ISO 14963:2003
(Main)Mechanical vibration and shock — Guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and viaducts
Mechanical vibration and shock — Guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and viaducts
ISO 14963:2003 provides guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and viaducts. It classifies the testing as a function of construction and usage, indicates the types of investigation and control for individual structural parts and whole structures, lists the equipment required for excitation and measurement, and classifies the techniques of investigation with reference to suitable methods for signal processing, data presentation and reporting. ISO 14963:2003 provides general criteria for dynamic tests. These can supply information on the dynamic behaviour of a structure that can serve as a basis for condition monitoring or system identification. The dynamic tests detailed in ISO 14963:2003 do not replace static tests. The tests may seek to define all of the dynamic characteristics of each mode of vibration examined (i.e. frequency, stiffness, mode shape and damping) and their non-linear variation with amplitude of motion. ISO 14963:2003 is applicable to road, rail and pedestrian bridges and viaducts (both during construction and operation) and also to other works (or types of works), provided that their particular structure justifies its application. The application of ISO 14963:2003 to special structures (stayed or suspension bridges) requires specific tests which take into account the particular characteristics of the work.
Vibrations et chocs mécaniques — Lignes directrices pour essais et études dynamiques des ponts et viaducs
L'ISO 14963:2003 définit des lignes directrices pour les essais et études dynamiques des ponts et viaducs. Elle classe les essais en fonction de la construction et de l'usage, indique la nature des études et des contrôles portant sur les éléments structuraux individuels et l'ensemble des structures, établit une liste des matériels requis pour l'excitation et le mesurage, et classe les techniques d'étude en faisant appel aux méthodes adéquates pour le traitement des signaux, la présentation des données et l'établissement des rapports. L'ISO 14963:2003 définit des critères d'ordre général destinés aux essais dynamiques. Cela peut constituer une source d'informations sur le comportement dynamique d'une structure devant servir de base à la surveillance des conditions ou à l'identification du système. Les essais dynamiques détaillés dans l'ISO 14963:2003 ne se substituent pas aux essais statiques. Les essais peuvent être réalisés pour définir l'ensemble des caractéristiques dynamiques de chaque mode de vibration examiné (c'est-à-dire la fréquence, la raideur, la forme d'un mode et l'amortissement) et leur variation non linéaire en fonction de l'amplitude du mouvement. L'ISO 14963:2003 est applicable aux routes, aux chemins de fer, aux passerelles et viaducs (pendant la construction et la mise en service à la fois) ainsi qu'aux autres ouvrages (ou types d'ouvrages), sous réserve que leur structure particulière justifie l'application de ladite norme. L'application de l'ISO 14963:2003 à des structures spéciales (ponts à haubans ou suspendus) nécessite des essais spécifiques qui tiennent compte des caractéristiques particulières de l'ouvrage.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 14963
First edition
2003-12-01
Mechanical vibration and shock —
Guidelines for dynamic tests and
investigations on bridges and viaducts
Vibrations et chocs mécaniques — Lignes directrices pour essais et
études dynamiques sur ponts et viaducs
Reference number
©
ISO 2003
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references. 1
3 Terms and definitions. 1
4 Classification. 2
4.1 General. 2
4.2 Type of superstructure. 2
4.3 Static design, methods of construction and substructure. 2
4.4 Function classification. 4
5 General criteria for testing . 4
5.1 General. 4
5.2 Choice of test techniques . 5
5.3 Choice of excitation methods. 5
5.4 Choice of response measuring system. 5
6 Testing equipment. 6
6.1 Excitation equipment. 6
6.2 Measurement equipment. 6
6.3 Control, acquisition and analysis systems . 6
7 Techniques of investigation. 7
7.1 General considerations. 7
7.2 Tests using artificial excitation . 7
7.3 Ambient natural actions . 8
8 Testing and inspection. 9
8.1 General. 9
8.2 Testing during construction (interim inspection). 9
8.3 Testing the completed construction . 11
8.4 Investigation and controls during operation. 12
8.5 Monitoring. 12
9 Final report. 13
9.1 General. 13
9.2 Test design. 14
9.3 Test report. 15
9.4 Analysis of results and conclusions. 15
Annex A (informative) Excitation systems and their specification . 16
Annex B (informative) Measurement equipment and its specification . 22
Bibliography . 26
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 14963 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration and shock,
Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied to machines,
vehicles and structures.
iv © ISO 2003 — All rights reserved
Introduction
Dynamic investigations can contribute to the control of structures through the measurement, interpretation and
reporting of their response to dynamic excitation. The design of the tests should correspond to the specific
purposes of the investigation and the type of structure. The measurements usually lead to a characterization
of the dynamic behaviour of the whole bridge, including foundations, or local structural elements in the
frequency and/or time domain.
