L’objectif de ce mémoire de thèse est de mener des recherches sur l’utilisation des technologies sans contact pour la surveillance de santé structurale. Les recherches comportent des développements scientifiques et technologiques visant à bien comprendre le fonctionnement des réseaux de capteurs sans fils dans un milieu hétérogène. Tout d’abord, nos études se concentrent sur les mesures des coefficients de réflexion et de transmission des ondes électromagnétiques dans le béton. La réalisation d’une communication entre deux antennes patch noyées dans du béton a permis de confirmer l’effet de l’humidité du béton sur l’atténuation des ondes radio dans le béton. Cette analyse a conduit à l'identification des propriétés diélectriques du béton pour la fréquence 860 MHz. Ensuite, nous avons étudié l’influence des configurations des armatures du béton (emplacement des armatures, dimensions des armatures) sur les coefficients de réflexion et de transmission. Nous avons étudié et optimisé une topologie de réseaux de capteurs sans fils adéquate pour être noyée dans le béton armé. L’étude d’optimisation prend en compte les caractéristiques des nœuds de capteurs, le bilan de liaison entre un nœud de capteur communicant et le puits et la durée de vie d’un nœud. Enfin, la conception et la réalisation d’un « totem en béton armé » d’une hauteur de 3 m, a permis de valider les différentes études abordées au cours de ces travaux de thèse. Cet édifice en béton armée est un démonstrateur instrumenté par un réseau de capteurs sans fils permettant de connaitre l’évolution de la température, de l’humidité et le niveau de déformation internes du béton armé à six endroits critiques de la structure. / The objective of this thesis is to conduct research on the use of contactless technologies for structural health monitoring. The research involves scientific and technological developments to understand the functioning of wireless sensor networks in a heterogeneous environment composed of cement, aggregates, water and frames. First, our studies focus on reflection and transmission coefficients measurements of electromagnetic waves in the concrete. The realization of a communication between two Patch antennas embedded in concrete confirmed concrete moisture effect on radio waves attenuation. This analysis led to the identification of the dielectric properties of concrete at 860 MHz frequency. Later we studied the effect of various reinforced bar configurations (rebar placement, rebar radius, rebar period) on reflection and transmission coefficients. Then we studied and optimized a wireless sensor network topology to be embedded in concrete. The optimization takes into account the characteristics of sensor nodes, link budget between the communicating sensor node and the gateway and the lifespan of a node. Finally, the design and realization of a "reinforced concrete structure" of 3 m height enable to validate the different studies discussed during the thesis work. This reinforced concrete structure is an instrumented demonstrator of wireless sensor network enabling the knowledge of internal temperature, humidity and strain evolutions of a reinforced concrete in six critical areas of the structure.

Le paradigme de la surveillance de santé structurale repose sur l'introduction d'indicateurs fiables et robustes permettant de détecter, localiser, quantifier et prédire un endommagement de manière précoce. En effet, la détection d'une modification structurale susceptible de devenir critique peut éviter l'occurrence de dysfonctionnements majeurs associés à des conséquences sociales, économiques et environnementales très importantes.Ces dernières années, de nombreuses recherches se fait de l'évaluation dynamique un élément de diagnostic. La plupart des méthodes reposent sur une analyse temporelle ou fréquentielle des signaux pour en extraire une information compressée au travers de quelques caractéristiques modales ou d'indicateurs évolués construits sur ces caractéristiques. Ces indicateurs ont montré leur efficacité, mais le problème de leur sensibilité, de la nécessité de disposer d'un état de référence, et de leur fiabilité en terme de la probabilité de détection et de fausses alarmes, reste entier. De plus, le fait d'utiliser des mesures dynamiques (particulièrement si plusieurs voies de mesures sont considérées) mène au stockage de grands volumes de données.Dans ce contexte, il est important d'employer des techniques permettant d'utiliser autant des données brutes que les propriétés modales de manière pratique et pertinente. Pour cela, des représentations adaptées ont été développées pour améliorer la manipulation et le stockage des données. Ces représentations sont connues sous le nom de og données symboliques fg . Elles permettent de caractériser la variabilité et l'incertitude qui entachent chacune des variables. Le développement de nouvelles méthodes d'analyse adéquates pour traiter ces données est le but de l'Analyse de Données Symboliques (ADS).L'objectif de cette thèse est double : le premier consiste à utiliser différentes méthodes couplées à l'ADS pour détecter un endommagement structural. L'idée est d'appliquer des procédures de classification non supervisée (e.g. divisions hiérarchiques, agglomérations hiérarchiques et nuées dynamiques) et supervisée (e.g., arbres de décision Bayésiens, réseaux