Depuis l’automne 2011, des travaux de recherches ont été réalisés par le groupe de recherche en géotechnique de l’Université de Sherbrooke afin de développer une méthode d’inspection non-destructive permettant l’évaluation de l’état de dégradation du toit des structures enfouies du réseau de distribution d’Hydro-Québec (chambre de raccordement). En plus d’être non-destructive, la méthode développée se doit d’être réalisable depuis la surface du sol et donc ne pas nécessiter d’accès direct à la structure. Cette thèse explique en détail le processus de recherche réalisé depuis l’automne 2013 qui a mené au développement d’un outil permettant de faire l’inspection d’une structure souterraine à l’aide de l’étude de la propagation des ondes élastiques dans le sol. Premièrement, un survol de l’état des connaissances montre que les méthodes géophysiques peuvent offrir une alternative intéressante aux méthodes d’inspections traditionnelles. Cette revue montre également que la propagation des ondes élastiques peut être simulée à l’aide de différentes méthodes analytiques, semi-analytiques et numériques. Deuxièmement, il est montré que les algorithmes utilisés dans cette thèse permettent l’identification et la séparation dans le domaine vitesse-fréquence de différents groupes d’ondes présents dans divers types de signaux sismiques. Ces algorithmes permettent également le calcul de l’énergie et des vitesses de groupe et de phase des différents groupes d’ondes identifiés. Troisièmement, la méthode de la matrice de propagation et des simulations numériques en 2D montrent que l’énergie et les vitesses de propagation du mode fondamental des ondes de Rayleigh varient en fonction de la profondeur d’une structure souterraine. Il est notamment montré que la présence d’une structure souterraine agit comme un guide d’onde entrainant une variation importante de la vitesse de groupe près d’une fréquence nommée phase d’Airy. Des simulations numériques en 2D réalisées sur des structures dont la surface comporte des anomalies permet de montrer que la présence de ces dernières entraîne des variations importantes de l’énergie et des vitesses de propagations des ondes élastiques calculées à partir de la variation de l’accélération verticale mesurée à la surface du modèle. Ces observations ont mené à l’élaboration d’un protocole d’inspection qui a par la suite été testée sur de vraies structures construites sur le site expérimental de l’IREQ. Ces essais sur le site expérimental ont permis de confirmer que la profondeur et l’état de dégradation de la surface du toit d’une structure souterraine affectent l’énergie et la vitesse de propagation des ondes élastiques. Quatrièmement, des simulations numériques en 3D ont été réalisées afin d’améliorer le protocole d’inspection et d’évaluer l’effet de la présence du puits d’accès reliant la structure à la surface du terrain. Ces simulations ont permis de développer un nouveau protocole d’inspection et de montrer que la présence du puits d’accès n’empêche pas la détection d’anomalies présentes à la surface d’une structure. L’efficacité de ce nouveau protocole a également été validée en réalisant de nouveaux essais sur le site expérimental de l’IREQ. Finalement, il est montré que la présence d’un revêtement rigide à la surface du sol n’empêche pas la caractérisation du profil souterrain se trouvant sous un revêtement rigide lorsque la source se trouve directement en contact avec le sol.

Ce travail concerne l’évaluation par méthodes non destructives (ND) de l’endommagement du béton associé à l’oxydation des sulfures de fer présents dans les granulats. Plus spécifiquement, ce projet a été réalisé dans le cadre des problèmes de dégradation précoce de fondations résidentielles relevés dans la région de Trois-Rivières. Ce projet de maîtrise vise à valider les essais ND réalisés pour la caractérisation des phénomènes de dégradation, ce qui va permettre de donner une nouvelle approche à la caractérisation ND du béton endommagé par l’oxydation des sulfures de fer. Quatre méthodes ND ont été évaluées afin de quantifier le niveau d’endommagement et faire un suivi de l’évolution de la réaction d’oxydation : vitesses ultrasonores en mesure directe, vitesses ultrasonores en mesure indirecte, impact-écho, acoustique non linéaire (technique du saut temporel). Le programme expérimental a été effectué en trois volets. Le premier volet consiste à réaliser un suivi sur des blocs prélevés à partir de murs de fondation (4 séries de S blocs) et de murs mitoyens (1 série de 5 blocs) de maisons affectées par le problème et ayant des niveaux visuels de dégradation variant entre 0 (faible) et 3 (très élevé), respectivement. Ces blocs ont été placés sur un site d’exposition extérieure à Trois-Rivières. Dans le deuxième volet, un programme de carottage consistait à retirer cinq carottes de chaque série de blocs/année, de même que trois carottes de trois niveaux différents (de la base au sommet de la fondation) dans deux maisons sélectionnées. Des essais de résonance (non linéaire), mesure directe (UPV) et mesure indirecte (linéaire) ont été réalisés sur toutes les carottes. Le troisième volet, en collaboration avec