Évaluation Non Destructive des StrUctures et des Matériaux

Le projet ENDSUM s’attache à mettre au point des méthodes de caractérisation et de diagnostic à grand rendement, moins invasives que les outils actuels, n’altérant pas les milieux auscultés et permettant le remplacement des méthodes basées sur des sources radioactives par de nouveaux développements technologiques à destination des gestionnaires d’infrastructures et des bureaux d’études.

Sites : Rouen, Angers, Strasbourg ; 22 agents impliqués dont 7 chercheurs permanents.

Enjeux de société

Gestion des patrimoines bâtis et d’infrastructures, contrôle non destructif pour le diagnostic, durabilité

La gestion des patrimoines bâtis et d’infrastructures forme un défi important dans une perspective de développement durable, d’amélioration de la résilience des territoires, mais aussi dans un contexte de dépenses publiques limitées. Allonger la durée de vie des bâtis et infrastructures tout en garantissant un niveau de performance et de sécurité optimal nécessite de mettre en place des niveaux de maintenance, d’entretien et de réparation ciblés et efficaces. Cette maintenance s’appuie sur des évaluations régulières, qui aujourd’hui ne délivrent souvent que des résultats «ponctuels», onéreux et destructifs des structures et matériaux impliqués. L’enjeu est donc de mettre à disposition des gestionnaires et des bureaux d’études des techniques et outils de diagnostic et de contrôle non destructif, si possible à grand rendement, à faibles coûts et propres à améliorer l’efficience des procédures d’inspection et de suivi.

Sécurité et protection des réseaux enterrés

En matière de réseaux enterrés, des changements importants ont été introduits depuis la loi Grenelle 2 de 2010. Certaines évolutions réglementaires obligent les collectivités à faire face à des obligations nouvelles, dans des délais contraints. C’est par exemple le cas du déploiement du plan corps de rue simplifié (PCRS), qui vise à éviter l’endommagement des réseaux voire les accidents lors de travaux et qui conduit à une cartographie de l’ensemble des canalisations enterrées. L’utilisation de méthodes non destructives à grand rende-ment pour cartographier les réseaux enterrés peut représenter un apport intéressant pour cette politique.

Prévention des risques gravitaires

La prévention des risques gravitaires est également un enjeu important, dans les terrains naturels ou anthropiques, notamment pour les zones qui peuvent évoluer de manière brutale et menacer les infrastructures et les vies humaines. Le danger peut prendre plusieurs formes telles que la rupture imminente de digues, des terrains sous-cavés ou karstiques, des glissements de terrain ou des effondrements dus à l’érosion des falaises. Le besoin d’intervention est particulièrement aigu en situation d'évolution rapide donc d'urgence. Il faut alors disposer de moyens d’investigation innovants et rapides. L’évaluation non destructive, à partir de mesures terrestres et aériennes peut être une réponse utile en pareille situation.

ENDSUM

 

Problématique scientifique

Caractériser des paramètres physiques et géométriques des milieux

L’axe 1 porte sur la caractérisation des paramètres physiques et géométriques des milieux. Il s’agit de déterminer les propriétés physiques de surface des structures et des matériaux, ainsi que leurs liens potentiels avec l’état interne des milieux et leur évolution. Cet axe s’articule en 3 sous-axes : La connaissance fine de la géométrie des objets étudiés indispensable pour l’étude des phénomènes physiques et pour la modélisation et l’interprétation des mesures. Ce sujet permettra de faire le lien entre les phénomènes physiques aux différentes échelles d’observation, afin d’aboutir à des interprétations plus précises. L’étude des propriétés de la luminance (réflectance et température des matériaux) afin d’améliorer l’interprétation des images thermiques. L’étude de la permittivité complexe pour caractériser les gradients physiques et hydriques au sein des milieux, les défauts et les masses volumiques.

Développer et transférer des méthodes de modélisation, d’inversion et de traitement des données

L’axe 2 vise à développer et transférer des méthodes de modélisation, d’inversion et de traitement des données pour la caractérisation de paramètres physiques interprétables par les spécialistes métiers (selon la chaîne : méthodes physiques → mesurande → paramètre recherché).