de neurones et machines à vecteurs supports) afin de discriminer les différents états de santé d'une structure. Dans le cadre de cette thèse, l'ADS est appliquée aux mesures dynamiques acquises emph{in situ} (accélérations) et aux paramètres modaux identifiés. Le deuxième objectif est la compréhension de l'impact des effets environnementaux, notamment de ceux liés à la variation thermique, sur les paramètres modaux. Pour cela, des techniques de régression des données sont proposées.Afin d'évaluer la pertinence des démarches proposées, des études de sensibilité sont menées sur des exemples numériques et des investigations expérimentales. Il est montré que le couplage de l'ADS aux méthodes de classification de données permet de discriminer des états structuraux avec un taux de réussite élevé. Par ailleurs, la démarche proposée permet de vérifier l'importance d'utiliser des techniques permettant de corriger les propriétés modales identifiées des effets thermiques, afin de produire un processus de détection d'endommagements efficace

Le paradigme de la surveillance de santé structurale repose sur l'introduction d'indicateurs fiables et robustes permettant de détecter, localiser, quantifier et prédire un endommagement de manière précoce. En effet, la détection d'une modification structurale susceptible de devenir critique peut éviter l'occurrence de dysfonctionnements majeurs associés à des conséquences sociales, économiques et environnementales très importantes.Ces dernières années, de nombreuses recherches se fait de l'évaluation dynamique un élément de diagnostic. La plupart des méthodes reposent sur une analyse temporelle ou fréquentielle des signaux pour en extraire une information compressée au travers de quelques caractéristiques modales ou d'indicateurs évolués construits sur ces caractéristiques. Ces indicateurs ont montré leur efficacité, mais le problème de leur sensibilité, de la nécessité de disposer d'un état de référence, et de leur fiabilité en terme de la probabilité de détection et de fausses alarmes, reste entier. De plus, le fait d'utiliser des mesures dynamiques (particulièrement si plusieurs voies de mesures sont considérées) mène au stockage de grands volumes de données.Dans ce contexte, il est important d'employer des techniques permettant d'utiliser autant des données brutes que les propriétés modales de manière pratique et pertinente. Pour cela, des représentations adaptées ont été développées pour améliorer la manipulation et le stockage des données. Ces représentations sont connues sous le nom de og données symboliques fg . Elles permettent de caractériser la variabilité et l'incertitude qui entachent chacune des variables. Le développement de nouvelles méthodes d'analyse adéquates pour traiter ces données est le but de l'Analyse de Données Symboliques (ADS).L'objectif de cette thèse est double : le premier consiste à utiliser différentes méthodes couplées à l'ADS pour détecter un endommagement structural. L'idée est d'appliquer des procédures de classification non supervisée (e.g. divisions hiérarchiques, agglomérations hiérarchiques et nuées dynamiques) et supervisée (e.g., arbres de décision Bayésiens, réseaux de neurones et machines à vecteurs supports) afin de discriminer les différents états de santé d'une structure. Dans le cadre de cette thèse, l'ADS est appliquée aux mesures dynamiques acquises emph{in situ} (accélérations) et aux paramètres modaux identifiés. Le deuxième objectif est la compréhension de l'impact des effets environnementaux, notamment de ceux liés à la variation thermique, sur les paramètres modaux. Pour cela, des techniques de régression des données sont proposées.Afin d'évaluer la pertinence des démarches proposées, des études de sensibilité sont menées sur des exemples numériques et des investigations expérimentales. Il est montré que le couplage de l'ADS aux méthodes de classification de données permet de discriminer des états structuraux avec un taux de réussite élevé. Par ailleurs, la démarche proposée permet de vérifier l'importance d'utiliser des techniques permettant de corriger les propriétés modales identifiées des effets thermiques, afin de produire un processus de détection d'endommagements efficace / The paradigm of structural health monitoring is based on the development of reliable and robust indicators able to detect, locate, quantify and predict damage. Studies related to damage detection in civil engineering structures have a noticeable interest for researchers in this area. Indeed, the detection of structural changes likely to become critical can avoid the occurrence of major dysfunctions associated with social, economic and environmental consequences.Recently, many researches have focused on dynamic assessment as part of structural diagnosis. Most of the studied techniques are based on time or frequency domain analyses to extract compressed information from modal characteristics or based on indicators built from these parameters. These indicators have shown their potentialities, but the problem of their sensitivity, the necessity of a reference state, and their reliability in terms of detection probability and false alarm, still remains. Moreover, the use of raw dynamic measurements (especially if several measurement channels are considered) leads to the storage of large datasets.In this context, it