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Auscultation des assemblages collés du génie civil par acousto-ultrasons

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L'utilisation du collage structural dans le domaine du génie civil est en plein essor (notamment dans le cas du renforcement d’ouvrages). Cette méthode d'assemblage présente en effet de nombreux avantages vis à vis des méthodes traditionnelles notamment dans le cadre d'opérations de réparation ou de renforcement des structures existantes, ou encore dans le cadre des structures mixtes.

 

Comme toute nouvelle méthode, elle implique cependant de pouvoir mettre à disposition des utilisateurs finaux des méthodes de contrôle et de suivi fiables et robustes leur permettant de vérifier de la qualité des assemblages réalisés et de suivre leur évolution au cours du temps. Si la détection des vides au sein des assemblages collés a pu être résolu par l'utilisation de la thermographie IR [1], la détection des zones faiblement adhérentes ou des interfaces faibles reste encore posée. On se propose dans ce travail de thèse de se pencher sur les potentialités offertes par la méthode des acousto-ultrasons. Cette méthode consiste à émettre des signaux ultrasons maîtrisés à travers la structure ou l'assemblage étudié et à réceptionner les signaux après propagation en utilisant la méthodologie  émission acoustique. Des essais préliminaires ont été réalisés dans [2] et les premiers résultats offrent de bonnes perspectives. Il reste cependant de nombreux verrous scientifiques à lever avant de pouvoir ausculter par acousto-US des assemblages collés en génie civil. Ces verrous portent notamment sur:

-        Le choix et la maîtrise de la source d’excitation ultrasonore

-        L’étude de l’influence du couplage et du choix des capteurs sur les performances de la technique (atténuation des ondes, dispersion fréquentielle

-        Le choix de la méthode optimale de traitement des signaux  (, analyse multiparamétrique, traitement statistique des signaux…),

-        La qualification des capacités de la méthode (variabilité spatiale, sensibilité de la méthode aux défauts recherchés, classification des typologies de défauts, …).

Le travail proposé sera réalisé en plusieurs étapes. Une première étape sera dédiée à la réalisation d’un état de l’art sur la méthode des acousto-ultrasons, son application au contrôle des assemblages collés et sur les différentes méthodologies possibles de classement et d’identification des signaux acoustiques. La seconde étape portera ensuite sur des investigations expérimentales préliminaires sur une série d’éprouvettes collées représentatives du domaine du génie civil et avec différentes typologies de défauts (des éprouvettes de renforts composites collés sur béton ou métal, ou des éprouvettes de bois-béton collés). Cette étape permettra d’étudier l’influence du couplage et le choix des capteurs et de mettre au point différentes méthodologies de classification des évènements acoustiques en se penchant sur l’évolution des différents paramètres acoustiques (analyse multiparamétrique dont fréquentielle) avec la présence ou non de défauts, et sur l’utilisation de méthodes de traitement statistique [3] telles que la décomposition en composante principale qui devrait permettre de prendre en compte les paramètres acoustiques les plus pertinents. On tâchera ensuite dans une troisième étape de réaliser plusieurs investigations expérimentales permettant d’étudier l’influence des propriétés mécaniques intrinsèques des matériaux en présence sur les résultats obtenus, puis on s’intéressera à l’effet d’échelle en étudiant des échantillons de différentes  dimensions (longueur de corrélation spatiale, optimisation de l’algorithme de localisation). Ceci devrait permettre de déterminer la méthodologie la plus adaptée (mise en œuvre et post-traitement) à adopter, de vérifier sa fiabilité et sensibilité aux défauts recherchés, et de déterminer la taille des zones investigables.   

Le travail sera encadré par S. Chataigner de l’IFSTTAR. N. Godin de l’INSA de Lyon participera également au suivi.  Des collaborations en interne IFSTTAR seront également recherchés sur le sujet. L’étudiant sera localisé au laboratoire SMC du département MAST sur le site de Nantes où la plupart des études expérimentales et numériques seront réalisées. Des missions ponctuelles pourront également se dérouler au laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon.

L’étudiant devra avoir des compétences en matériaux idéalement composites, en traitement des signaux. Il devra être intéressé par la mise en œuvre d’instrumentations et par l’exploitation des données suivant différents formalismes.

 

Salaire (2017): 1420 € /mois net (les deux premières années) ; 1650 € /mois net (la dernière année).

