CAS D'UTILISATION
Surveillance des ponts par capteurs laser : déflexion, déformation et déplacement

Le Surveillance des ponts par capteurs de distance laser Il permet la mesure continue et sans contact des changements de position, de déflexion, de déformation et de déplacements relatifs dans les planches, les pieux, les supports, les pylônes et autres éléments structuraux.

Dans les applications de inspection des ponts, Pour les essais de charge ou la surveillance lors de travaux de réhabilitation, un capteur laser peut être installé sur un point de référence stable et mesurer en continu la distance jusqu'à un point de la structure. L'évolution de cette distance permet de détecter des mouvements de l'ordre du millimètre et d'analyser la réaction du pont aux charges, au trafic, aux opérations de montage, aux variations thermiques ou aux travaux de construction.

La mesure est conceptuellement simple, mais son interprétation correcte nécessite l'étude de la géométrie de l'installation. Un capteur laser mesure directement une distance; Convertir cette distance en une flèche verticale, un déplacement horizontal ou une déformation structurelle nécessite de connaître la position du capteur, de la cible et les directions de mouvement possibles.

Cette application fait partie de notre guide sur surveillance des structures, ponts, tunnels et pentes à l'aide de capteurs laser.

Que peut-on mesurer sur un pont à l'aide d'un capteur laser ?

UN capteur de distance laser Elle mesure la distance entre l'instrument et le point ou la cible sur lequel le faisceau est dirigé. Selon la conception de l'installation, cette mesure peut servir à surveiller différents phénomènes structurels.

• Flèche ou déviation du tableau de bord : déplacement vertical d'un ou plusieurs points du tablier lorsque des charges, du trafic ou des véhicules utilisés lors d'un essai de charge sont en action.
• Déplacement de la pile : contrôle des mouvements par rapport à une référence considérée comme stable.
• Mouvement de soutien : surveillance des changements relatifs entre les éléments de la structure.
• Mouvement entre le pylône et le panneau : Mesure à longue distance des variations géométriques entre différentes parties du pont.
• Déformation des structures métalliques : Suivi multipoints pendant le transport, le levage, l'assemblage ou le positionnement.
• Comportement pendant la réadaptation : détection des mouvements lors de la découpe, du démontage ou de la modification d'éléments d'une structure existante.
• Réponse aux charges : Enregistrement des courbes de déplacement lors d'essais de charge statiques ou dynamiques.

Un seul capteur fournit un distance scalaire. Par conséquent, il ne mesure pas directement les contraintes mécaniques, la capacité de charge ni le déplacement tridimensionnel complet. Lorsqu'il est nécessaire de connaître plusieurs composantes du mouvement, on peut recourir à plusieurs capteurs, à d'autres directions de mesure ou à des instruments complémentaires.

Mesure de la déflexion d'un pont à l'aide de capteurs laser

Le flèche d'un pont Il s'agit là d'une des applications les plus intéressantes de la mesure laser sans contact. L'objectif est d'observer le déplacement vertical d'un point sur la carte par rapport à un point de référence lors de l'application d'une charge ou au fil du temps.

Mesure verticale approximative

La configuration la plus simple consiste à installer le capteur sur un point de référence stable situé sous la structure et à diriger le faisceau vers le point de la planche dont la flèche doit être mesurée.

Si la direction du laser coïncide pratiquement avec la direction du mouvement, la variation de distance mesurée peut être directement liée au déplacement de la planche.

Cette configuration peut s'avérer particulièrement intéressante dans essais de charge de pont, car elle permet d'effectuer la mesure sans fixer physiquement un transducteur à la carte.

Mesure effectuée à l'aide d'une ligne de visée oblique

Il n'est pas toujours possible de placer le capteur directement sous le point d'intérêt. Dans de nombreuses structures, l'accès, la circulation, une voie navigable, une voie ferrée ou la géométrie même du pont nécessitent de prendre des mesures depuis une ligne de visée inclinée.

