Dre Pooneh Maghoul, ing., et son ancien étudiant au doctorat, Dr Shihao Cui, à Polytechnique Montréal, conjuguent leur expertise en génie civil et en traitement de données acoustiques pour relever le défi de caractériser les propriétés des pieux enfouis en profondeur.
« Notre principal objectif est d’offrir des services d’essai non destructifs et de surveillance pour les pieux en service, » a expliqué Maghoul. « Lors de la surveillance, nous ne nous concentrons pas uniquement sur la longueur des pieux, mais nous mettons également l’accent sur l’évaluation de leurs propriétés mécaniques, ce qui nous permet d’estimer avec précision leur état de santé. Notre travail est essentiel pour renforcer la sécurité et la durabilité des infrastructures à long terme. »
L’un des principaux défis auxquels l’équipe a été confrontée dans ses recherches était de déterminer la meilleure méthode pour installer des capteurs afin de surveiller les pieux profondément enfouis, car les techniques d’installation traditionnelles ne pouvaient pas être appliquées efficacement. Pour surmonter cet obstacle, ils ont recours à la technologie des ondes guidées en flexion. Grâce aux caractéristiques de propagation de ces ondes, ils ont pu surveiller efficacement les pieux enfouis en profondeur et estimer leurs propriétés mécaniques en analysant les données des formes d’onde.
Cette approche contourne non seulement les limitations d’installation, mais améliore également la précision et la fiabilité de la surveillance, offrant ainsi un soutien de données plus complet pour l’évaluation de la santé des pieux. De plus, cette technologie innovante des ondes guidées en flexion permet également de réutiliser des pieux plu.
« Grâce aux essais non destructifs, nous pouvons évaluer avec précision l’état et la condition de ces vieux pieux et déterminer s’ils répondent aux nouvelles exigences de conception, » a déclaré Maghoul.b« Cela pourrait potentiellement permettre leur réutilisation, réduire le gaspillage de ressources et diminuer les coûts des projets. »
Surmonter les défis
L’inspiration pour explorer les modèles d’ondes guidées afin de caractériser des pieux inconnus découle des défis rencontrés par l’équipe lors des essais. Les méthodes traditionnelles, telles que les essais acoustiques et de réponse à impact, sont efficaces dans une certaine mesure, mais présentent de nombreuses limitations pour les pieux inconnus ou enfouis en profondeur.
En effet, les détails de conception de nombreux pieux sont souvent introuvables, rendant difficile l’évaluation précise de leur longueur, de leurs propriétés mécaniques et de leur état de santé. Cela engendre des risques significatifs pour la sécurité et la durabilité des infrastructures.
La bonne nouvelle est que la technologie des ondes guidées en flexion constitue une méthode avancée d’essai non destructif capable de surmonter ces défis. Comparée aux méthodes traditionnelles, elle offre une meilleure capacité de pénétration et une résolution spatiale supérieure, permettant une évaluation plus complète des pieux grâce à la propagation des signaux. De plus, cette technologie est non invasive et flexible, même lorsque l’accès au sommet du pieu est impossible. Elle fournit des informations cruciales sur la santé des pieux, notamment ceux qui sont profondément enfouis ou difficiles à détecter.
« Cependant, l’exploration des modèles d’ondes guidées ne se limite pas à dépasser les limitations des méthodes traditionnelles », a souligné Maghoul. « Il s’agit également de relever divers défis dans les essais actuels et de promouvoir l’innovation dans la technologie d’essai des infrastructures. »
Le fonctionnement de la technologie des ondes guidées
La Dre Maghoul et son équipe estiment la longueur des pieux en analysant la propagation des ondes, en particulier le motif périodique des ondes guidées se propageant dans le pieu. Pour ce faire, ils commencent par convertir les signaux d’ondes guidées dans le domaine des nombres d’onde, puis analysent les motifs périodiques des ondes réfléchies dans ce même domaine. Grâce à cette observation, l’équipe peut estimer avec précision la longueur du pieu.
Ils examinent également la relation de dispersion des ondes guidées en flexion, qui établit un lien entre la vitesse de phase et la fréquence. Cette analyse permet d’adopter une approche de modélisation directe pour mesurer la relation de dispersion du pieu à l’aide de méthodes d’analyse par résonance. Sur la base de ces données, l’équipe combine la relation de dispersion mesurée avec l’approche de modélisation directe, puis inverse les propriétés mécaniques du pieu, telles que le module de Young et la vitesse des ondes longitudinales, en utilisant des algorithmes d’optimisation.
« Cette méthode, qui allie les caractéristiques de propagation des ondes guidées, les relations de dispersion et les algorithmes d’optimisation, permet non seulement d’estimer la longueur du pieu, mais également de fournir simultanément ses propriétés mécaniques, offrant ainsi une évaluation globale de sa santé », a déclaré Maghoul.
Pour améliorer l’efficacité de l’évaluation des pieux, les chercheurs de Polytechnique Montréal ont développé deux méthodes distinctes mais complémentaires de traitement des données acoustiques.