Cet axe s’articule autour de 3 sous axes :

Modélisation des milieux
L’objectif sera de modéliser les propriétés des structures en distinguant les propriétés suivantes :

  • Géométriques (techniques photogrammétriques, précision et résolution à différentes échelles) ;
  • Thermo-hydriques pour l’étude des écoulements en milieux poreux (cavités, karst, fuite de digues…) ;
  • Diélectriques dans les milieux hétérogènes et dispersifs du génie civil (bétons) et du bâtiment (calcaire tuffeau).

Méthodes innovantes
En matière de reconstruction (inversion), l’équipe travaillera à la mise au point des méthodes électromagnétiques pour remplacer les méthodes nucléaires et des méthodes d’inversion associées à la propagation en champ diffus (forme d’onde) et en guide d’onde (propagation modale).

Automatisation de la détection
L’analyse des signaux et des images recueillis ou reconstruits a pour objectif la détection automatisée et la localisation d’objets ou de défauts au sein des milieux étudiés ou à leur surface. Pour cela, on mettra à profit des méthodes statistiques de traitement de signal et des images et de reconnaissance de formes par apprentissage.

Elaborer des outils d’évaluation non destructive

L’axe 3 vise à élaborer des outils d’évaluation non destructive et, si possible, à grand rendement pour contribuer au diagnostic des structures et des matériaux. Des méthodologies et des services innovants seront proposés aux gestionnaires et de l’ensemble des acteurs et décideurs économiques.

Résultats attendus

Axe 1 - Caractériser des paramètres physiques et géométriques des milieux

  • Modèles de suivi diachronique pour la caractérisation de déformation ;
  • Outil de modélisation pour la localisation de fuites dans les réseaux de canalisations ;
  • Modèle de la diffraction des ondes électromagnétiques en fonction de la rugosité ;
  • Caractérisation des propriétés photométriques des surfaces routières ;
  • Modèles reliant température, propriétés des terrains et leur stabilité ;
  • Caractérisation de la teneur en eau des matériaux par méthodes thermiques et par méthodes radar ;
  • Caractérisation de défauts et de gradients hydriques à partir du comportement diélectrique des matériaux – Recherche de fissuration et fuites.

Axe 2 - Développer et transférer des méthodes de modélisation, d’inversion et de traitement des données

  • Chaîne de traitement photogrammétrique de reconstruction 3D d’objets linéaires ;
  • Outils d’interprétation de l’érosion des falaises ;
  • Outils de quantification thermo-hydrique en milieux partiellement saturés ;
  • Modèles électromagnétiques hybrides en milieux complexes pour l’estimation des gradients physiques (teneur en eau et densité) ;
  • Tomographie électromagnétique pour la détermination de la masse volumique des matériaux en remplacement des méthodes à sources radioactives ;
  • Méthodes hybrides d’inversion (forme d’onde et guide d’onde vs. modèles hydrodynamiques) pour l’estimation haute résolution des gradients physiques et hydriques ;
  • Méthodes performantes en détection automatique de désordres en surface ;
  • Méthodes de détection et de localisation de décollements d’interfaces ;
  • Utilisation du GB-SAR pour la caractérisation des matériaux (surface et faible profondeur).

Axe 3 - Elaborer des outils d’évaluation non destructive

  • Une plate-forme instrumentée composée d’un véhicule et d’un système radar à sauts de fréquences ;
  • Plusieurs bancs automatisés (i) cartographie hydrique 3D de l’enrobage des structures d’ouvrages (ii) carottages non destructifs des chaussées et (iii) remplacement des méthodes gamma-densimétriques ;
  • Dispositif d’inspection à grand rendement des tunnels routiers ;
  • Développement d’un démonstrateur drone comportant des capteurs visibles, thermiques, proches infrarouge et LiDar ;
  • Réalisation de deux prototypes de système de monitoring permettant le suivi des vitesses de corrosion des armatures ainsi que l’estimation des gradients des chlorures dans les bétons d’enrobage des ouvrages maritimes ;
  • Réalisation d’un prototype de système de mesure radar permettant l’estimation à haute précision des diamètres d’armatures et des épaisseurs d’enrobage dans les ouvrages en béton hydraulique.
Partenariat

Publics : Ifsttar, BRGM, VNF, CETU) et dans le cadre de contrats avec IGN, LRMH, ANDRA.