l’IREQ, consistait à réaliser des essais ND sur des blocs de béton fabriqués à l’IREQ. Ces blocs sont caractérisés par différentes formulations (dosage en ciment, e/c) et l’utilisation de granulats réactifs (type Trois-Rivières) et non réactif (contrôle). Les résultats obtenus au cours de cette recherche ont montré une diminution significative des vitesses de propagation au cours de la période d’essai (mai 2011 - 2012) sur les blocs prélevés des murs de fondation à Trois-Rivières (blocs B, C, D et E). Cependant, aucun changement n’a été détecté au niveau de la série de blocs prélevés du mur mitoyen (blocs A) puisque ces derniers n’avaient pas commencé à se détériorer. Les résultats obtenus sur les carottes prélevées à partir des blocs de fondation indiquent des degrés de dégradation similaires à ceux des blocs. Les carottes prélevées d’une des maisons présentent un gradient de dégradation, (i.e. dégradation plus élevée dans la partie supérieure exposée aux intempéries des murs de fondation). Cet écart entre les 2 maisons n’a pu être expliqué à ce jour. De même, les essais destructifs sur les carottes (résistance à la compression uniaxiale et traction indirecte) ont montré une bonne corrélation avec les essais ND sur site. Aucun changement n’a été enregistré dans la vitesse de propagation des blocs de l’IREQ sur une période de 6 mois, ce qui est logique compte tenu de leur jeune âge. Cette étude par caractérisation ND, menée sur des bétons endommagés par l’oxydation sulfures de fer, a permis de porter un éclairage sur l’efficacité des méthodes ND au chantier et au laboratoire, en démontrant une différence de sensibilité de ces méthodes face au degré d’endommagement du béton.

La détection d'endommagements et de changements des propriétés élastiques dans des structures, utilisant les variations des paramètres dynamiques, fait l'objet d'une attention particulière depuis plusieurs années dans les domaines du génie mécanique et du génie civil. Le principe général repose sur le fait que la variation des propriétés physiques (e.g. rigidité, masse, module d'Young, conditions aux limites) entraîne une variation des caractéristiques dynamiques de la structure (e.g. fréquences de résonance, amortissements modaux et déformées modales). La présence d'endommagement provoque ainsi une diminution de la rigidité de la structure, c'est-à-dire une augmentation de sa flexibilité et de son amortissement que l'on retrouve dans la forme des modes et les valeurs des fréquences. Utilisant le changement de ces informations entre un état sain et un état endommagé, plusieurs méthodes non-destructives ont été proposées dans la littérature afin d'identifier et de localiser ces endommagements. Ces pratiques et ces activités sont d'une importance considérable puisqu'elles permettent en premier lieu d'anticiper et donc d'éviter des ruptures dans les structures, toujours catastrophiques, et plus généralement de mettre en place des plans de maintenance prédictives, en lien avec le suivi sur le long terme de leur intégrité (Structural Health Monitoring). Ces méthodes de surveillance se popularisent également du fait de la réduction des coûts des instrumentations, liés à l'apparition de nouveaux équipements à bas coût, ayant des performances satisfaisantes. L'objectif de ce travail est de tester les différentes solutions permettant la détection, la localisation et la quantification des changements dans des structures simples. Plusieurs méthodes ont été testées et une approche nouvelle a été proposée basée sur l'utilisation de la méthode des perturbations. Trois approches ont été suivies: une modélisation par éléments finis (analyse modale), une simulation numériques par éléments finis (analyse temporelle) et enfin des analyses expérimentales sur des poutres en Plexiglas au laboratoire, les trois volets de ce travail ayant permis de tester la sensibilité des méthodes non-destructives (NDE) globales et locales pour la détection et la localisation. Les changements ont été associés à une variation locale du module de Young (E), numériquement pour les solutions numériques et par chauffage local sur des sections de la poutre dans le volet expérimental. Dans tous les cas, nous sommes en situations réelles afin de proposer l'identification des caractéristiques modales par des méthodes opérationnelles (Operative Modal Analysis) telles que la méthode du décrément aléatoire et la méthode de décomposition dans le domaine fréquentiel (Frequency Domain Decomposition). Les résultats d'identification ont montré une très bonne corrélation entre les valeurs numériques et les valeurs expérimentales obtenues : fréquences de résonance et déformés modale. Pour identifier l'endommagement, les méthodes de localisation basées sur la courbure des déformées propres, la matrice de flexibilité, la courbure de flexibilité et enfin sur la méthode d'inversion des modes ont été employées. D'après les résultats obtenus, la méthode d'inversion se montre efficace dans le cas de variations modales faibles et transitoires, alors que la méthode de la courbure de flexibilité donne généralement de bons résultats et apparait robuste lorsque les variations sont plus prononcées.