La première méthode repose sur l’analyse de dispersion des ondes guidées. Dans ce cadre, ils convertissent les signaux mesurés dans le domaine des nombres d’onde en utilisant la relation de dispersion des ondes guidées se propageant dans le pieu. Cela leur permet d’observer les motifs périodiques des ondes réfléchies dans ce domaine. En identifiant ces motifs, ils peuvent établir une estimation précise de la longueur du pieu. Le processus de cette méthode est illustré à l’image 1.
La seconde méthode combine la modélisation directe et les algorithmes d’optimisation. Dans cette approche, l’équipe de Maghoul associe la relation de dispersion des ondes guidées en flexion à la modélisation directe. Grâce à des méthodes d’analyse par résonance, ils obtiennent les données de dispersion du pieu et appliquent des algorithmes d’optimisation pour inverser ses propriétés mécaniques. Cette méthode fournit non seulement les caractéristiques géométriques du pieu, mais offre également simultanément les paramètres mécaniques, permettant ainsi une évaluation plus complète. Le schéma de cette méthode est illustré à l’image 2.
« Ces deux méthodes se complètent mutuellement », a souligné Maghoul. « En les combinant, nous pouvons réaliser une évaluation exhaustive, allant des caractéristiques géométriques du pieu à ses propriétés mécaniques, tout en améliorant la précision et la fiabilité de la surveillance de sa santé. »
La précision dans diverses conditions environnementales
Le modèle innovant d’ondes guidées développé par Polytechnique Montréal fait preuve d’une remarquable adaptabilité face à différentes conditions environnementales, qu’il s’agisse de pieux en béton, en métal ou en bois. Les essais réalisés par la Dre Maghoul et son équipe dans ces contextes variés ont tous abouti à des résultats optimaux, attestant ainsi de l’applicabilité étendue du modèle, même dans des environnements sous-marins ou soumis à de fortes vibrations.
Bien que les caractéristiques de propagation dans l’eau diffèrent de celles du sol, la technologie des ondes guidées s’avère efficace pour le suivi et l’évaluation des pieux sous-marins, grâce à sa capacité de pénétration. Le modèle parvient à refléter avec précision les caractéristiques géométriques et les propriétés mécaniques des pieux immergés. Par ailleurs, pour les zones à forte vibration, le modèle s’adapte aux différentes conditions vibratoires en utilisant des méthodes d’analyse de dispersion et de traitement du signal, ce qui permet de filtrer efficacement le bruit et d’assurer l’exactitude des résultats des tests.
« Que ce soit dans des environnements sous-marins ou dans des zones à forte vibration, notre modèle d’ondes guidées fournit des évaluations fiables, garantissant ainsi l’exactitude et la pertinence de la surveillance de la santé des pieux », a déclaré Maghoul.
L’avenir de la technologie des ondes guidées
Envisageant l’avenir, la synergie entre la technologie de détection par ondes guidées et l’intelligence artificielle (IA) est sur le point de révolutionner l’évaluation de la santé des pieux et l’entretien des infrastructures dans le domaine du génie civil.
L’IA offre aux ingénieurs la possibilité de mieux comprendre et d’analyser les vastes ensembles de données collectées. De plus, les avancées dans les algorithmes d’apprentissage automatique et d’apprentissage profond permettront d’exploiter davantage l’IA pour extraire des informations précieuses à partir de signaux complexes d’ondes guidées.
« Grâce à l’analyse des grandes données et aux modèles d’IA, nous serons en mesure d’optimiser et de mettre à jour continuellement nos modèles d’évaluation pour les adapter à divers environnements et types de pieux, offrant ainsi des prédictions plus précises », a affirmé Maghoul. « Par exemple, grâce à une surveillance continue, l’IA pourra ajuster automatiquement la stratégie de suivi et mettre à jour l’évaluation de la santé des pieux en fonction des données en temps réel et d’une prise de décision éclairée. »
À mesure que la technologie de l’IA avance, elle entraînera inévitablement une automatisation accrue, allant de l’acquisition des données au traitement des signaux, puis à l’évaluation de la santé des pieux et aux recommandations de maintenance. Cela permettra aux systèmes intelligents d’exécuter l’ensemble du processus automatiquement, réduisant ainsi de manière significative les erreurs liées à l’intervention humaine, tout en améliorant l’efficacité et en diminuant les coûts. Ce degré d’automatisation non seulement améliorera la précision, mais accélérera également de manière significative le processus d’analyse des données, permettant ainsi aux ingénieurs de prendre des décisions cruciales plus rapidement pour anticiper proactivement les problèmes éventuels.
« La combinaison de la technologie de détection par ondes guidées et de l’IA ouvre des perspectives d’innovation sans précédent dans le domaine du génie civil, notamment en matière de surveillance de la santé des pieux, d’évaluation de la sécurité structurelle et de maintenance prédictive », a déclaré Maghoul. « À l’avenir, je suis convaincue que cette technologie deviendra un outil incontournable en génie civil, renforçant ainsi la sécurité, la fiabilité et la durabilité des infrastructures. »