalité de cette étude tient, d'une part, à la réalisation d'un programme d'essais combinant un concept d'échantillon cruciforme unique à une technique d'instrumentation novatrice; d'autre part, à la programmation ou à l'exécution de deux modèles mathématiques complexes, qui étaient ainsi, pour la première fois, confrontés à des résultats expérimentaux. La dernière partie de la thèse concerne trois projets de réhabilitation d'ouvrages d'art ayant fait l'objet d'un monitorage à l'aide de capteurs à fibre optique. Ces évaluations continues ont témoigné de la fiabilité et de la durabilité des capteurs Fabry-Pérot pour ce genre d'application.Abstract: Due to the degradation of most civil engineering infrastructures, there is an urgent need for the development of non-destructive evaluation techniques of structures. In view of this increasing demand, fibre optic sensors are one of the most promising alternatives, because they are very small, extremely reliable and durable, and can take absolute measurements and transmit them over long distances. Among the instruments examined, both fibre Bragg grating sensors and Fabry-Pérot sensors were privileged in this study for their unequalled properties. In the case of structures strengthened with composite materials, these detectors can even be integrated to the strengthening material. However, it is recognised that fibre optic sensors embedded in composites disturb the strain state of the host material. In addition, fibre Bragg gratings are well known for their large sensitivity to transverse strains. These effects must be well understood otherwise Bragg sensors measurements could lead to erroneous interpretations. The primary objective of this thesis was to develop a precise measurement method of the strains in composite materials, that would take into account the presence of the detector. Here, Bragg sensors integrated to composite laminates were subjected to an exhaustive series of strain conditions in order to study their behaviour. The originality of this study comes first from the realisation of a testing program combining a unique concept of cruciform specimen to an innovative instrumentation technique; secondly, from the programming or the execution of two complex mathematical models in the aim of confronting them, for the first time, to experimental results. The last part of the thesis reviews three cases of structural rehabilitation which have been monitored with fibre optic sensors. These continuous evaluations confirmed the reliability and the durability of Fabry-Pérot sensors

Caractérisation des propriétés géomécaniques des barricades rocheuses et des chantiers miniers remblayés en vue de leur analyse de stabilité

Le remblai en pâte cimenté (RPC) est une technologie qui gagne en popularité mondialement, particulièrement dans les dix dernières années. En effet, le remblayage permet d’entreposer de larges quantités de résidus miniers (jusqu’à 50%); ce qui a pour effet de limiter l’empreinte écologique des parcs à résidus en surface. Avant le début du remblayage, une barricade de stériles est construite dans le point de soutirage pour éventuellement retenir le RPC qui sera coulé dans le chantier souterrain. Les chantiers remblayés permettent ensuite de réduire les contraintes du massif rocheux en diminuant la convergence des murs, diminuant l’activité sismique en plus d’optimiser les procédés d’extraction de minerai. Cet entreposage de résidus miniers, très avantageux sur de multiples plans, amène en contrepartie des défis géotechniques importants. L’un de ceux-ci est la construction des barricades qui doivent demeurer sécuritaire tout au long du processus de remblayage pour les travailleurs, l’opération et la machinerie. Les barricades peuvent être construites avec du bois, du béton, des briques ou du béton projeté mais ces méthodes, quoique de grandes capacités géotechniques, sont dispendieuses et/ou complexes. Dans les mines québécoises, les barricades de stériles rocheux sont largement utilisées comme ouvrages de retenue de RPC du fait qu’elles soient peu dispendieuses, rapides à construire, versatiles, réutilisables et simples. Ce travail présente une large revue de littérature qui a tenté de regrouper toutes les mesures de pressions horizontales dans des chantiers remblayés avec du remblai en pâte. Plusieurs observations géotechniques utiles ont été réalisées lors de la construction des barricades en roches stériles, et des résultats de modélisation numériques ont été obtenus à l’aide du code de calcul Flac3D. Ce mémoire présente également une méthode de conception empirique et phénoménologique simple et facile à utiliser pour le dimensionnement des barricades de stériles. Il est à souligner qu’une formule de dimensionnement permet de s’assurer d’une conception adéquate, mais ne pourra jamais remplacer le suivi attentif de personnes qualifiés avant, pendant et après la construction des barricades, étant donné leur nature très hétérogène

