Modélisation, analyse et apprentissage statistique du comportement dynamique de structures pour le suivi des conditions aux limites : application au phénomène d’affouillement

Modeling, analysis and machine learning of the dynamic behavior of structures for the monitoring of boundary conditions

• Auteur / Autrice : Mohamed Belmokhtar
• Direction : Franziska Schmidt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Expérimentation et modélisation pour le génie civil et urbain (Marne-la-Vallée) - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Expérimentation et modélisation pour le génie civil et urbain (Marne-la-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Denis Duhamel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franziska Schmidt, Jean-François Semblat, Claude-Henri Lamarque, Christophe Chevalier, Alireza Ture Savadkoohi, Maryam Ghandchi-Tehrani, Véronique Le Corvec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Semblat, Claude-Henri Lamarque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Dynamique

Traitement du signal -- Techniques numériques

Ponts -- Fondations et piles -- Affouillement

Mots clés libres

Modélisation

Apprentissage statistique

Problèmes inverses

Affouillement

Dynamique

Traitement du signal

Dynamics

Scour

Machine Learning

Inverse problem

Modelling

Signal Processing

Résumé

Le vieillissement des ouvrages d'art est un phénomène inévitable. Néanmoins leur endommagement au cours du temps dépend de paramètres qu'il faut surveiller de manière fiable pour avoir une connaissance réelle de leur état structurel. De plus, dans un contexte de changement climatique et d'augmentation de la fréquence d'apparition d'évènements extrêmes, les ouvrages peuvent subir des vieillissements accélérés. La maîtrise des paramètres structurels des ouvrages d’art en temps réel devient donc indispensable car elle permet d'introduire de manière rationnelle un suivi de l'état de santé du ponts qui jusque-là était pris en compte de manière empirique. Cette thèse se concentre sur le suivi des conditions aux limites des structures, dont une évolution peut être liée à actions extérieures. Comme cas d’étude, notre attention s'est portée sur le phénomène d’affouillement : celui-ci est l’une des principales causes d’effondrement de pont, par le changement des conditions d’appuis des ouvrages. Les méthodes classiques de suivi de l’affouillement font appel à des suivis hydrauliques et géophysiques (radar, sonar, ADCP…). C’est en ce sens que les travaux portés par la thèse sont assez novateurs, et posent la question suivante : comment détecter un changement des conditions aux limites, provoqué par l’affouillement, via des mesures de vibrations ? Une combinaison des modèles de sols issus du domaine de l’interaction sol-structure (ISS) et de l’analyse modale nous a permis d’établir des relations liant les caractéristiques fréquentielles de la structure et le phénomène d’affouillement. Une fois ces modèles établis, viennent la validation expérimentale et le développement d’une méthode entièrement automatisée de détection d’affouillement. Pour cela, des essais en laboratoire et une instrumentation in situ ont été mis en place : les résultats observés montrent l'intérêt du suivi vibratoire pour le suivi de l'affouillement

The aging of engineering structures is an inevitable phenomenon. Nevertheless, their damage over time depends on parameters that must be reliably monitored to have a real knowledge of their structural health. Moreover, in a context of climate change and increased frequency of extreme events, structures can suffer accelerated aging. The control of the structural parameters of the bridges in real time becomes therefore essential because it allows to introduce in a rational way a follow-up of the state of health of bridges which until now was taken into account in an empirical way. This thesis focuses on the monitoring of the boundary conditions of structures, whose evolution can be linked to external actions. As a case study, our attention was focused on the scour phenomenon: it is one of the main causes of bridge collapse, due to the change in the foundations conditions. The classical methods of scour monitoring are based on hydraulic and geophysical monitoring (radar, sonar, ADCP...). In this sense, the work carried out by the thesis is quite innovative, and asks the following question: how to detect a change of the boundary conditions, caused by scouring, via vibration measurements? A combination of soil-structure interaction (SSI) models and modal analysis allowed us to establish relationships linking the frequency characteristics of the structure and the scour phenomenon. Once these models were established, experimental validation and development of a fully automated scour detection method. For this purpose, laboratory tests and in situ instrumentation were set up: the observed results show the interest of the vibratory monitoring for the follow-up of the scour