Suivi temporel de la dynamique des structures : apports du théorème fluctuation-dissipation et de la dynamique lente pour l'évaluation de l'intégrité des structures de génie civil

Temporal monitoring of the dynamics of structures : contributions of the fluctuation-dissipation theorem and of the slow dynamics to assess the state of health of engineering structures.

• Auteur / Autrice : Marc-Antoine Brossault
• Direction : Philippe Guéguen, Philippe Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 06/11/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Weiss
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul A. Johnson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Payan, Jean-François Semblat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Contrôle des structures (ingénierie)

Mots clés libres

Suivi de l'intégrité des structures

Théorème de fluctuation-Dissipation

Dynamique lente

Structural health monitoring

Fluctuation-Dissipation theorem

Slow dynamics

Résumé

Soumise à une sollicitation sismique importante, une structure de génie civil peut être endommagée. Cela se traduit par l'apparition de fissures et donc une réduction de ses propriétés élastiques de la structure. Cependant, dans le cas d'un événement sismique d'amplitude inférieure, la variation observée est seulement transitoire. Elle consiste en une perturbation brutale de la fréquence et de l'amortissement suivie d'un recouvrement lent vers leurs valeurs initiales. Ce phénomène non linéaire de relaxation est appelé Dynamique Lente. Il s'explique par la fermeture progressive des fissures initialement présentes dans la structure et qui ont été ouvertes par la sollicitation. Nous avons observé en laboratoire que l'analyse de la Dynamique Lente dans une poutre avant et après son endommagement permet de détecter cette augmentation de la densité de fissures. La sensibilité différentielle des modes à une dégradation locale indique, de plus, une piste pour le développement d'une méthode de localisation de l'endommagement. L'étude de la Dynamique Lente que nous avons menée dans deux structures de génie civil a montré que nous pouvions également y détecter l'apparition de l'endommagement. Le suivi de l'amortissement de manière continue a mis en évidence une relation linéaire entre l'amortissement et l'intensité des vibrations ambiantes à la fois dans les poutres et les structures de génie civil. Nous expliquons celle-ci via l'application du théorème Fluctuation-Dissipation à ces systèmes. Les résultats en laboratoire et la proximité de l'expression de la relation avec les équations utilisées dans le cas de la Dynamique Lente suggère une dépendance de ce phénomène vis à vis de la densité des hétérogénéités dans le matériau composant la structure. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin d'expliquer complètement nos observations et ainsi pouvoir les utiliser dans le cadre de la surveillance des structures uniquement à partir de données de très faible amplitude.

During strong seismic loadings, a structure may be damaged. This results in the appearing of cracks and then a reduction of the elastic properties of the structure. The degradation remains only transitory in the case of smaller seismic events. It consists in a sharp disruption of both the frequency and damping followed by their slow recovery to their initial values. This non linear phenomenon is called Slow Dynamics. It is explained by the gradual closing of the cracks which were initially present in the material and which were opened during the loading. We observed in the laboratory that the analysis of the Slow Dynamics in a beam before and after it is damaged allows to detect the increase of the crack density. The different sensitivties of the modes regarding a local damaging indicates a track to develop a method to locate the damages. The study of the Slow Dynamics in civil engineering structures demonstrated the possibility to detect the damaging also in this kind of system. The continuous monitoring of the damping highlighted a linear relationship between damping and the intensity of the ambiante vibration in the case of both the beams and real case structures. We explain this relation by applying the Fluctuation-Dissipation to these systems. Laboratory results and the proximity of the expression of the linear relationship wit hthe equations used in the theory of the Slow Dynamics suggest a dependency of this phenonmenon on the density of heterogeneities in the structure. Further research is however required in order to fully explain our observations and thus, to use them to monitor the state of health of structures.