Cet article décrit l’utilisation du système Structural health monitoring (SHM) S-lynks de Sercel, afin de surveiller les paramètres modaux d’une structure soumise aux vibrations ambiantes.
Contexte, problématique à résoudre, attentes de l’exploitant :
L’Institut Californien de Technologie (Caltech) souhaitait évaluer les performances d’un réseau de capteurs synchronisés et sans fil permettant la mesure à la fois des paramètres dynamiques d’une structure sous vibrations ambiantes et du comportement de la structure sous sollicitation sismique.
Afin de vérifier la capacité de la solution S-lynks à remplir ces objectifs, un déploiement de la solution a eu lieu dans le bâtiment « Caltech Hall » (cf. ci-contre à gauche), plus connu sous le nom de librairie Millikan, sur le campus de Caltech à Pasadena (Californie) en décembre 2021.
Solution mise en œuvre par Sercel :
Pour de ne pas perturber l’activité des usagers du bâtiment et de permettre la co-activité pendant l’installation, la mise en œuvre de la solution se doit d’être la moins intrusive, et la plus rapide et efficace possible.
Choix d’une solution sans fil
Le déploiement d’une solution sans fil dans un environnement intérieur difficile (ascenseurs, nombreux réseaux wifi, moteurs, compresseurs, murs et pièces métalliques) impose une exigence de robustesse du déclenchement des acquisitions à distance et une fiabilité et précision de la synchronisation sans fil des nodes, en absence de signal GNSS.
Celle-ci s’appuie sur une technologie de déclenchement des acquisitions et de synchronisation sans fil centralisée et développée spécifiquement, sur la base de la technologie LoRa.
Enfin, il est nécessaire de répondre au double objectif d’évaluation structurale sous vibrations ambiantes (donc extrêmement faibles), et du suivi de la réponse du bâtiment à l’activité sismique de la région (donc vibrations de fortes amplitudes). Or, les systèmes habituels ne permettent de mesurer que lors de l’une ou l’autre des situations, mais pas les 2. La solution Sercel S-lynks est à la fois extrêmement sensible et dispose d’une dynamique de mesure très élevées (> 130 dB) pour ne pas être saturée lors de séismes.
La solution S-lynks déployée est une solution industrielle et éprouvée d’analyse dynamique de structures sous vibration ambiante, appelée plus communément OMA (Operational Modal Analysis). Elle consiste à enregistrer les vibrations ambiantes à l’aide d’accéléromètres MEMS triaxiaux ultra-sensibles QuietSeis (cf. Node S-lynks ci-contre à droite). Elle permet de déterminer les paramètres modaux de la structure, tels que les fréquences, amortissements et déformées modales des différents modes de vibration de la structure.
Elle peut être utilisée pour de la surveillance permanente de structures avec transmission des données sur un Cloud par liaison cellulaire IoT type LTE-M, puis traitement automatique des données sur le Cloud (cf. Gateway S-lynks).
Elle peut également être utilisée pour des audits temporaires sans connexion avec le Cloud, avec transmission des données par wifi ou ethernet vers un terminal terrain sur lequel les données sont traitées et visualisées.
Mise en œuvre en 2 phases :
La mise en œuvre de la solution constituée de 8 nodes s’est déroulée en 2 phases distinctes :
- Audit complet des 10 étages du bâtiment sous vibration ambiante (OMA : Operational Modal Analysis)
- Audit des 2 derniers étages sous vibrations forcées (EMA : Experimental Modal Analysis) et comparaison avec le réseau de capteurs vibratoires existant.
Pour la première phase, le plan d’instrumentation a consisté à déployer 4 nodes par étage et à réaliser une acquisition de données de 20 minutes sur 2 étages à la fois.
Figures 5 : Gateway, node, et terminal en opération
Le maillage complet de la structure a nécessité 40 points de mesures réalisés en 5 acquisitions successives. Dans la pratique, 2 points de mesure sur 40 n’ont pas pu être faits pour raison d’accès.