Dans un schéma simplifié, si x représente la séparation horizontale, z la séparation verticale et L la distance mesurée par le capteur :

L² = x² + z²

Si seule la composante verticale change et que la composante horizontale reste constante, pour de petits déplacements, on peut l'approximer comme suit :

Δz ≈ ΔL / sin θ

où θ Il s'agit de l'angle de la ligne de visée par rapport à l'horizontale.

Cette géométrie est importante : une ligne de visée quasi horizontale est peu sensible aux mouvements verticaux. De plus, si le point de mesure et le point de référence se déplacent simultanément, une distance unique est insuffisante pour distinguer les deux composantes.

Par conséquent, avant de sélectionner le capteur, il convient de le définir. Quel mouvement doit être mesuré, dans quelle direction il se produit et quels éléments peuvent être déplacés ?.

Essais de charge de ponts : une alternative sans contact aux LVDT

Le essais de charge de pont Elles permettent de comparer le comportement réel de la structure à celui prédit par le modèle de calcul. Parmi les grandeurs enregistrables figure la déformation produite par le déplacement ou le positionnement de charges connues sur le tablier.

Les capteurs de déplacement, tels que les LVDT, peuvent généralement être installés sur des structures, des trépieds, des échafaudages ou des points de référence situés sous le pont. Dans certains endroits, cette installation peut s'avérer complexe, notamment au-dessus des voies ferrées, des routes, des cours d'eau ou dans des zones d'accès difficile.

Une autre solution consiste à utiliser Des capteurs de distance laser ont été installés à partir d'une référence située à l'extérieur de la structure..

Cas documenté : essai de charge sur une ligne ferroviaire

Lors d'un test réalisé en collaboration avec le service d'ingénierie AECOM Sur un pont situé au-dessus des lignes de train de banlieue en Nouvelle-Angleterre, quatre capteurs laser Dimetix ont été utilisés pour mesurer la déflexion de différents points du tablier.

La structure présentait des signes de détérioration et sa limite de charge avait été préalablement réduite. L'objectif de l'essai était de déterminer son comportement réel et de le comparer au modèle structurel.

Pour éviter l'installation classique des LVDT sur des trépieds et des structures auxiliaires, les solutions suivantes ont été utilisées : quatre capteurs Dimetrix DAN-10-150. Chaque capteur était installé sur un support indépendant fixé au ballast sous le pont et orienté vers un point précis de la structure.

Les capteurs étaient connectés à des modules d'interface et au système d'acquisition utilisé lors de l'essai. Les quatre signaux de déflexion ont été enregistrés en temps réel lors de différents passages de véhicules chargés.

Les charges ont été augmentées progressivement et les courbes de déflexion correspondantes ont été enregistrées. Les mesures ont montré un comportement reproductible et les déflexions sont revenues à leur valeur initiale après la suppression de la charge.

Les résultats de déplacement et de déformation obtenus lors de l'essai étaient conformes au modèle prédit par AECOM. L'essai a permis de réévaluer le comportement de la structure et, par conséquent, d'augmenter sa capacité de charge.

Cet exemple illustre un avantage important de la mesure optique : L'instrumentation peut être située à l'extérieur de l'élément structurel testé., réduisant ainsi la nécessité d'installer des capteurs de contact directement sur le tableau de bord.

Cas réel n° 1 : surveillance du pont Huey P. Long lors de sa levée

L'un des projets de surveillance de ponts les plus représentatifs utilisant des capteurs Dimetix a été réalisé lors de l'agrandissement du Pont Huey P. Long sur le fleuve Mississippi, à La Nouvelle-Orléans.

Le projet comprenait deux énormes sections de treillis d'acier initialement construites au sol. Chaque section mesurait environ 528 pieds de long, soit environ 161 mètres, et un poids proche de 2 700 tonnes.

Les structures ont été transportées sur des barges jusqu'au pont, puis levées approximativement 130 pieds, environ 40 mètres, jusqu'à sa position finale.

Le problème : contrôler la déformation lors d'une manœuvre critique

Lors du transport, du levage et de la mise en place, il existait un risque qu'une structure de ces dimensions subisse des déformations hors plan, des contraintes excessives, voire des phénomènes de flambage.