Académiques : Universités d’Angers, Caen (LETG), Nantes (IETR), Rennes (IETR), Le Mans (Lab. Acoustique), Rouen (M2C, GPM/ERCAP, Insa LMI), Strasbourg (UMR iCube), UPMC (UMR Metis), Toulouse (GET, UMR CESBIO), la Réunion, IPG Paris, GIS Évaluation et Contrôle Non Destructif en région Pays de la Loire (ECND-PdL), ESEO Angers, ESIGELEC Rouen, Géosciences La Réunion.

International : échanges avec Université Catholique de Louvain, LIU (Lebanese International University, Liban), Université Polytechnique de HongKong, Université de Rome, Université de Jülich (Aachen, Allemagne),

  • Co-encadrements de travaux scientifiques (thèses et post-doc) sont en cours avec : SCUT (South China University of Technology, Chine), ISSI (International Space Science Institute) Bern.
  • Projet européen MEDSUV implique de forts liens avec nombre de partenaires dont l’INGV (Institut National de Géophysique et Volcanologie, Italie).
  • En cours INGEMMET et l’IGP (Pérou) et université South China University of Technology, Hong-Kong Polytechnic University.
Publications récentes

  

Thèses en cours

Ayoub SAYDY (2021-2024)
Geophysics Models for the Geotechnical characterization of Sols (Modèles Géophysiques pour la Caractérisation Géotechnique des Sols)
Thesis supervisors: Fayçal REJIBA (M2C CNRS). Co-supervisors: Cyrille FAUCHARD (CEREMA/ENDSUM)

Théau Cousin (2021-2024)
Numerical simulation and experimentation of electromagnetic wave diffraction in civil engineering materials (Simulation numérique et expérimentation de la diffraction d’ondes électromagnétiques dans les matériaux du génie civil)
Thesis supervisors: Cyrille Fauchard (CEREMA/ENDSUM) and Christian Gout (Insa de Rouen). Co-supervisor: Antoine Tonnoir (Insa de Rouen)

Grégory ANDEOLI (2020-2024)
Évaluation et classification des caractéristiques de couche d'accrochage dans les chaussées par technique radar -Traitement hybride par intelligence artificielle / Full waveform inversion
Thesis supervisor: Amine IHAMOUTEN (UGE/MAST/LAMES) . Co-supervisors: Cyrille FAUCHARD (CEREMA/ENDSUM), Xavier DEROBERT (UGE/GERS/GeoEND)

Viktoriia BULIUK (2020-2024)
Full Wave-Form inversion of radar signals for water mapping of concrete structures under a waterproofing screed. Automatic damage detection ( Inversion des formes d’onde radar pour la cartographie hydrique des ouvrages en béton sous chape d'étanchéité – Détection automatisée des défauts)
Thesis supervisor: Amine IHAMOUTEN (UGE/MAST/LAMES). Co-supervisors: Christophe HEINKELE (Cerema/ENDSUM), Xavier DEROBERT (UGE/GERS/GeoEND)

Rakeeb Mohamed JAUFER (2019 – 2022)

Classification et localisation des réseaux enterrés par Radar à sauts de fréquence 3D multi-antennes- CARRERA 3D
Thesis supervisor: Amine IHAMOUTEN (UGE/MAST/LAMES), Xavier DEROBERT (UGE/GERS/GeoEND). Co-supervisors: Yann GOYAT (Logiraod)

Sima KADKHODAZADEH (2019-2022)
Structural health monitoring techniques for reinforced concrete using Maxwell euations, inversion and signal processing method for magnetic signal (Contrôle de santé des structures en béton armé à partir des équations de Maxwell : inversion et traitement des signaux magnetiques)
Thesis supervisor: Amine IHAMOUTEN (UGE/MAST/LAMES), Xavier DEROBERT (UGE/GERS/GeoEND). Co-supervisors: David SOURIOU (Cerema/ENDSUM)

Bachir TCHANA-TANKEU (2019-2022)
High resolution techniques for time delay and effective Q factor estimations Thesis supervisor: Yide WANG (Univ. Nantes).
Co-supervisors: Vincent BALTAZART (UGE/Cosys), David Guilbert (Cerema/ENDSUM)

