Analyse infrarouge mobile - Une alternative high tech précise aux méthodes d'inspection de ponts traditionnelles

Les ingénieurs civils rencontrent un énorme problème : des dizaines de centaines de ponts aux États-Unis sont utilisés depuis beaucoup plus longtemps que les 50 années pour lesquelles ils avaient été conçus. Selon la Federal Highway Administration (FHWA), environ 1/4 des 611 845 ponts aux États-Unis rencontrent des défaillances structurelles ou ne sont plus fonctionnels. Ces ponts auront besoin d'une maintenance, de réparations ou d'un remplacement importants pour un coût estimé à 20,5 milliards de $ par an au cours des 12 prochaines années.

Les méthodes traditionnelles actuellement utilisées pour identifier les défaillances structurelles des tabliers de pont en béton peuvent prendre du temps, être inexactes et dangereuses à la fois pour les inspecteurs et pour les conducteurs. Ces méthodes se basent sur l'évaluation subjective de l'inspecteur. Elles nécessitent également de fermer le pont pendant l'étude, et de bloquer ou de ralentir considérablement la circulation. Pourtant, une nouvelle méthode high tech qui associe une caméra infrarouge mobile à un logiciel d'analyse offre une solution qui est à la fois moins dangereuse et plus objective.

Identification de la délamination des ponts

Deux des facteurs majeurs du délabrement des ponts en béton sont la délamination et l'épaufrure. La délamination est la séparation du béton en couches ou le décollement du bandeau de son support. La barre de renforcement intégrée (barre d'armature) se corrode avec le temps, ce qui provoque une expansion qui fait éclater le béton à l'horizontale dans les couches (délamination) ou en morceaux qui se brisent au-dessus de la surface endommagée (épaufrure).

 

Détecter la délamination du béton implique généralement une forme d'essai non destructif (END) appelé inspection par drague de chaîne acoustique. L'inspecteur traîne une lourde chaîne sur le tablier du pont et écoute les sons creux distinctifs produits par les zones délaminées. Il peut ensuite utiliser ces données pour créer une carte de délamination du tablier du pont.

Il existe des inconvénients à cette méthode. Bien que ce type d'inspection implique de fermer la voie inspectée, les inspecteurs ont souvent besoin de travailler le long de voies ouvertes. Le bruit de la circulation rend difficile l'écoute des sons que la chaîne produit quand elle rencontre du béton délaminé. De plus, la méthode de drague de chaîne dépend fortement des connaissances et de l'expérience de l'inspecteur, ce qui la rend à la fois subjective et potentiellement inexacte. En fait, une étude de la FHWA sur des enquêtes portant sur la délamination des ponts a conclu que la méthode de drague de chaîne n'offrait pas toujours des résultats précis.

Une alternative high tech à ces inspections à drague de chaîne utilise une caméra infrarouge montée sur un camion pour détecter les zones délaminées sur des surfaces de tablier en béton. NEXCO-West USA a développé cette technique d'inspection END, qui intègre des images d'une caméra infrarouge FLIR refroidie à des cartes créées par le logiciel propriétaire de NEXCO-West. Les ingénieurs de la société collaborent à présent avec la University of Central Florida pour développer des procédures d'inspection de pont objectives et efficaces qui pourraient être utilisées par les services des autoroutes gouvernementaux dans tout le pays.

Images de délamination visuelles, brutes et traitées d'une étude infrarouge de tablier de pont
Source : « Comparison of Infrared Cameras for Concrete Bridge Deck Scanning: - Vol.2 Field Test at Haymarket Bridge », December 2014, NEXCO-West USA, Inc.

Une méthode sécurisée, efficace et mobile

« L'approche choisie par NEXCO-West pour tester la délamination des ponts est une méthode mobile qui utilise une caméra infrarouge installée au-dessus du véhicule, » explique le président et PDG de la société, Masata Matsumoto. « Notre approche n'implique pas de fermeture de voies ou de réduction des limites de vitesse, et le trafic peut se poursuivre tout en protégeant les inspecteurs. »

Des analyses sont généralement effectuées pendant la journée ou quelques heures après le coucher du soleil, quand d'importants changements de température peuvent être observés. Par exemple, le béton qui a chauffé pendant l'après-midi commencera à refroidir au coucher du soleil, ce qui engendre un changement de température mesurable. La majorité du tablier chauffera ou refroidira de manière uniforme, mais la délamination interrompt le chemin de conduction. La température du béton endommagé augmente plus rapidement pendant la journée et décroit plus rapidement la nuit, ce qui est facilement détecté par la caméra infrarouge.