L'équipe d'ingénierie responsable devait savoir en temps réel comment la géométrie des réseaux évoluait afin de pouvoir agir pendant la manœuvre.

Dix capteurs laser fonctionnant simultanément

Un total de 10 capteurs de distance laser Dimetix, cinq installés sur chaque grille. Le matériel historique utilisé dans ce projet appartenait à la génération précédente de DLS-C.

Chaque ensemble de cinq capteurs permettait de surveiller différents points et d'observer les déformations hors plan de la structure.

Les capteurs étaient reliés par câble à un enregistreur de données. Les informations étaient transmises à un ordinateur situé sous le pont, où les responsables du projet pouvaient visualiser graphiquement l'inclinaison et la déformation des structures.

Le système a mis à jour les informations approximativement toutes les cinq secondes.

Corrections pendant le processus de levage lui-même

Ces informations n'ont pas servi uniquement à des fins d'archivage ultérieur. Les ingénieurs pouvaient observer l'évolution de la structure en cours d'exploitation et procéder à des ajustements. corrections à la volée de la position du réseau sans interrompre le processus.

La surveillance s'est également poursuivie pendant le déplacement latéral final des structures jusqu'à leur position sur les supports, une phase considérée comme tout aussi critique.

Conclusion technique : Ce cas illustre pourquoi, dans les grandes structures, la surveillance simultanée de plusieurs points peut s'avérer plus utile que la mesure d'une seule distance. La comparaison des données de plusieurs capteurs permet d'observer des variations géométriques qu'un point de mesure unique ne pourrait pas détecter.

Cas concret n° 2 : surveillance de l’autoroute A23 à Vienne pendant sa reconstruction

Un autre exemple d'application est le Autoroute A23 de Vienne, une infrastructure à forte intensité de trafic.

Le projet a concerné deux ponts appartenant à une section construite à l'origine vers 1970. Lors du réaménagement de l'A23, les structures existantes ont dû être démantelées et reconstruites.

La documentation du projet indique une intensité approximative de 180 000 véhicules par jour.

Contrôler les mouvements pendant le travail

L'une des préoccupations lors de l'intervention était la possibilité que les éléments ou supports verticaux subissent des déplacements en raison des modifications apportées à la structure.

Ils ont été installés Capteurs laser Dimetix orientés vers des cibles de mesure pour contrôler la stabilité au fur et à mesure de l'avancement des phases de construction.

Lors d'opérations particulièrement critiques, telles que la découpe de parties de la structure existante, les distances pourraient être enregistrées en continu afin d'identifier les mouvements ou les changements géométriques dès leurs premiers stades.

Une application particulièrement intéressante pour la réhabilitation des ponts

Lors de travaux de réhabilitation, il peut être très difficile de prédire avec exactitude comment une structure existante réagira lorsque des revêtements de sol, des éléments porteurs, des supports temporaires ou des parties du tablier sont retirés.

Le suivi nous permet de relier les changements observés à des moments précis de la construction :

• découpe ou démolition d'éléments ;
• enlèvement de matière ;
• entrée de machines lourdes ;
• soutenir les changements ;
• serré ou desserré;
• placement de nouveaux éléments ;
• variations thermiques ;
• changements de trafic ou de charge.

Pour cette raison, dans un surveillance pendant la construction Le simple enregistrement d'une série de distances ne suffit pas. Il est conseillé de consigner également la date et l'heure des événements clés de la construction afin de les relier ultérieurement à l'évolution de l'ouvrage.

Cas réel n° 3 : Plus de 100 mètres séparent un pylône du tablier d’un pont en Thaïlande

La capacité à fonctionner à longue distance permet l'utilisation de capteurs laser dans des géométries qui seraient difficiles à instrumenter à l'aide de transducteurs de contact.

Sur un pont au-dessus du Le fleuve Chao Phraya, en Thaïlande, Un capteur Dimetix a été installé au sommet d'un pylône et orienté vers un feuille réfléchissante située approximativement au centre du pont.

L'écart entre les pylônes était d'environ 200 mètres et la distance mesurée par le capteur a dépassé 100 mètres.