is important to use techniques capable of dealing not only with raw data but also modal parameters in a practical and relevant way. In order to give some insights to this problem, appropriate representations have been developed to improve both manipulation and storage of data. These representations are known as og symbolic data fg. They are used to characterize the variability and uncertainty that exists within each variable. The development of new methods capable of dealing with this type of data is the goal of Symbolic Data Analysis (SDA).This thesis has two main objectives: the first one is to use different methods coupled with the SDA to detect structural damage. The idea is to employ clustering procedures (e.g., hierarchy-divisive, hierarchy-agglomerative and dynamic clouds) and supervised classification methods (e.g., Bayesien decision trees, neural networks and support vector machines) to discriminate different structural states. In this thesis, SDA is applied to dynamic measurements obtained on site (accelerations) and to the identified modal parameters. The second goal is to study the impact of environmental effects, particularly those related to thermal variation over modal parameters. To this end, a couple of regression techniques are proposed.In order to attest the efficiency of the proposed approaches, several sensibility studies considering numerical applications and experimental investigations are carried out. It is shown that SDA coupled with classification methods is able to distinguish structural conditions with adequate rates. Furthermore, it is stressed the importance of using techniques capable of correcting modal parameters from thermal effects in order to build efficient procedures for damage detection

Résumé : Les systèmes de surveillance de santé structurale sont proposés pour la détection d’endommagement dans les infrastructures qui dépassent leur durée de vie en utilisant les ondes guidées (GW). Les ondes guidées peuvent parcourir de longues distances et sont sensibles à une variété d’imperfections. Les transducteurs piézoélectriques sont communément utilisés pour générer et mesurer les ondes guidées dans des structures minces. Comme la détection du défaut et sa localisation sont souhaitées, la nature de la génération des ondes guidées sous forme de plusieurs modes implique une complexité supérieure dans le traitement du signal. Pour remédier à cette limitation, une nouvelle méthode est présentée ici pour la génération des ondes guidées par sélection de mode, et un nouveau transducteur piézoélectrique est ensuite conçu, fabriqué et testé. Tout d'abord, la génération des ondes guidées par optimisation systématique du profil interfacial de la contrainte de cisaillement en mode sélectif est étudiée. En utilisant le principe de superposition, une méthode d'analyse est d'abord développée pour la modélisation de la génération des ondes guidées par un nombre fini de segments de contrainte de cisaillement uniforme, chacun contribuant à un profil élémentaire d’une contrainte constante de cisaillement. Sur cette base, deux fonctions coût sont définies afin de minimiser les modes indésirables et amplifier le mode sélectionné et le problème d'optimisation est résolu avec un cadre d'optimisation d’algorithme génétique parallèle. Les avantages de cette méthode par rapport à d'autres approches de conception de transducteurs classiques sont (1) la contrainte de cisaillement peut être explicitement optimisée à la fois pour exciter un mode et supprimer d'autres modes indésirables, (2) la taille de la zone d'excitation n’est pas limitée et l’excitation en mode sélectif est toujours possible, même si la largeur d'excitation est inférieure à toutes les longueurs d'onde excitées, et (3) la sélectivité est accrue et la largeur de bande est étendue. La méthode analytique et les fonctions coût sont ensuite développées pour concevoir un transducteur piézoélectrique à éléments multiples (MEPT) simple et performant. Une méthode numérique est tout d'abord mise au point pour extraire la contrainte interfaciale entre un seul élément piézocéramique et une structure d'accueil et ensuite utilisée comme entrée d'un modèle analytique pour prédire la propagation des ondes guidées à travers l'épaisseur d'une plaque isotrope. Deux nouvelles fonctions coût sont proposées pour optimiser la contrainte de cisaillement interfaciale pour supprimer le(s) mode(s) indésirable(s) et maximiser un mode désiré. Simplicité et faible coût de fabrication sont deux principales cibles visées dan la conception du MEPT. Un prototype TPEM est ensuite fabriqué à l'aide de micro-usinage laser. Une procédure expérimentale est présentée afin de valider les performances de la TPEM comme une nouvelle solution pour la génération des ondes guidées en mode sélectif. Des essais expérimentaux illustrent la forte capacité du TPEM pour la génération des ondes guidées en mode sélectif, puisque le mode indésirable est supprimé par un facteur allant jusqu'à 170 fois par rapport aux résultats obtenus avec un seul piézocéramique. / Abstract : Structural Health Monitoring (SHM) systems are being proposed for damage detection of infrastructures that exceed their life using ultrasonic Guided waves (GWs). GWs can travel over long distances and are sensitive to variety of defects. Piezoelectric transducers (PZTs) are commonly