Guillaume Décor (2018-2021)
Pattern recognition for the visual inspection of tunnels (Reconnaissance des formes pour l'inspection visuelle des tunnels)
Co-directors : Fabrice Heitz (ICube Laboratory, UMR 7357 University of Strasbourg, CNRS, INSA, ENGEES), Pierre Charbonnier (Cerema, ENDSUM, Strasbourg). Co-supervisor: Philippe Foucher (Cerema, ENDSUM, Strasbourg)

Thèses soutenues

Imen Boughanmi (soutenue le 25/03/2021)
Contribution to the development, validation and experimentation of a bench for dielectric characterisation of materials using electromagnetic tomography (Contribution au développement, à la validation et à l’expérimentation d’un banc de caractérisation diélectrique des matériaux en tomographie électromagnétique)
Thesis supervisors: Cyrille Fauchard (CEREMA/ENDSUM) and Zouheir Rhya (IRSEEM/ESIGELEC). Co supervisor: Nabil Benjelloun (IRSEEM/ESIGELEC).

Théo RICHARD (soutenue le 25/11/2020)
Wireless sensor for health monitoring of marine infrastructures (Capteur sans électronique pour la surveillance sans fil de la santé des infrastructures maritimes)
Thesis supervisor: Xavier DEROBERT (Ifsttar). Co supervisors: Amine IHAMOUTEN (Cerema/ENDSUM), Mohamed LATRACH (ESEO)

Shreedhar Savant TODKAR (soutenue le 27/11/2019)
Monitoring subsurface conditions of pavement structures using Ultra-wideband radar technology (Suivi de l’endommagement des structures de chaussées par techinique radar ultra large bande)
Thesis supervisor: Amine IHAMOUTEN (Cerema/ENDSUM)

Aziz Saley (soutenue le 10/12/2018)
Hydraulic tomography of heterogeneous porous media from heat tracing: experimental approach (Tomographie hydraulique des milieux poreux hétérogènes à partir de traçage thermique : approche expérimentales)
Thesis supervisors: Abbderrahim Jardani and Jean-Paul Dupont (Université de Rouen). Co-supervisor: Raphaël Antoine (CEREMA/ENDSUM)

Jingjing PAN (soutenue le 10/07/2018)
Contribution of GPR configuration for parameters estimation and localization ( Estimation des temps de retard et localisation de sources avec des systèmes Radar)
Thesis supervisor: Yide WANG (Univ. Nantes). Co supervisors: Cédric LE BASTARD (Cerema/ENDSUM)

Borui GUAN (soutenue le 22/01/2018)
Characterization of old building materials by electromagnetic non-destructive methods : application to limestone (Caractérisation des matériaux du bâtiment par méthodes non destructives électromagnétiques : application au tuffeau)
Thesis supervisor: Xavier DEROBERT (Ifsttar). Co supervisors: Amine IHAMOUTEN (Cerema/ENDSUM), Géraldine VILLAIN (Ifsttar)

Steven Araujo (soutenue le 18/12/2017)
Models for the characterisation of civil engineering materials by electromagnetic methods (Modèles pour la caractérisation des matériaux du génie civil par méthodes électromagnétiques)
Thesis supervisors : Jean-Mars Saiter (GPM, Université de Rouen). Co supervisors: Cyrille Fauchard (CEREMA/ENDSUM) and Laurent Delbreilh (GPM, Université de Rouen).

Emmanuel Moisan (soutenue le 19/09/2017)
“Full tube” 3D imaging of navigable tunnels (Imagerie 3D du « tube entier » des tunnels navigables)
Thesis supervisors: Pierre Grussenmeyer (UMR 7357 University of Strasbourg, CNRS, INSA, ENGEES), Pierre Charbonnier (Cerema, ENDSUM, Strasbourg). Co-supervisor: Philippe Foucher (Cerema)

Jianzhong LI (soutenue le 02/03/2017)
Investigation on near field source localization and the corresponding Applications ( Investigation sur la localisation de sources en champ proche et sur des applications équivalentes)
Thesis supervisor: Yide WANG (Univ. Nantes). Co supervisors: Gang WEI (South China University of Technology), Cédric LE BASTARD (Cerema/ENDSUM)