Mesure précise au millimètre près sur de longues distances

L'application documente une précision de mesure de ±1 mm et une répétabilité de ±0,3 mm.

Dans ce type d'installation, l'utilisation d'une feuille réfléchissante permet d'augmenter considérablement la distance utile et fournit une cible optique clairement définie.

Mais il y a un autre paramètre à prendre en compte : La taille du point laser augmente avec la distance..

Dans les capteurs Dimetix de cette gamme, la tache déclarée à 100 mètres est d'environ 55 × 30 mm. Le dimensionnement du réflecteur doit tenir compte non seulement de la taille du faisceau, mais aussi :

• le mouvement prévu du plateau ;
• le mouvement transversal possible ;
• tolérances d'alignement ;
• la dilatation thermique de la structure ;
• vibrations ;
• les mouvements du pylône lui-même ;
• la marge nécessaire pour éviter de manquer la cible.

Mesurer une distance ne signifie pas mesurer directement la flèche verticale.

Cet exemple est particulièrement utile pour comprendre la géométrie d'un système de surveillance.

Le capteur mesure le distance relative entre le pylône et le point sur le plateau. Si les deux éléments peuvent bouger et que la vue est oblique, toute variation enregistrée peut contenir différentes composantes du mouvement.

Par conséquent, l'interprétation des données doit être effectuée conformément au modèle géométrique du pont. S'il est nécessaire de distinguer les différents composants, des capteurs supplémentaires ou d'autres techniques d'instrumentation peuvent s'avérer nécessaires.

Quel capteur Dimetix peut être utilisé actuellement ?

Les projets existants peuvent utiliser les modèles Dimetix des générations précédentes. Pour les nouvelles installations, le capteur doit être sélectionné en fonction de la distance, de la cible, de la vitesse, de la précision requise, des communications et des conditions environnementales.

Pour les applications à longue portée, l'un des modèles à envisager est le Dimetrix DPE-10-500.

La fréquence de sortie et la fréquence de mesure sont deux concepts différents : une fréquence de sortie allant jusqu’à 1 kHz ne signifie pas l’obtention de 1 000 mesures indépendantes par seconde. La fréquence de mesure maximale annoncée du DPE-10-500 est de 250 Hz.

Pour les distances plus courtes ou les projets présentant d'autres exigences économiques et techniques, il existe différentes versions au sein de la gamme de capteurs de distance laser.

Comment concevoir une installation de surveillance laser sur un pont

1. Définissez précisément ce que vous souhaitez mesurer.

Avant de choisir un capteur, il convient de définir l'amplitude du phénomène à surveiller :

• flèche verticale ;
• mouvement longitudinal ;
• mouvement transversal ;
• déplacement de la pile ;
• mouvement relatif entre deux éléments ;
• déformation lors d'une manœuvre ;
• réponse lors d'un test de charge.

2. Choisir une référence stable

Un capteur mesure la distance entre deux points. Si le support du capteur est déplacé, le système peut interpréter ce mouvement comme étant lié au pont.

La stabilité de la référence est donc aussi importante que la précision du capteur lui-même.

3. Analyser la géométrie

La direction du faisceau doit être compatible avec la composante de mouvement que l'on souhaite observer.

Une vue verticale peut simplifier la mesure d'une déflexion. Une vue oblique peut être parfaitement valable, mais elle nécessite une transformation géométrique et la connaissance des autres composants susceptibles de varier.

4. Choisir une surface naturelle ou un réflecteur

À des distances modérées, il est possible de mesurer directement sur une surface naturelle appropriée. Lorsque la distance augmente ou qu'une cible clairement définie est nécessaire, il peut être conseillé d'installer une bâche réfléchissante compatible.

La taille de la cible doit intégrer une marge suffisante pour le diamètre du faisceau et les mouvements prévus.

5. Concevoir correctement les supports

Les supports doivent minimiser :

• vibrations ;
• propres mouvements ;
• dilatation thermique incontrôlée ;
• changements d'orientation ;
• désalignements accidentels.