This International Standard is for use with permanent design, temporary works, construction and maintenance
of bridges and viaducts as defined. Dynamic tests may be undertaken with the objective of
evaluating the safety of bridge structures under construction,
confirming after construction the values used in design,
evaluating dynamic characteristics to be used in wind and earthquake analysis and for live loading,
monitoring of real bridges in-service and detecting any damage,
confirming reinforcement effects on bridges,
bridge diagnosis under an emergency, and
diagnostic testing as a basis for condition monitoring.
Dynamic investigation may be used as part of the design process (design by testing) for new construction or
for maintenance and rehabilitation management.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 14963:2003(E)
Mechanical vibration and shock — Guidelines for dynamic tests
and investigations on bridges and viaducts
1 Scope
This International Standard provides guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and viaducts.
It
classifies the testing as a function of construction and usage,
indicates the types of investigation and control for individual structural parts and whole structures,
lists the equipment required for excitation and measurement, and
classifies the techniques of investigation with reference to suitable methods for signal processing, data
presentation and reporting.
This International Standard provides general criteria for dynamic tests. These can supply information on the
dynamic behaviour of a structure that can serve as a basis for condition monitoring or system identification.
The dynamic tests detailed in this International Standard do not replace static tests.
The tests may seek to define all of the dynamic characteristics of each mode of vibration examined (i.e.
frequency, stiffness, mode shape and damping) and their non-linear variation with amplitude of motion.
This International Standard is applicable to road, rail and pedestrian bridges and viaducts (both during
construction and operation) and also to other works (or types of works), provided that their particular structure
justifies its application.
The application of this International Standard to special structures (stayed or suspension bridges) requires
specific tests which take into account the particular characteristics of the work.
NOTE Hereinafter in this International Standard, the term “bridges” means “bridges and viaducts”.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 2041, Vibration and shock — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2041 apply.
4 Classification
4.1 General
The dynamic behaviour of bridges is highly influenced by the type of superstructure, static design and
construction method, deck cross-section, support conditions, foundation type and elevation substructures
(piers and abutments). Since these characteristics need to be considered in dynamic tests, a classification of
bridges is given in 4.2 to 4.4. This classification aids the proper reporting of measurements.
4.2 Type of superstructure
The main categories of bridge deck with respect to the superstructure material are the following:
a) reinforced concrete bridge decks (either in situ or precast);
b) prestressed concrete bridge decks (either in situ or precast); pretensioned or post-tensioned, or combined
pre- and post-tensioned units are generally used;
c) steel bridge decks (with orthotropic plate or longitudinal stiffeners);
d) composite steel beam and concrete slab bridge decks;
e) masonry bridges;
f) new materials (e.g. fibre reinforced concrete, fibre reinforced plastic).
4.3 Static design, methods of construction and substructure
4.3.1 Static design
The static design and the support conditions influence the dynamic behaviour of the structure and they should
be taken into account in programming the tests.
With respect to static design, bridges can be classified as follows:
a) single-span bridges or bridges with simply supported independent spans;
b) viaducts with spans resting with their extremities supported and suitably constrained, yet independent in
every span;
c) multi-span continuous bridges, generally with significant variations in the longitudinal flexural rigidity along
the span;
d) a statically determinant Gerber-type continuous span; the longitudinal profile can be of constant or
variable cross section;
e) framed bridges;
f) arch bridges;
g) truss bridges;
h) prefabricated modular bridges;
i) tubular steel arch bridges.
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4.3.2 Methods of construction
Bridges are generally erected using different construction methods that may effect both global dynamic
behaviour and the theoretical modelling of the structure. As an example, some common construction methods
are the following:
in-situ construction with precast concrete or steel beams and concrete (in-situ or precast) slab;
precast segmental or staging construction.
Furthermore, strengthening or retrofit effects need to be considered in the test design.
4.3.3 Type of deck cross-section
The main categories of bridge deck cross-section are as follows:
slab on girder cross-sections with steel or concrete girder (usually connected by means of transverse
beams);
single-cell or multi-cell box girder;
solid or hollow slab cross-sections.
4.3.4 Type of foundation
The main categories of foundations are the following:
strip, slab or mass concrete foundations on competent soils or directly on rock;
pile or sheet-pile foundations;
caisson foundations.