Pour la deuxième phase sous vibrations forcées mettant en œuvre un vibrateur installé de façon permanente sur le toit du bâtiment, seuls les 2 derniers étages ont été instrumentés et 7 acquisitions ont été réalisées :
3 acquisitions avec modulation de fréquence du vibrateur dans une bande de fréquence très basse, basse puis moyenne et 4 acquisitions à fréquence fixe très basse, calée sur le 1er mode de vibration de la structure (1.19Hz).
Ces acquisitions ont eu lieu de nuit pour ne pas perturber l’activité des usagers du bâtiment.
Résultats obtenus :
Les résultats obtenus lors de l’analyse modale sous vibration ambiante en environnement intérieur ont clairement démontré une excellente qualité des données, en particulier la haute fidélité des déformées modales. Cette qualité est imputable à la parfaite maitrise de la réponse en phase et en amplitude des accéléromètres MEMS QuietSeis mais également à l’excellente stabilité et robustesse de la synchronisation sans fil, typiquement meilleure que 50 µs [1].
Les résultats obtenus surpassent en particulier toutes les données précédemment publiées pour ce bâtiment sur les modes d’ordre supérieur (harmoniques).
L’utilisation de capteurs tri-axiaux a par ailleurs mis en évidence des modes qui n’apparaissent pas lors des études utilisant des capteurs bi-axiaux horizontaux, comme par exemple les modes de rotation qui ont une composante verticale significative.
Le test en vibrations forcées avec le vibrateur a permis de comparer les performances de la solution Sercel S-lynks sous sollicitation sismique avec celle des capteurs existants dans la structure (cf. boitier orange ci-contre à gauche).
La pleine échelle des capteurs S-lynks allant jusqu’à près de 1.5g est jugée compatible avec la plupart des événements sismiques de la région.
Les paramètres modaux obtenus en vibrations ambiantes (OMA) du fait de l’extrême sensibilité des capteurs QuietSeis [2][3] ont clairement démontré leur supériorité par rapport aux paramètres modaux obtenus en vibration forcées (EMA). En effet, l’excitation de la structure par le vibrateur induit un comportement non linéaire de cette structure qui tend à réduire les fréquences des modes de vibration.
Ainsi, le 1er mode de flexion de la structure détecté à 1.25Hz en vibrations ambiantes a été « décalé » à 1.19Hz lors du test en vibrations forcées.
L’excitation d’une structure pour réaliser son analyse modale n’est pas nécessaire lorsque le système de mesure est assez sensible. En effet, cette excitation induit un changement de comportement de la structure qui vient fausser les résultats de l’analyse, ce qui n’est pas souhaitable.
La solution S-lynks en vibrations ambiantes apparait donc comme la méthode la plus appropriée tant sur la qualité des données que sur son efficacité opérationnelle et sa faible intrusivité lors de sa mise en œuvre.
L’audit des 10 étages a ainsi été réalisé en quelques heures seulement pendant les heures d’activité du bâtiment, sans nuisance pour les occupants et avec une qualité de mesure excellente.
Cette très haute productivité est rendue possible notamment par un déclenchement fiable à distance et centralisé des acquisitions parfaitement synchronisées et par une remontée automatique des données brutes vers la gateway à l’issue de chaque acquisition.
L’installation et la récupération des nodes est quasi instantanée car les nodes ne nécessitent pas de mise à niveau, de fixation, ni de paramétrage.
Caltech a été satisfait par l’efficacité opérationnelle, la faible intrusivité et la capacité de contrôle à distance d’une solution complètement passive permettant d’obtenir une excellente qualité de données. La versatilité de la solution permettant à la fois l’évaluation structurelle en vibration ambiante et le suivi du comportement de la structure sous sollicitation sismique a été saluée.
Quelques références :
[1] L. Guérineau, L. Mathé and A. Le Roy, Development of an integrated SHM framework based on a novel wireless sensing system for dynamic structural monitoring of bridges using ambient vibrations, Proceedings of the 10th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure, SHMII 10, 2021.
[2] A. Fougerat, L. Guérineau and N. Tellier, High-quality signal recording down to 0.001 Hz with standard MEMS accelerometers, 88th SEG annual meeting, expanded abstract, 2018.
[3] A. Fougerat and L. Guérineau, Ultra-low-noise MEMS accelerometer for Seismology, Geophysical Research Abstracts Vol. 20, EGU2018-7188, 2018 EGU General Assembly.