Analyse et optimisation des batteurs dynamiques non linéaires

Vibrations are usually undesired phenomena as they may cause discomfort, disturbance, damage, and sometimes destruction of machines and structures. It must be reduced or controlled or eliminated. For this reason, the vibrations attenuation became a major issue for scientists and researchers in order to develop effective solutions for these problems. Many technologies have been developed. Among these technologies, the nonlinear vibration absorbers have significant performance in the vibration attenuation over a wide frequency band. In this context, this thesis focuses on the analysis and optimization of nonlinear vibration absorbers. The objective of the thesis is to analyze the nonlinear dynamic behavior of systems with nonlinear vibration absorbers. For this, a dynamic model of a two degrees of freedom system is developed. The Asymptotic Numerical Method (ANM) is used to solve the nonlinear equations of motion. The performance of this method is shown via a comparison with the Newton-Raphson method. The nonlinear modal analysis system with cubic nonlinearity is made by an explicit formulation of the nonlinear Frequency Response Functions (FRFs) and Nonlinear Normal Modes (MNNs). An experimental study is performed to validate the numerical results.Les vibrations qui sont en général source de dérangement, d’usure et même destruction des machines et structures mécaniques doivent être contrôlées ou éliminées. Pour cette raison, la lutte contre les vibrations est devenue depuis des années un enjeu majeur pour les chercheurs de laboratoire et de développement dans l’industrie afin de développer des solutions efficaces contre ces problèmes. De nombreuses technologies ont donc été développées. Parmi ces technologies, les absorbeurs de vibration non linéaires présentent des performances importantes dans l’atténuation de vibration sur une large bande de fréquences. C’est dans ce contexte que cette thèse se focalise sur l’analyse et l’optimisation des absorbeurs de vibration non linéaires. L’objectif de cette thèse est d’analyser le comportement dynamique non linéaire des systèmes présentant des absorbeurs de vibration non linéaires. Pour cela, un modèle dynamique d’un système à deux degrés de liberté est développé mettant en équations le comportement non linéaire. La résolution des équations de mouvement est faite par la Méthode Asymptotique Numérique (MAN). La performance de cette méthode est montrée via une comparaison avec la méthode de Newton-Raphson. L’analyse des modes non linéaires du système ayant une non-linéarité cubique est faite par une formulation explicite des Fonctions de Réponse en Fréquence non linéaires (FRFs) et les Modes Normaux Non linéaires (MNNs). Un démonstrateur sur la base d’un système simple à deux degré de liberté est mis en place afin de recaler les modèles envisagés sur la base des résultats expérimentaux trouvés

Reconfiguration des lois de commande en présence de défauts critiques

L'utilisation des systèmes hydrauliques (ou à fluide sous pression) a été et reste encore le meilleur choix dans de nombreuses applications industrielles qui requièrent une grande puissance et surtout une bonne précision. La commande classique a toujours eu pour but la stabilité du système en boucle fermée et l'atteinte des performances pré-définies (point de consignes, temps de réponse, dépassement, etc.). Notre étude, examine le comportement du système en cas de défauts critiques et veut apporter une solution qui a pour objectif la reconfiguration d'une loi de commande tolérante aux fautes, qui fera en sorte d'assurer la conduite du système sous défauts tant que la sécurité n'est pas en jeu; mais aussi de permettre une prédiction du comportement à travers un diagnostic révélateur de déviations dans le système (ou écarts). La reconfiguration des lois de commande reste un domaine vaste et l'objectif ainsi que les performances souhaitées conditionneront les approches que nous voulons appliquer à tous les systèmes automatisés

Diagnostic des systèmes hybrides : développement d’une\ud méthode associant la détection par classification et la\ud simulation dynamique

