Zezelj Bridge, Novi Sad. — Nouveau pont de Zezelj à Novi Sad (en construction). Source : Shutterstock.com

Surveillance d’un pont avec les systèmes de mesure HBM

La solution de surveillance avec 472 capteurs permet de contrôler les performances d’un pont dans le temps

Le pont de Žeželj était un pont en voûte au-dessus du fleuve Danube servant au chemin de fer et à la circulation routière à Novi Sad en Serbie. Il a été construit en 1961 par un ingénieur civil célèbre, Branko Žeželj. Une construction unique de béton contraint en avance pour l’époque et beaucoup de personnes ont eu des doutes concernant la longévité de la construction. Ainsi, afin de les rassurer, Branko a ramé sur un bateau sous le pont pendant les charges d'essai.

Cependant, pendant les attaques aériennes de l'OTAN en 1999, le pont a été bombardé à 12 reprises et en conclusion, après que de multiples impacts directs, il a été détruits le 23.4.1999. A Novi Sad, c'était le dernier pont resté debout pendant cette campagne de l'OTAN, nommée « Operation Noble Anvil ».

Un nouveau pont qui relie les personnes, les pays et l'économie

Le nouveau pont Žeželj est encore en construction et l’on espère que celle-ci s’achèvera vers la fin 2017. Sa conception demeurera semblable à celle du vieux pont, mais sa structure se composera de voûtes en acier. Il fera 474 m de long et aura deux voies de chemin de fer pour un couloir international mais aussi deux voies de circulation routière et deux pistes cyclables et des axes piétonniers.

L'Union européenne participe à la réalisation de ce projet puisque c'est une ligne de transport essentielle pour les Balkans et l'UE.

Mechanical structure of a bridge — Structure mécanique du nouveau pont (graphique de TRC)

Les conceptions modernes exigent des moyens de surveillance efficaces

En terme de comportement, les ponts de chemin de fer et de trafic routier exige des systèmes de surveillance de plus en plus complexe à cause en partie aux différents types de charge et à l'intensité variables de ces charges mais aussi parce que la sécurité structurale d'un pont est très importante dans la vie quotidienne.

Le département Génie Civil et de Géodésie (FTN - la faculté des sciences techniques de Novi Sad) en coopération avec TRC PRO (Technical Research Center) avaient employé la technologie de mesure HBM pour la construction sûre d’un nouveau pont ferroviaire.

La surveillance de santé struturale (SHM) est effectuée par un ensemble d'actions qui comprend l'observation, l’acquisition de données, le transfert et l'analyse de ces données acquises par des mesures sur de longues périodes durant l'exploitation du pont. L’objectif de cette surveillance de santé structurale du pont est de constituer une base de données pour déterminer le comportement de la structure du pont afin d'éviter toutes détériorations potentielles susceptibles d’intervenir sur la bonne sécurité du pont et sur ses performances (sa portance, sa rigidité, sa disponibilité et sa longévité).

PMX Data Acquisition System — Système d’acquisition de données PMX

Technologie fiable des capteurs

La technologie de base utilisée pour les mesures est les jauges de contrainte, qui équipent les capteurs de force ou bien collées directement à même la structure du pont. Les capteurs à jauges de contrainte offert un énorme avantage celui d’une stabilité à long terme élevée. C'est important pour ce projet parce qu'elles seront opérationnelles durant la vie entière du nouveau pont et il n'est pas possible d'arrêter la surveillance pour faire à nouveau un calibrage.

En plus de cela, les jauges de contrainte HBM de la série LY41, employées dans cette application, offrent une bonne compensation de température, qui est une nécessité absolue, car la structure est soumise différents conditions climatiques et variations de température.

Pour l’acquisition des données, le système de mesure est l’appareil PMX de HBM.

Après installation, les points de mesure sont recouverts pour empêcher d’être endommagés et sont protégés contre les interférences électromagnétiques.

Sections critiques du pont

Ce projet se comporte d'une solution de mesure multivoie distribuée tout au long du pont pour surveiller en permanence certaines sections critiques du pont :

Analyse expérimentale des contraintes (essai de durabilité) : 4 travées centrales, 8 zones de soutien et 2 zones pendant le lancement
Mesure de forces dans les arcs : 12 arcs
Déplacements verticaux : sur les 12 travées centrales et 8 zones de soutien
Déplacements longitudinaux : sur 4 zones de soutien
Inclinaisons : sur les travées centrales et 9 zones de soutien
Accélérations, fréquences et paramètres d'amortissement : dans les 12 travées centrales et 9 zones de soutien
Mesure de température dans la structure du pont : dans les 12 travées centrales et 9 zones de soutien

Installed strain gauge on a bridge — Jauge de contrainte avec compensation de température collée directement sur la structure du pont (photo TRC)

Protected strain gauge — Point de mesure avec jauges de contrainte recouvert d’une protection (photo de TRC)

PMX Data Acquisition System on the bridge — Positions du système de mesure et de contrôle PMX sur le nouveau pont

Bridge structure with PMX — Structure du pont avec la position des systèmes de surveillance PMX (représentée en rouge)

Construction and monitoring detail — Détail de la construction et des systèmes de surveillance dans une zone de soutien

472 capteurs installés

Le nombre total de jauges et capteurs installés est de 472 :

328 jauges de contrainte HBM (réf LY41) dans 14 sections (pour l’analyse expérimentale des contraintes)
80 capteurs de force (surveillance des efforts dans les arcs)
12 capteurs de déplacement dans 4 sections de soutien mobiles (pour mesurer les déplacements horizontaux)
32 inclinomètres biaxiaux (pour mesurer l'inclinaison bi-axiale et le déplacement vertical à partir des mesures d'accélération) avec accéléromètres tri-axes intégrés
et capteurs de température dans 20 sections structurales et une section du pilier de la zone centrale.