used to generate and measure GWs in plate-like structures. As damage detection and localization is sought, the multi-mode nature of GW generation involves higher complexity in signal processing. To overcome this limitation, a new method is presented here for modeselective GW generation, and a novel mode-selective PZT is then designed, manufactured and tested. First, mode-selective generation of GWs by systematic optimization of the interfacial shear stress profile is investigated. Using the superposition principle, an analytical method is first developed for modeling GWs generation by a finite number of uniform shear stress segments, each contributing with a constant elementary shear stress profile. Based on this, two cost functions are defined in order to minimize the undesired modes and amplify the selected mode and the optimization problem is solved with a parallel Genetic Algorithm (GA) optimization framework. Advantages of this method over more conventional transducers tuning approaches are that (1) the shear stress can be explicitly optimized to both excite one mode and suppress other undesired modes, (2) the size of the excitation area is not constrained and mode-selective excitation is still possible even if excitation width is smaller than all excited wavelengths, and (3) the selectivity is increased and the bandwidth extended. The analytical method and objective functions are then developed to design a novel and costeffective multi-element piezoelectric transducer (MEPT). A numerical method is first developed to extract the interfacial stress between a single piezoceramic element and a host structure and then used as the input of an analytical model to predict the GW propagation through the thickness of an isotropic plate. Two novel objective functions are proposed to optimize the interfacial shear stress for both suppressing unwanted mode(s) and maximizing a desired mode. Simplicity and low manufacturing cost are two main targets driving the design of the MEPT. A prototype MEPT is then manufactured using laser micro-machining. An experimental procedure is presented to validate the performances of the MEPT as a new solution for mode-selective GW generation. Experimental tests illustrate the high capability of the MEPT for mode-selective GW generation, as unwanted mode is suppressed by a factor up to 170 times compared with the results obtained with a single piezoceramic.

La surveillance de santé structurale (SHM) a attiré beaucoup d'attention dans de nombreux domaines tels que l'industrie civile, aéronautique, mécanique, etc., car il est important de surveiller l'état de la structure afin d'éviter des défaillances structurelles imprévues. Le processus d'identification des endommagements à quatre niveaux: existence, localisation, sévérité et prédiction de l'évolution des endommagements peut être partiellement réalisé si un propre indicateur est bien choisi. Il existe différents indicateurs d'endommagements dont la gamme d'application de la fréquence s'étend de la réponse vibratoire à basses fréquences aux régimes ultrasoniques dans la gamme méga hertz.Les structures sandwich sont largement utilisées dans diverses applications d'ingénierie en raison de son rapport rigidité / poids exceptionnellement élevé par rapport aux structures monocoques. Dans ce travail, une structure sandwich a été étudiée et des indicateurs basés sur la réponse vibratoire ont été conçus en utilisant ses caractéristiques de directivité de propagation et d'amortissement relativement élevé de la structure. Des investigations numériques sur différents scénarios d'endommagement (càd, différents types d'endommagement et leurs combinaisons) et une discussion associée sur la plage d'application ont d'abord été effectuées. La configuration expérimentale a été facilement réalisée à l'aide d'un vibromètre laser à balayage Doppler (SLDV). L'endommagement a été détecté avec succès par les indicateurs proposés. / Structural health monitoring (SHM) has attracted much attention in many engineering fields like civil, aeronautic, mechanical industry, etc. since it is important to monitor the healthy condition of the operational structure in order to avoid unpredicted structural failure which may have severe consequences. The four-level damage identification process: existence, localization, severity and prediction of damage evolution, can be partly realized if a suitable indicator is chosen. It exists different damage indicators whose application range of frequency spans from vibrational response at low frequencies to the ultrasonic regimes in the mega hertz range.The sandwich structures are widely used in various engineering applications due to its exceptionally high flexural stiffness-to-weight ratio compared to monocoque structures. In this thesis a specified twin-wall sandwich structure in polypropylene was studied and vibration-based indicators were designed by taking use of its relative high damping and propagation directivity characteristics. Numerical investigations on different damage scenarios (i.e., different types of defect and their combinations) and an associated discussion on the range of application were first carried out. Experimental configuration was easily realized with the help of a scanning laser doppler vibrometer (SLDV). Defect was successfully detected by the proposed indicators.