Niveau requis : Master 2  Recherche  

Dates : début Octobre 2017 – fin Septembre 2020

 

Contact : sylvain.chataigner@ifsttar.fr

 

[1] F. TAILLADE, M. QUIERTANT, K. BENZARTI AND C. AUBAGNAC,  Shearography and pulsed stimulated infrared thermography applied to a nondestructive evaluation of FRP strengthening systems  bonded on concrete structures, Construction and Building materials, Vol. 25, pp.568-574, 2011. 

[2] S. Chataigner, L. Gaillet, L. Vallée, E. Le Gal La Salle, Contrôle non destructif d’assemblages composite/béton collés par acousto-ultrasons, JNC 2015, Villeurbanne, 2015.

[3] N. Godin, S. Huguet, R. Gaertner, and L. Salmon. Clustering of acoustic emission signals collected during tensile tests on unidirectional glass/polyester composite using super-vised and unsupervised classifiers. NDT&E International, Vol.37 :253–264, 2004.

 

 

 

Topic : Use of acousto-ultrasonic method to control adhesively bonded joints in civil engineering

 

The use of adhesive bonding in civil engineering is increasing (specially for the reinforcement of existing structures). This assembly technique has indeed several advantages in comparison with more traditional methods especially in the framework of repair or reinforcement operations or for the realization of composite structures.

As a new method, this implies that structure owners dispose of robust and precise control methods allowing them to check the quality of the realized assembly and to follow their evolution with time. If void detection inside adhesively bonded assembly is nowadays possible through the use of infrared thermography [1], it is still difficult to detect poor adhesion or weak interface. It is proposed in this PhD work to investigate the use of acousto-ultrasonic method for such application. This method consists in emitting ultrasonic waves throughout the structure or the assembly and to receive signals treating them using acoustic methodology. Preliminary investigations realized in [1] have given promising results. There is however still several issues to raise before being able to settle a protocol for the control of adhesively bonded joints using acousto-ultrasounds. These issues mainly concern:

-        The choice and the control of the ultrasonic wave,

-        The coupling effect and the choice of the receiving sensors,

-        The choice of the exploitation technique (signal treatment, multiparametric analysis, …)

-        The qualification of the method capabilities (distance between sensors, sensibility, classification of the defects, …)

The proposed work will be separated in several steps. The first step will be dedicated to the state of the art on the acousto-ultrasonic method, its application to the control of adhesively bonded joints, and the possible methodologies used to classify and identify acoustic events. The second step will be concerned with first experimental investigations on bonded assembly typically encountered in civil engineering with different defaults (composite reinforcements bonded to concrete or steel, or wood to concrete bonded assembly). This step will allow studying the coupling effect and the choice of sensors. It will also allow assessing different methodologies used to classify acoustic events. The evolution of the different acoustic parameters will be studied and some multiparametric methods [3] such as the principal component analysis one will be used to treat the results. A third step will then be carried out on additional experimental investigations to study the influence of the rigidity of the studied materials, and the scale effect using different sample sizes. This should allow determining the most suitable methodology (application, post-treatment method), checking its robustness, proposing calibration methods on site and assessing the maximum size of the samples that may be investigated.

The work will be supervised by S. Chataigner from IFSTTAR. N. Godin from INSA Lyon will also contribute to the work supervision. The student will be localized in SMC laboratory (MAST department) on the site of Nantes where most of the experimental and numerical investigations will be carried out. Some missions could also be carried out in the laboratory MATEIS in Lyon.

The student should have some skills in signal treatment and signal analysis. He should be interested in the realization of experimental investigations and the exploitation of the results.

 

[1] F. TAILLADE, M. QUIERTANT, K. BENZARTI AND C. AUBAGNAC,  Shearography and pulsed stimulated infrared thermography applied to a nondestructive evaluation of FRP strengthening systems  bonded on concrete structures, Construction and Building materials, Vol. 25, pp.568-574, 2011. 

[2] S. Chataigner, L. Gaillet, L. Vallée, E. Le Gal La Salle, Contrôle non destructif d’assemblages composite/béton collés par acousto-ultrasons, JNC 2015, Villeurbanne, 2015.

[3] N. Godin, S. Huguet, R. Gaertner, and L. Salmon. Clustering of acoustic emission signals collected during tensile tests on unidirectional glass/polyester composite using super-vised and unsupervised classifiers. NDT&E International, Vol.37 :253–264, 2004.

 

 

 

 

Lieu: 
IFFSTAR Nantes
Contact: 
sylvain.chataigner@ifsttar.fr