Évaluation du niveau de dégradation du bois dans les ouvrages de protection par spectroscopie proche infrarouge et analyse vibratoire - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Assessment of the level of decay of wood in protective structures using near infrared spectroscopy and vibration analysis

Évaluation du niveau de dégradation du bois dans les ouvrages de protection par spectroscopie proche infrarouge et analyse vibratoire

Résumé

The construction of protective structures responds to the need to protect themselves from natural hazards such as erosion or landslides. If the concrete is conventionally used for their construction, wood is regularly used for natural hazards generating low or moderate forces. For this, practitioners rely on two different approaches, civil engineering and bioengineering, which require, in this context, the implementation of structures built on the basis of an arrangement of logs. However, there are knowledge gaps hampering the design of these structures. In particular, scientific obstacles concern the assessment of the level of decay, in the sense of mechanical properties, of logs for monitoring existing structures. The aim of this thesis is to assess the level of decay of wood in protective structures from near infrared spectroscopy (NIRS) and vibration analysis}. In this thesis, the level of decay of a log is set from the rate of loss in modulus of elasticity (MOE) or modulus of rupture (MOR) relative to their intact value, i.e. not degraded. From these rates evaluated from bending tests under quasi-static conditions, we defined two reference indicators, DwMOE and DwMOR, on which are based the two methods developed in this thesis. The two methods are differentiated in particular by their scale of investigation, considered local, i.e. punctual on the log, for the NIRS and global, i.e. the whole log, for the vibration analysis. They are also differentiated by their impact on the studied elements, the measurement by the SPIR method being actually semi-destructive because it requires a sampling and that by vibratory analysis being non-destructive. In order to accelerate the degradation process, the experiments associated with the development of these methods took place under semi-controlled conditions. At the end of their development, the methods were tested to assess the level of decay of logs under natural conditions. The method by SPIR evaluates the level of decay from prediction models of the reference indicators DwMOE and DwMOR based on multivariate statistics, partial least squares regression in particular. It is based on a pre-treatment of the spectra to highlight the effects of microbial activity on the samples. The performance of evaluating the degradation level of logs is satisfactory (RMSEP = 0.13 for DwMOE and RMSEP = 0.17 for DwMOR). Regarding vibration analysis, three mechanical properties were found to be sensitive to microbial activity: the MOE calculated according to the Euler-Bernoulli theory (En), the MOE calculated according to the Timoshenko theory (Etimo) and the damping ratio xi Of these three properties, En has been chosen to define an indicator (DwEn) to evaluate the level of degradation. The vibration analysis method is based on the indicators DwE1, calculated from En at the first vibration mode, and DwE2, calculated from En at the second mode vibration mode that is less sensitive to geometric imperfections. DwMOE is strongly correlated to DwE1 (r²=0.84) and DwE2 (r²=0.83). Finally, tested on logs degraded under natural conditions, the NIRS and vibration analysis methods allowed evaluating similar levels of decay, although the scales of investigation are different. This work contributes to the increasing of knowledge on the assessment of the level of decay of wood degraded by a microbial community. From the results obtained, it is possible to associate these methods with those already implemented by practitioners when diagnosing protection structures.
La construction d’ouvrages de protection répond à la nécessité de se protéger d’aléas naturels comme les phénomènes d’érosion ou de glissement de terrain. Si le béton est classiquement utilisé pour la construction de tels ouvrages, le bois est régulièrement employé pour des aléas engendrant des contraintes faibles ou modérées. Pour cela, les praticiens s’appuient sur deux approches différentes, le génie civil et le génie biologique, qui impliquent la mise en œuvre de structures construites à partir d’agencements de rondins de bois d’essences locales. Il existe cependant des lacunes de savoir-faire et de connaissances freinant la prescription de ces ouvrages. Les verrous scientifiques concernent notamment l’évaluation du niveau de dégradation des propriétés mécaniques des rondins pour le suivi des ouvrages existants. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le niveau de dégradation du bois dans les ouvrages de protection à partir de la spectroscopie proche infrarouge (spir) et de l’analyse vibratoire. Dans ce travail de thèse, le niveau de dégradation d’un rondin est dé ni comme le taux de perte en module d’élasticité (MOE) ou en module de rupture (mor) par rapport à leur valeur à l’état intact, i.e. non dégradé. De ces taux évalués à partir de mesure par essais de flexion en conditions quasi-statiques, deux indicateurs de référence, DwMOE et DwMOR , ont été définis pour développer les méthodes spir et analyse vibratoire. Les deux méthodes se différencient notamment par leur échelle d’investigation, considérée comme locale, i.e. ponctuelle sur le rondin, pour la spir et globale, i.e. le rondin entier, pour l’analyse vibratoire. Elles se différencient aussi par leur impact sur l’élément étudié, la mesure par la méthode spir étant semi-destructive, car elle requiert un prélèvement, et celle par analyse vibratoire étant non-destructive. Afin d’accélérer le processus de dégradation, les expérimentations associées au développement de ces méthodes ont eu lieu en conditions semi-contrôlées. A l’issue de leur développement, les méthodes ont été testées pour évaluer le niveau de dégradation des rondins en conditions naturelles. La méthode par spir évalue le niveau de dégradation à partir de modèles de prédiction des indicateurs de référence DwMOE et DwMOR basés sur les statistiques multivariées, la régression des moindres carrés partiels notamment. Elle s’appuie sur un prétraitement des spectres permettant de mettre en avant les effets de l’activité microbienne sur les échantillons. Les performances d’évaluation du niveau de dégradation de rondins sont satisfaisantes (RMSEP=0.13 pour DwMOE et RMSEP=0.17 pour DwMOR). Concernant la méthode par analyse vibratoire, trois propriétés mécaniques se sont révélées sensibles à l’activité microbienne : le MOE calculé selon la théorie d’Euler Bernoulli (en), le MOE calculé selon la théorie de Timoshenko (Etimo) et le taux d’amortissement ξ. de ces trois propriétés, en a été retenu pour définir un indicateur (DwEn) d’évaluation du niveau de dégradation. Finalement, la méthode par analyse vibratoire se base sur les indicateurs dwe1 , calculé à partir de en au premier mode de vibration, et dwe2 , calculé à partir de en au second mode de vibration (moins sensible aux imperfections géométriques). DwMOE est fortement corrélé à DwE1 (r² =0.84) et DwE2 (r² =0.83). finalement, testées sur des rondins dégradés en conditions naturelles, les méthodes spir et analyse vibratoire ont permis d’évaluer des niveaux de dégradation similaires, bien que les échelles d’investigation soient différentes. Ce travail de thèse a contribué à l’approfondissement des connaissances sur l’évaluation du niveau de dégradation du bois dégradé par une communauté microbienne. D’après les résultats obtenus, il est envisageable d’associer ces méthodes à celles déjà mises en œuvres par les praticiens lors du diagnostic des ouvrages de protection en bois.
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Dates et versions

tel-01589461 , version 1 (18-09-2017)
tel-01589461 , version 2 (25-01-2018)

Licence

Paternité - Pas de modifications

Identifiants

  • HAL Id : tel-01589461 , version 1

Citer

Jean-Baptiste Barré. Évaluation du niveau de dégradation du bois dans les ouvrages de protection par spectroscopie proche infrarouge et analyse vibratoire. Ingénierie de l'environnement. Université Grenoble - Alpes, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01589461v1⟩
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