6. Protéger le chemin optique

À l'extérieur, il faut tenir compte de la pluie, du brouillard, de la poussière, de la neige, de la condensation, du rayonnement solaire et de la saleté.

L'indice de protection IP du capteur protège l'équipement, mais ne garantit pas en soi que le chemin optique rester toujours disponible.

Si le capteur est placé derrière une vitre de protection, il convient également d'évaluer le matériau, l'inclinaison, les réflexions et les éventuelles salissures.

7. Consignez également la qualité de la mesure.

La surveillance structurelle ne doit pas se limiter à l'enregistrement d'une distance. Lorsque l'architecture du système le permet, il est conseillé d'enregistrer également :

• valeur mesurée ;
• date et heure ;
• État de lecture valide ou invalide ;
• événements de communication ;
• force ou qualité du signal disponible ;
• température;
• événements de construction ou de chargement pertinents.

8. Établir une base de référence

Avant d'interpréter les mouvements, il convient d'enregistrer le comportement initial du système et de vérifier sa répétabilité.

Un test fonctionnel avec des déplacements connus permet de vérifier la relation entre la lecture du capteur et le mouvement réel attendu.

Capteur laser versus LVDT, station totale, GNSS et inclinomètre

Il n'existe pas d'instrument unique convenant à toutes les applications d'auscultation. Différentes technologies peuvent être complémentaires.

Dans un système de Surveillance de l'intégrité structurelle (SHM) Plusieurs technologies peuvent être combinées. Par exemple, un capteur laser peut surveiller les déplacements, un inclinomètre peut enregistrer les rotations et des capteurs de température peuvent aider à interpréter les mouvements d'origine thermique.

Avantages des capteurs laser pour l'inspection des ponts

• Mesure sans contact : Il n'est pas nécessaire de fixer mécaniquement le capteur au point mobile.
• Grande distance de travail : Certains modèles permettent de travailler à des dizaines, voire des centaines de mètres.
• Précision millimétrique : Adapté à de nombreuses applications de déplacement structurel.
• Fréquence d'acquisition élevée : Il permet l'étude de phénomènes plus rapidement qu'avec les systèmes de lecture manuels.
• Intégration industrielle : Disponibilité des interfaces série, analogiques et réseau industriel selon le modèle.
• Installation à distance : Le capteur peut être placé en dehors des zones difficiles d'accès.
• Surveillance permanente ou temporaire : Il peut être utilisé aussi bien lors d'un test que dans des installations de surveillance continue.
• Mesure multipoint : Plusieurs capteurs peuvent surveiller simultanément différentes positions d'une structure.

Limitations à prendre en compte

Le capteur laser ne dispense pas de concevoir correctement le système d'auscultation.

• Il est impératif de maintenir une visibilité dégagée.
• La stabilité du support fait partie de l'incertitude globale.
• La surface de la cible influence la portée.
• La pluie, le brouillard, la saleté ou la condensation peuvent affecter la disponibilité de la mesure.
• Une vue oblique nécessite une interprétation géométrique.
• La précision indiquée dans la fiche technique du capteur ne correspond pas automatiquement à l'incertitude de l'ensemble de l'installation.
• Les mouvements thermiques de la structure doivent être différenciés des autres déplacements, le cas échéant.

Questions fréquentes sur la surveillance des ponts par capteurs laser

Un capteur laser peut-il mesurer directement la déflexion d'un pont ?

Oui, à condition que la géométrie de l'installation permette de relier la variation de distance au déplacement vertical du point observé. Une installation approximativement verticale simplifie cette relation. En vue oblique, la géométrie correspondante doit être appliquée.

Un capteur laser peut-il être utilisé lors d'un test de charge ?

Oui. Il existe des applications documentées où les capteurs Dimetix ont enregistré en temps réel la déformation de différents points du tablier alors que des charges connues étaient appliquées au pont.

Peut-il remplacer un LVDT ?