Les ajustements peuvent être faits directement au point de mesure

La mesure et l’acquisition des données et le système de contrôle doit accomplir plusieurs tâches et facultés : Faire de mesures rapides et fiables, se régler facilement, avoir la possibilité de faire des calculs en temps réel, offrir des informations de diagnostic, nécessiter aucun logiciel additionnel et être attractif en prix. Le système de contrôle PMX satisfait grandement à toutes ces exigences.

Pour être mieux protégé contre la poussière et les interférences électromagnétiques, chaque PMX est monté dans un coffret, qui offre une solution rentable et qui inclut également l'alimentation électrique.

Dans un premier temps, tous les signaux sont prélevés à 19.2 kHz, ce qui offre une large bande passante et une bonne mesure des signaux. Tous les ajustements sur le système PMX sont effectués par l'intermédiaire de l’interface Ethernet standard et du serveur web interne du PMX.

Cette solution offre un grand avantage : Les ajustements peuvent être faits directement au point d'installation ou par le réseau Ethernet à partir de la salle de contrôle ou même à distance si la liaison WiFi additionnelle est disponible. Ainsi chaque ingénieur peut avoir une vue d’ensemble en temps réel de l'application et avoir un état de l'essai. Un contrôle-opérateur intégré évite des opérations d'insécurité.

PMX mounted in a cabinet — Système de surveillance PMX monté dans un coffret sur la structure même du pont (photo de TRC)

Screenshot of the PMX webserver — Ecran de visualisation du serveur web du PMX avec les signaux de mesure, les voies calculées et les signaux d’E/S (HBM

Concept du stockage des données

Les conditions d’utilisation demandent de capturer plusieurs tâches. Pour la surveillance à long terme, toutes les données des systèmes PMX sont transmises par le réseau Ethernet du pont vers un serveur de données pour la fonction mesure et contrôle. Mais, pour avoir une copie de sauvegarde, chaque PMX dispose d’un data-logger interne qui permet de stocker les données dans sa mémoire interne avec horodateur. Ainsi les données ne se perdront pas dans le cas d’une panne du réseau Ethernet. Après rétablissement du réseau suite à une panne, les données peuvent être transférées à partir de chaque station PMX au serveur de données.

Construction du réseau de surveillance

Les systèmes de surveillance PMX sont éparpillés partout sur le pont, distants d’environ 500 mètres. Mais pour obtenir des résultats de mesure valables, le taux d'échantillonnage de chaque système PMX et de chacune des voies doivent être synchronisés. Par conséquent, chaque système PMX offre une option de synchronisation.

Calcul en temps réel puissant avec les fonctions intelligentes du PMX

Dans un deuxième temps, des informations importantes souhaitées sont calculées en temps réel. Ceci peut être fait aisément avec les fonctions intelligentes du PMX, que l'opérateur peut facilement utiliser sans aucune qualification particulière en logiciel. Ces fonctions intelligentes incluent plusieurs fonctions mathématiques comme une calculette, des fonctions logiques, des évaluations de process jusqu'à des fonctions de contrôleur comme le contrôleur PID.

Diagnostic temps réel avec le système de surveillance PMX

Un diagnostic détaillé et plus profond est stocké dans le fichier de consignation du PMX. Ce dossier est stocké dans la mémoire interne du PMX. Il couvre toutes les erreurs à venir dans le dispositif, mais aussi tous les changements de paramétrage exécutés par les opérateurs. Cela permet d’assurer 100% de l'essai et du process de mesure.

Collecte et évaluation des données

L'équipe d'ingénieur avait défini dans les critères un système d’acquisition facile à utiliser, robuste et puissant avec logiciel. "Le sous-système de traitement des données (système informatique polyvalent pour l'acquisition, le transfert et le traitement des données) acquis auprès des PMX de HBM utilise un logiciel HBM convivial et développé pour la présentation des données dans HBM catman", déclare Hotimir Licen de TRC PRO.

Avec catman, il est possible de stocker et visualiser complètement les données. Différents tableaux et graphiques de données utilisateurs peuvent être installés pour différentes tâches de surveillance. De plus, un système de surveillance d'événement avec l’envoi d’un email ou message téléphonique peut être implémenté. Cela permet d’avoir instantanément l’information et l’opérateur peut alors agir immédiatement sur la signalisation du pont régulant le trafic du pont de manière à soulager les charges sur le pont.

Data logging with PMX — Moyens d’enregistrement des données avec le PMX

“Nous avons trouvé que le serveur web du PMX est un outil très utile pour le paramétrage, l’installation et le contrôle des appareils. Nous n’avons pas eu besoin de logiciel supplémentaire et nous avons pu utiliser le serveur web standard sur nos ordinateurs, tablettes ou smartphones. D'ailleurs, il est disponible de manière permanente en temps réel sur l’ensemble du pont”

Hotimir Licen de TRC PRO

De bons résultats avec des budgets limités

Comme le budget de surveillance de santé structurale du pont était limité, la plate-forme de mesure PMX a été choisie pour son excellent rapport coût-performances. Selon Hotimir Licen de TRC PRO, elle offrait les avantages suivants :

Excellentes exactitude et résolution élevée
Capacité de mesurer des phénomènes statiques et dynamiques
Système universel pour jauges de contrainte et capteurs inductifs
Possibilité de faire de l’analyse de contraintes avec compensation hardware de la température de chaque voie en configuration demi-pont.
Système distribuable avec interface Ethernet
Mesure synchronisée de toutes les voies via la synchronisation NTP
Opération autonome avec sauvegarde des données sur disque USB en local sur le PMX et accès à distance sur PC avec le logiciel catman de HBM.