Ce travail s’inscrit dans le domaine du diagnostic des systèmes hybrides et est basé sur\ud l’utilisation d’un modèle. Il a pour objectif de diagnostiquer les fautes à partir de la\ud connaissance structurelle, comportementale ou fonctionnelle du système en représentant ces\ud connaissances (modèle du système) séparément de la connaissance sur la tâche de diagnostic.\ud Les systèmes hybrides incluent à la fois des variables continues et discrètes. La\ud dynamique continue est généralement fournie par des équations différentielles et algébriques\ud alors que la partie discrète est modélisée par des automates ou des systèmes à transition. Le\ud formalisme adopté dans ce travail pour modéliser ces systèmes s’appuie sur le modèle\ud « Réseau de Petri Différentiel à Objet » (RdPDO) qui est intégré dans la plate forme de\ud simulation PrODHyS (Process Object Dynamic Hybrid Simulator). Il possède l’avantage de\ud prendre en compte le comportement hybride d'une part, en associant les variables continues\ud aux jetons et d'autre part, en associant un système algébro-différentiel aux places permettant\ud de faire évoluer les variables d'état continues.\ud La méthodologie de diagnostic proposée s’effectue en deux étapes. La première étape\ud consiste à détecter à l’aide d’une classification floue, des fautes qui présentent les mêmes\ud symptômes - à partir d’une connaissance préalable des états de défaillance obtenue par\ud apprentissage - afin de réduire les chemins ou les scénarios à explorer lors de la seconde\ud phase. Cette dernière sert à diagnostiquer la faute parmi celles détectées à l’étape précédente\ud en levant l’ambiguïté. Pour ce faire, deux raisonnements ont été suivis. Le premier, qualifié de\ud raisonnement avant, consiste à former pour chaque faute incriminée, un critère d’écarts entre\ud les mesures effectuées sur le système et celles émanant du modèle avec la faute simulée, sur\ud une fenêtre temporelle et d’isoler ainsi la faute aboutissant au critère le plus faible. Le second\ud raisonnement qualifié de raisonnement arrière, effectue des calculs similaires mais sur\ud l’évolution temporelle passée du système par une simulation arrière effectuée avec PrODHys,\ud offrant la possibilité supplémentaire par rapport au premier raisonnement de remonter à\ud l’instant de la défaillance. La méthodologie développée est illustrée sur un système\ud hydraulique souvent utilisé comme « benchmark ». Comme nous ne disposons pas d’un\ud système réel, celui-ci est simulé à l’aide d’un modèle de simulation de type RdPDO qui cette\ud fois-ci contient les états de défaillances et des différences (bruits, erreurs de modélisation) par\ud rapport au modèle utilisé pour le diagnostic. - Hybrid systems involve both continuous and discrete variables. The continuous dynamics is generally given by differential-algebraic equations while the discrete dynamics is modelled by automata or input-output transition systems. For any industrial system, the early detection and diagnosis of faults is important, since a lot of damage and loss can result before a fault present in the system is detected. In addition, it becomes harder to distinguish the root cause of the fault as it propagates through the system. This is therefore more crucial in hybrid processes mixing both continuous and discrete aspects. This work presents the development of a methodology associating the fault detection performed by a data driven technique with the dynamic hybrid simulation for the diagnosis step. The detection is generally performed by comparing process measurement and simulation result of the system in normal conditions. This phase identifies symptoms. The problem of diagnosis is then to link them to a precise dysfunction. A possibility is therefore to explore all possible scenarios of faults and compare with actual measurements. Nevertheless the number of possibilities increases in an exponential way. The aim of the developed methodology is to restrict the detected fault to a category of failures. Only these failures are then explored. The data-driven technique used in the proposed methodology is a fuzzy-classification method (LAMDA) enables to partition the data space in clusters related to identify symptoms. This method has the capacity to treat simultaneously quantitative and qualitative information and to propose automatic learning. It has been already used for detection of dysfunctions in complex chemical plants. The second step of the procedure involves the dynamic hybrid simulation performed only for the restricted faults. In the framework of this study, the simulation aspects are ensured by the general object-oriented environment PrODHyS(Process Object Dynamic Hybrid Simulator), designed and developed within the LGC. Its major characteristic is its ability to simulate systems described with Object Differential Petri Nets (ODPN) formalism. Each fault of this set is simulated. Then, the simulated scenarios are compared to the observed behaviour through a criterion composed of residues (the squared difference between the variables measured and the variable simulated with the fault). Finally, the diagnosis of the fault is performed by choosing the fault with the smallest residu