La détection d'endommagements et de changements des propriétés élastiques dans des structures, utilisant les variations des paramètres dynamiques, fait l'objet d'une attention particulière depuis plusieurs années dans les domaines du génie mécanique et du génie civil. Le principe général repose sur le fait que la variation des propriétés physiques (e.g. rigidité, masse, module d'Young, conditions aux limites) entraîne une variation des caractéristiques dynamiques de la structure (e.g. fréquences de résonance, amortissements modaux et déformées modales). La présence d'endommagement provoque ainsi une diminution de la rigidité de la structure, c'est-à-dire une augmentation de sa flexibilité et de son amortissement que l'on retrouve dans la forme des modes et les valeurs des fréquences. Utilisant le changement de ces informations entre un état sain et un état endommagé, plusieurs méthodes non-destructives ont été proposées dans la littérature afin d'identifier et de localiser ces endommagements. Ces pratiques et ces activités sont d'une importance considérable puisqu'elles permettent en premier lieu d'anticiper et donc d'éviter des ruptures dans les structures, toujours catastrophiques, et plus généralement de mettre en place des plans de maintenance prédictives, en lien avec le suivi sur le long terme de leur intégrité (Structural Health Monitoring). Ces méthodes de surveillance se popularisent également du fait de la réduction des coûts des instrumentations, liés à l'apparition de nouveaux équipements à bas coût, ayant des performances satisfaisantes. L'objectif de ce travail est de tester les différentes solutions permettant la détection, la localisation et la quantification des changements dans des structures simples. Plusieurs méthodes ont été testées et une approche nouvelle a été proposée basée sur l'utilisation de la méthode des perturbations. Trois approches ont été suivies: une modélisation par éléments finis (analyse modale), une simulation numériques par éléments finis (analyse temporelle) et enfin des analyses expérimentales sur des poutres en Plexiglas au laboratoire, les trois volets de ce travail ayant permis de tester la sensibilité des méthodes non-destructives (NDE) globales et locales pour la détection et la localisation. Les changements ont été associés à une variation locale du module de Young (E), numériquement pour les solutions numériques et par chauffage local sur des sections de la poutre dans le volet expérimental. Dans tous les cas, nous sommes en situations réelles afin de proposer l'identification des caractéristiques modales par des méthodes opérationnelles (Operative Modal Analysis) telles que la méthode du décrément aléatoire et la méthode de décomposition dans le domaine fréquentiel (Frequency Domain Decomposition). Les résultats d'identification ont montré une très bonne corrélation entre les valeurs numériques et les valeurs expérimentales obtenues : fréquences de résonance et déformés modale. Pour identifier l'endommagement, les méthodes de localisation basées sur la courbure des déformées propres, la matrice de flexibilité, la courbure de flexibilité et enfin sur la méthode d'inversion des modes ont été employées. D'après les résultats obtenus, la méthode d'inversion se montre efficace dans le cas de variations modales faibles et transitoires, alors que la méthode de la courbure de flexibilité donne généralement de bons résultats et apparait robuste lorsque les variations sont plus prononcées. / The detection of damage and changes in elastic properties of structures, using the variation of dynamic parameters, has been the subject of special attention for several years in the fields of mechanical and civil engineering. The general principle is based on the fact that the variation of physical properties (e.g. stiffness, mass, Young's modulus, boundary conditions) leads to a change in the dynamic characteristics of structures (e.g. resonance frequencies, modal damping and mode shapes). The presence of damage causes a decrease in the rigidity of structures, which give rise to an increase in flexibility and damping, which can be seen in mode shapes and frequency values. Using the change of this information between a healthy and damaged condition, several non-destructive methods have been proposed in the literature in order to identify and locate the damage. These practices and activities are of considerable importance. They allow us to anticipate and avoid breaks in structures, which are always catastrophic, and more generally, they allow us to establish the plans of a predictive maintenance, along with monitoring of the long-term of integrity (Structural Health monitoring). These monitoring methods are equally us popular because of the low cost of instrumentation, related to the appearance of new equipment at low cost, having the satisfactory performance. The objective of this work is to test different solutions, allow for detection, localization and quantification of changes in simple structures. Several methods have been tested and a new approach is proposed based on the use of the perturbation method. Three approaches are followed: finite element modeling (modal analysis), finite element numerical simulation (temporal analysis), and finally, experimental analysis of a Plexiglas beam in the laboratory. These three scopes of work have allowed us to test the sensitivity of global and local non-destructive methods (NDE) for detection and localization of damage. Changes associated with a local variation of Young's modulus (E) are tested numerically in modal and temporal analysis, and shown experimentally in local heating on the sections of beam. In all cases, we are in real life situations, where we identify modal characteristics by operational methods (Operative Modal Analysis) such as the random decrement technique and the method of decomposition in the frequency domain (Frequency Domain Decomposition). The results show a very good correlation between the numerical and experimental values obtained: resonant frequencies and mode shapes. For identifying damage, localization methods based on the curvature of mode shape, flexibility matrix, curvature of flexibility, and finally on the method of inversion of modes are employed. According to the results, the method of inversion proves effective in the case where modal variation is low and transient, whereas, the curvature of flexibility (ULS method) usually gives good results and appears robust when the changes are more pronounced.