Exemple d'écarts de température pour du béton sain et endommagé
Source : « Comparison of Infrared Cameras for Concrete Bridge Deck Scanning:
- Vol.2 Field Test at Haymarket Bridge », December 2014, NEXCO-West USA, Inc.

Les inspections sont effectuées avec une caméra infrarouge montée sur un camion qui traverse le pont à 80 km/h au milieu du trafic. Matsumoto explique qu'il ne faut que quelques minutes pour que la caméra infrarouge enregistre une analyse complète d'une voie d'un pont de 1,6 km de long.

La caméra utilisée dans le système d'analyse de NEXCO-West est une caméra FLIR A6701sc MWIR pour applications scientifiques. « Nous utilisons la caméra de la série A6700 car elle peut photographier des images thermiques haute résolution tout en étant installée sur un camion qui avance vite, » explique Matsumoto. Le détecteur en antimoniure d'indium refroidi de cette caméra offre des temps d'intégration aussi rapides que 0,48 μs, ce qui permet à l'équipe d'enregistrer des images thermiques de 640 x 512 pixels sans flou dû aux mouvements. Matsumoto explique qu'ils définissent généralement la caméra sur une fréquence d'images de 10 Hz ce qui lui permet d'enregistrer une image thermique nette tous les deux mètres à vitesse d'autoroute. La caméra est connectée à un ordinateur portable dans le véhicule qui exécute le logiciel Infrared Bridge Assessment System (IrBAS) de NEXCO-West afin que l'équipe puisse profiter d'analyses en temps réel et reconnaître les zones potentiellement délaminées.

Ordinateur portable montrant des images infrarouges en direct via le logiciel IrBAS de NEXCO-West

Image thermique utilisée pour créer une carte des défaillances du tablier du pont

Traitement des données

Lorsque l'équipe a recueilli les données sur chaque voie du pont, elle peut commencer à les traiter. « La majorité des analyses de données et des processus de rapport sont automatisés par le logiciel IrBAS ce qui permet de gagner beaucoup de temps et d'argent lors de la préparation des cartes de défaillances, » explique Matsumoto. Le logiciel utilise la carte de défaillances pour calculer le pourcentage de zone de tablier délaminée puis classe la condition en fonction des critères de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).

Il existe trois catégories de dégâts :

1. Indication : La délamination est présente dans les 4 cm sous la surface du béton.
2. Mise en garde : La délamination est présente dans les 2 cm sous la surface du béton.
3. Critique : La délamination atteint la surface du béton.

Les zones de tablier qui se trouvent dans la catégorie 'Indication' sont considérées comme satisfaisantes, alors que les zones de la catégorie 'Mise en garde' nécessitent une surveillance rapprochée. Toutes les zones qui se trouvent dans la catégorie 'Critique' nécessitent une action immédiate.

Des décisions plus éclairées, des ponts plus sécurisés

Classification des dégâts par le logiciel IrBAS
Source : « Comparison of Infrared Cameras for Concrete Bridge Deck Scanning:
- Vol.2 Field Test at Haymarket Bridge », December 2014, NEXCO-West USA, Inc.

La subjectivité et les inexactitudes potentielles de la méthode à drague de chaîne nécessitent le réexamen de cette forme traditionnelle d'inspection des tabliers de pont. L'analyse infrarouge fournit des résultats plus objectifs, alors que le système mobile évite les inconvénients liés à la fermeture des voies, notamment les risques pour la sécurité, les ralentissements et l'augmentation des émissions.

Un autre avantage de la méthode de recueil de données objectives et complètes de NEXCO-West est qu'elle permet aux services des autoroutes gouvernementaux de surveiller les performances des ponts sur le long terme. « La cartographie infrarouge de NEXCO-West étayera la prise de décision basée sur les données pour la gestion des ponts et au final, aidera les propriétaires des ponts à éviter de gigantesques réparations extrêmement coûteuses, » ajoute Matsumoto. En superposant des cartes des défaillances sur des archives plus anciennes, les ingénieurs pourront déterminer l'état et la vitesse de dégradation des ponts. Cela les aidera à prévoir la progression de la détérioration et à prendre des mesures de réhabilitation.

Analyse de pont thermique (gauche) et image traitée par IrBAS utilisée pour créer une carte des défaillances du tablier du pont (droite)