Dans certaines applications, l'installation d'un capteur LVDT peut être évitée, notamment lorsqu'une mesure sans contact est souhaitée ou lorsqu'il est difficile de placer une référence mécanique à proximité du point de mesure. Ces technologies ne sont pas équivalentes dans tous les cas, et le choix doit être fait en fonction de la géométrie, de la course, de la précision et de la dynamique de l'essai.

Quelle distance peut-on mesurer ?

Cela dépend du modèle et de la surface. Par exemple, le Dimetix DPE-10-500 revendique une portée d'environ 100 mètres sur les surfaces naturelles et jusqu'à 500 mètres avec un film réfléchissant dans des conditions optimales.

Peut-on mesurer un pont à plus de 100 mètres de distance ?

Oui. Il existe une application documentée en Thaïlande où le capteur fonctionne à une distance de plus de 100 mètres entre un pylône et un réflecteur installé sur le tableau de bord.

Une feuille réfléchissante est-elle nécessaire ?

Pas toujours. À courte distance, il est parfois possible de mesurer directement sur la surface de la structure. Pour les grandes distances, les surfaces problématiques ou lorsqu'un point de référence optique précis est nécessaire, l'utilisation d'un réflecteur peut être conseillée.

Une précision de ±1 mm signifie-t-elle que l'ensemble de l'installation présente une incertitude de ±1 mm ?

Non. L'incertitude globale dépend également du montage, de la stabilité de la référence, de la géométrie, de la cible, de l'environnement, de l'acquisition et du traitement des données. La précision du capteur ne représente qu'une partie du système de mesure.

Peut-il être installé de façon permanente à l'extérieur ?

Des modèles adaptés peuvent être utilisés pour des applications extérieures, mais la protection de l'ensemble et du trajet optique contre l'eau, la condensation, la poussière, la saleté et autres facteurs environnementaux doit être étudiée.

Peut-il servir à surveiller les batteries et les supports pendant la rééducation ?

Oui. Le suivi des distances entre des références prédéfinies permet de détecter les déplacements relatifs lors de la démolition, de la découpe, de la reconstruction, des modifications de soutènement ou d'autres opérations.

Un seul capteur peut-il déterminer un mouvement selon les axes X, Y et Z ?

Non. Un capteur laser mesure la distance dans la direction de son faisceau. Pour distinguer les différentes composantes du mouvement, il faut une géométrie comportant plusieurs observations, plusieurs capteurs ou des instruments supplémentaires.

Sélection de la solution pour chaque pont

Le choix du capteur doit se baser sur l'application et non uniquement sur la distance maximale indiquée dans le catalogue.

Pour étudier une installation, nous devons savoir, au minimum :

• distance approximative entre le capteur et la cible ;
• déplacement maximal prévu ;
• direction du déplacement ;
• précision requise ;
• fréquence de mesure requise ;
• type de surface ou de cible disponible ;
• conditions environnementales;
• possibilités d'assemblage ;
• type d'enregistreur, automate programmable ou système d'acquisition ;
• Interfaces de communication requises.

Un simple croquis indiquant le point d'installation du capteur, l'objectif et la direction de mouvement prévue suffit généralement à réaliser une première évaluation de faisabilité.

Sources techniques des cas décrits

Les exemples concrets présentés sur cette page ont été compilés à partir de la documentation technique publiée concernant des installations réelles :

• Exemple d'application Dimetix AE-0510 : Surveillance structurelle pendant le transport, le levage et la mise en place des poutres du pont Huey P. Long.
• Exemple d'application Dimetix AE-0703 : Surveillance des ponts de l'autoroute A23 pendant les travaux de reconstruction à Vienne.
• Exemple d'application Dimetix AE-0704 : surveillance à plus de 100 mètres entre le pylône et le tablier d'un pont enjambant le fleuve Chao Phraya, en Thaïlande.
• Application documentée par Laser-View Technologies en collaboration avec AECOM : Mesure de la déflexion lors d'un essai de charge à l'aide de quatre capteurs Dimetix DAN-10-150.

Les modèles utilisés dans les projets historiques peuvent correspondre à des générations précédentes. Pour une installation actuelle, le choix doit se faire en fonction des spécifications actuelles du modèle disponible.

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