Health Monitoring of (Geo)structures Using Stress Wave-Based Non-Invasive Techniques

Au cours de la durée de vie des (géo)structures, des anomalies structurales peuvent apparaître. Si ces anomalies ne sont pas détectées plus tôt, elles peuvent provoquer des défaillances structurelles ou des problèmes de fonctionnement. Par conséquent, la surveillance de la santé des (géo)structures est devenue un outil important pour évaluer leur intégrité et leur fonctionnalité dans les projets de construction et de réhabilitation. Les essais non destructifs (NDT) jouent un rôle important dans les domaines de l’ingénierie, de la construction et de la géophysique. En raison de leur nature non invasive et de leur faible coût, les NDT ont été largement appliqués pour la surveillance de la santé des structures, le contrôle qualité, l’investigation géotechnique et la caractérisation des matériaux de différents types d’infrastructures. L’objectif de cette recherche est d’utiliser des approches de NDT basées sur les ondes de contrainte pour surveiller la santé des (géo)structures à deux niveaux. Le premier niveau implique la caractérisation des propriétés mécaniques et géométriques pour surveiller la santé macroscopique de la structure, tandis que le deuxième niveau implique l’identification des dommages pour surveiller la santé microscopique de la structure. Une pile inconnue et une structure en poutre sont les applications pour la surveillance générale de la santé et la localisation des dommages, respectivement. De nouvelles méthodes d’interprétation du signal sont proposées pour la caractérisation des pieux en se basant sur la théorie des ondes guidées. La caractérisation des propriétés géométriques et mécaniques est d’une grande importance pour l’évaluation et la réutilisation de fondations inconnues. La propriété géométrique, telle que la longueur du pieu, peut être utilisée comme paramètre pour estimer le niveau d’affouillement et la capacité portante d’une fondation. Les propriétés mécaniques du pieu, telles que la vitesse des ondes longitudinale et de cisaillement, peuvent être utilisées pour évaluer l’état de santé ou l’intégrité du pieu. Dans un pieu cylindrique, il existe deux modes d’onde guidée : le mode longitudinal et le mode de flexion. Le mode longitudinal apparaît lorsque l’impact est placé sur la surface supérieure du pieu, et le mode de flexion correspond à une configuration de test dans laquelle l’impact est appliqué sur le côté latéral du pieu. La méthode des éléments spectraux peut être utilisée pour obtenir la relation de dispersion, c’est-à-dire la relation entre la vitesse de phase et la fréquence, qui est ensuite utilisée pour la caractérisation de la longueur et des propriétés mécaniques des pieux. Pour l’estimation de la longueur des pieux, on commence par combiner la relation de dispersion et la différence de phase des réponses recueillies par au moins deux capteurs situés sur le côté latéral afin de montrer la relation entre la différence de phase et le nombre d’onde. L’analyse périodique de cette relation permet d’estimer la longueur du pieu. Deuxièmement, la longueur du pieu peut également être estimée par un seul capteur pour l’acquisition des données. La relation entre le nombre d’onde et la magnitude normalisée peut être obtenue en combinant la relation de dispersion et la magnitude normalisée. Ensuite, par l’analyse périodique de cette relation, la longueur du pieux peut être estimée. Dans ces deux méthodes utilisant le mode longitudinal des ondes guidées, le capteur peut être placé sur le côté latéral et la surface supérieure. La troisième méthode consiste à caractériser la longueur du pieu en utilisant le mode de flexion et une méthode d’inversion. La relation de dispersion basée sur le mode de flexion est utilisée comme modèle avant, puis la relation de dispersion expérimentale peut être extraite par l’analyse résonante du signal collecté sur le côté latéral du pieu testé. Un algorithme d’optimisation basé sur l’algorithme génétique est utilisé pour estimer de manière inverse la longueur du pieu et les propriétés mécaniques simultanément, y compris la vitesse des ondes longitudinale et de cisaillement et la densité.»

Abstract

During the service life of structures or geostructures, anomalies may appear. If these anomalies cannot be detected earlier, they may cause structural failure or serviceability issues. Therefore, (geo)structure health monitoring has become an important tool to evaluate the integrity and functionality of (geo)structures in construction and rehabilitation programs. Non-destructive testing (NDT) is a crucial component in engineering, construction, and geophysical applications. Because of its non-invasive nature and lower cost, NDT has been widely applied for structural health monitoring, quality control, geotechnical investigation, and material characterization of different types of infrastructure. The aim of this dissertation is to use NDT approaches based on stress waves to monitor the health of (geo)structures at two levels. The first level involves the characterization of the mechanical and geometric properties to monitor the structure’s macroscopic health, while the second level involves damage identification to monitor the structure’s microscopic health. An unknown pile and a beam structure are the application for general health monitoring and damage localization, respectively. Novel physics-based signal interpretation methods are proposed for pile foundation characterization based on the guided wave theory. The guided wave is the elastic wave propagating in a finite medium. The characterization of geometric and mechanical properties is of great significance for the evaluation and reuse of unknown foundations. The geometric property, such as the pile length can be used as a parameter to estimate the scour level and bearing capacity. The mechanical properties of the pile such as the longitudinal wave velocity and shear wave velocity can be used to evaluate the health condition or integrity of the pile. In a cylindrical pile, there are two modes of guided wave: the longitudinal and flexural modes. The longitudinal mode appears if the impact is placed on the pile top surface, and the flexural mode corresponds to a test configuration in which the impact is applied on the lateral side of the pile. The spectral element method can be used to obtain the dispersion relation, i.e. the relation between the phase velocity and the frequency, which is then used for pile length and pile properties characterization. For pile length estimation, first, the dispersion relation and the phase difference of the responses collected by at least two sensors located on the lateral side are combined to show the relationship between the phase difference and the wavenumber. By periodic analysis of this relationship, the pile length can be estimated. Second, the pile length can also be estimated by one sensor for data acquisition. The relationship between the wavenumber and the normalized magnitude can be obtained by combing the dispersion relation and the normalized magnitude. Then by periodic analysis of this relationship, the pile length can be estimated. In these two methods using the longitudinal mode of guided waves, the sensor can be placed on the lateral side and the top surface. The third method is to characterize the pile length using the flexural mode and an inversion method. The dispersion relation based on the flexural mode is used as the forward model, and then the experimental dispersion relation can be extracted by the resonant analysis of the signal collected on the lateral side of the test pile. An optimization algorithm based on the genetic algorithm is used to inversely estimate the pile length and physical properties, including shear wave velocity, longitudinal wave velocity and density, simultaneously.»