Méthodologie d'identification et d'évaluation de la sûreté de fonctionnement en phase de réponse à appel d'offre

La sûreté de fonctionnement (SdF) des produits, processus et services est une préoccupation permanente de tous les acteurs industriels. C'est le cas notamment dans le secteur automobile à l'exemple des équipementiers confrontés à des clients de plus en plus exigeants en matière de sûreté de fonctionnement. Jusqu'alors uniquement intéressé par les résultats, le client requiert aujourd'hui, dès les négociations couplées à l'appel d'offre (AO), une information précise sur la démarche même que le fournisseur prévoit de mettre en place pour satisfaire aux exigences SdF. Conscients de ces nouveaux besoins, nous nous sommes intéressés à la problématique d'identification de la "dimension SdF" du produit au stade de l'AO et à l'évaluation de l'impact économique de son intégration sur le développement futur du produit. Les conséquences de la prise en compte de la SdF sont doubles puisqu'elles concernent à la fois le produit qui voit sa robustesse optimisée mais aussi la démarche d'analyse permettant de dimensionner les solutions appropriées. Dans l'objectif de répondre à la problématique, nous avons proposé une organisation du processus de réponse à appel d'offre en différentes étapes instrumentées allant de l'identification des éléments relatifs à la SdF dans les documents clients fournis pour l'AO à la définition et à l'évaluation de l'impact SdF.Products Dependability, process and services is a major and permanent topic for industrial actors and especially in automotive industry, where products suppliers are faced to customers more and more aware about dependability. Until now, Customers was only interested about results, they request today, in bid process timeframe, informations about processes put in place in order to reach dependability objectives. Taking these new requirements into accounts, we have focused our work on dependability identification during bid process and the evaluation its cost impact on development. Taking dependability into account allow to increase product robustness but also to make better design choice in term of dependability. Thus, in order to reach this objective, we propose a step by step process for bid phases from dependability topics identification to cost impact.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Méthodologie d'identification et d'évaluation de la sûreté de fonctionnement en phase de réponse à appel d'offre

La sûreté de fonctionnement (SdF) des produits, processus et services est une préoccupation permanente de tous les acteurs industriels. C'est le cas notamment dans le secteur automobile à l'exemple des équipementiers confrontés à des clients de plus en plus exigeants en matière de sûreté de fonctionnement. Jusqu'alors uniquement intéressé par les résultats, le client requiert aujourd'hui, dès les négociations couplées à l'appel d'offre (AO), une information précise sur la démarche même que le fournisseur prévoit de mettre en place pour satisfaire aux exigences SdF. Conscients de ces nouveaux besoins, nous nous sommes intéressés à la problématique d'identification de la "dimension SdF" du produit au stade de l'AO et à l'évaluation de l'impact économique de son intégration sur le développement futur du produit. Les conséquences de la prise en compte de la SdF sont doubles puisqu'elles concernent à la fois le produit qui voit sa robustesse optimisée mais aussi la démarche d'analyse permettant de dimensionner les solutions appropriées. Dans l'objectif de répondre à la problématique, nous avons proposé une organisation du processus de réponse à appel d'offre en différentes étapes instrumentées allant de l'identification des éléments relatifs à la SdF dans les documents clients fournis pour l'AO à la définition et à l'évaluation de l'impact SdF. ABSTRACT : Products Dependability, process and services is a major and permanent topic for industrial actors and especially in automotive industry, where products suppliers are faced to customers more and more aware about dependability. Until now, Customers was only interested about results, they request today, in bid process timeframe, informations about processes put in place in order to reach dependability objectives. Taking these new requirements into accounts, we have focused our work on dependability identification during bid process and the evaluation its cost impact on development. Taking dependability into account allow to increase product robustness but also to make better design choice in term of dependability. Thus, in order to reach this objective, we propose a step by step process for bid phases from dependability topics identification to cost impact