Cécile Mézon (soutenue le 10/01/2017)
Characterization of thermo-convective circulations at the scale of a fractured zone by geophysical and numerical methods (Caractérisation des circulations thermo-convectives à l’échelle d’une zone fracturée par méthodes géophysiques et numériques)
Thesis supervisors: Laurent Michon (Université de la Réunion). Co-supervisors: Raphaël Antoine (CEREMA/ENDSUM) and Anthony Finizola (Université de la Réunion)

Meng SUN (soutenue: 30/09/2016)
Advanced signal processing techinques for GPR by taking into account the interface roughness of a stratified medium (Techniques avancées de traitement du signal pour applications GPR en tenant compte des rugosités d’interfaces des milieux stratifiés)
Thesis supervisor: Yide WANG (Univ. Nantes). Co supervisors: Cédric LE BASTARD (Cerema/ENDSUM), Nicolas PINEL (Alyothech)

Carole Kaouane (soutenue le 22/06/2016)
Spectral induced polarization for geotechnical characterization of compacted soils: practical laboratory evaluation (Polarisation provoquée spectrale pour la caractérisation géotechnique des sols compactés : évaluation pratique en laboratoire)
Thesis supervisors: Michel Chouteau (Polytechnique Montréal) and Philippe Côte (Ifsttar). Co supervisor: Cyrille Fauchard (CEREMA/ENDSUM).

Delphine Jacqueline (soutenue le 17/12/2015)
Characterization of the compactness of railway ballast by seismic methods (Caractérisation de la compacité du ballast ferroviaire par méthodes sismiques)
Thesis supervisor: Jean-Pierre Magnan (Ifsttar). Co-supervisors: Cyrille FAUCHARD (CEREMA/ENDSUM) and Jean-François Semblat (Ifsttar)

Xiaoting XIAO (soutenue le 08/12/2015)
Determination of water gradients in concretes using electromagnetic methods (Détermination de gradients de teneur en eau dans les bétons par méthodes électromagnetiques)
Thesis supervisor: Xavier DEROBERT (Ifsttar). Co supervisors: Amine IHAMOUTEN (Cerema/ENDSUM), Géraldine VILLAIN (Ifsttar)
 

Post-doctorat

David Souriou (2020-2021)
Experimental study of magnetic sensors for the structure health monitoring of reinforced concrete structures. (Etude expérimentale de capteurs magnétiques pour le contrôle de santé intégré de structures en béton armé)
Supervisor: Amine Ihamouten (UGE/MAST/LAMES)

Eliott Renaud (2018-2019)
Development of embedded sensors and software for UAV GPR application (Développement de capteurs embarqués et logiciel pour des applications Radar par drone)
Supervisors: Cyrille Fauchard (CEREMA/ENDSUM), Bruno Beaucamp (CEREMA/ENDSUM)

Imen Hassen (2018-2019)
In English: Geological 3D modelisation of the Vaches Noires Cliffs (Modélisation géologique 3D des falaises des Vaches Noires
Supervisors: Cyrille Fauchard (CEREMA/ENDSUM), Raphaël Antoine ( CEREMA/ENDSUM)

Sam Taoum (2018-2019)
Development of a 3D modelisation and inversion software for electrical resistivity tomography (Développement d’un logiciel de modélisation et d’inversion de tomagraphie de résistivité électrique 3D)
Supervisors: Antoine Tonnoir (INSA de Rouen), Yannick Fargier (Université Gustave Eiffel), Cyrille Fauchard (CEREMA/ENDSUM)

Responsable de l'équipe
Cyrille Fauchard
Chercheur
Adjoint responsable
Pierre Charbonnier
Chercheur
Membres de l'équipe
Cyrille Fauchard
Chercheur
Pierre Charbonnier
Chercheur
Raphaël Antoine
Chercheur
Philippe Foucher
Chercheur
Christophe Heinkelé
Chercheur
Valérie Muzet
Ingénieur
David Guilbert
Chargé d'étude
Bruno Beaucamp
Chargé d'étude
Vincent Guilbert
Chargé d'étude
Rodolph Duval
Chargé d'étude
Frédéric Bosc
TSC
Marc Brenugat
Technicien
Cyril Ledun
Technicien
Aude Stresser
Technicien
Guillaume Gublin
Technicien
Alex Legrand
Technicien
Lionel Thomas
Technicien
Benhui Fan
Chercheuse
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ENDSUM : Évaluation Non Destructive des StrUctures et des Matériaux

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