The behaviour of such foundations on the ground may influence the degree of constraint of the structures
(piers and abutments) and it is suggested that, whenever possible, investigation of their behaviour is
undertaken during construction.
4.3.5 Piers, abutments and parapets
4.3.5.1 Piers
Most pier systems consist of the following:
wall-type piers;
single-column (hollow or solid, straight or tapered) piers;
multiple-column (hollow or solid, straight or tapered) bents;
framed piers.
Other types of pier may be classified as a combination of the above main categories.
4.3.5.2 Abutments
Abutment systems generally consist of the following:
reinforced concrete cast-in-place abutments (solid or with counterforts);
hollow reinforced concrete cast-in-place abutments;
precast reinforced concrete abutments;
mechanical stabilized earth abutments, e.g. soil reinforcements.
4.3.5.3 Parapets
Parapet constructions are generally made of the following:
concrete;
masonry.
4.3.6 Special bridges
Special bridges such as the following require special attention:
skew bridges (with angle of skew > 15°);
curved bridges (R/L < 10);
inclined bridges (with slope angle > 5 %);
cable-stayed bridges;
suspended bridges;
mobile bridges (e.g. swing and lifting bridges);
floating bridges.
4.4 Function classification
With respect to function, bridges may be classified as
a) road bridges,
b) railway bridges,
c) pedestrian bridges,
d) product and services bridges, or
e) a combination of the above.
5 General criteria for testing
5.1 General
It is advisable for investigations to be preceded by theoretical models and/or by numerical analysis to obtain
the order of magnitude of values to be measured. If similar works have already been investigated, it is
reasonable to anticipate a similar order of values. This could concern a whole bridge, or elements, or
structural parts. This initial analysis should supply the likely values of displacements, deformations, natural
frequencies, mode shapes and damping as guidelines in the choice of the following:
investigation technique;
excitation method (type, duration of excitation, spectral distribution);
4 © ISO 2003 — All rights reserved
choice of measuring instruments;
location of transducers and/or exciters.
5.2 Choice of test techniques
The choice of the test techniques depends on many factors such as the frequency range, damping and level
of excitation necessary for a correct evaluation of the response having regard to the accuracy of the
transducers and the environmental noise.
If the signal-to-noise ratio is less than 3, measurements should be processed with particular care and the test
report should indicate the corrections adopted and the estimated errors.
5.3 Choice of excitation methods
5.3.1 General
In choosing the excitation methods, two types of structural motion should be considered: free and forced
motion. In both cases investigations may be performed in the time, or in the frequency, or in the time-
frequency domains.
The free motion may be excited by sudden application of a static load or of imposed displacement, or as tail-
response to transient excitation (including the effect of running or braking vehicles). The excitation may be
“environmental forced” or “artificial forced”. The first is due to the wind, road traffic, micro-earthquake, and has
a random-characteristic wide spectrum. The second is through controlled excitation and may be particularly
suitable for concentrating forcing energy around different natural frequencies. It requires the use of one or
more exciters which can apply a controlled load of known amplitude and frequency. This type of excitation
may be used to evaluate the dynamic characteristics and possible non-linearities of the system.
For pedestrian bridges, consideration should be given to footfall excitation and stochastic interactions.
5.3.2 Equipment type
For the choice of equipment for use with artificial vibration, see 6.1. To select the type of excitation, it is
necessary to evaluate both the frequency range and required vibration levels.
5.3.3 Sites of excitation
The number and location of the excitation points should be chosen in relation to vibration modes to be
investigated. These sites, zones of maximum modal amplitude, should be selected taking account of the
progress of the construction phase and the stiffness of the resistant section. It might be necessary to verify
that the structure can bear the anticipated dynamic load.
5.4 Choice of response measuring system
5.4.1 General
The method of monitoring the response should be scheduled in advance in relation to the specific information
to be obtained from the tests. Such information may come from the measurement of acceleration, velocity,
displacement, inclination, strain or deformation. Particular care should be taken in the detection of the physical
parameters that concern fatigue in order to find the deformation and stress ranges for specific points of the
structure. This information is of particular importance for evaluating possible local and overall damage.
The global response is the direct detection of the vibration modes of a pier or abutment or of the structure in
one or more spans. Often it might be sufficient to detect selected vibration modes, either vertical, horizontal,
torsional or combined. The measurement of the global response requires the deployment of measuring
instruments along the whole structure or of its elements, with different configurations for each test. This should
be programmed after preliminary investigations. If this approach is adopted, it may be necessary to maintain
some test positions in order to check the repeatability of the measurements and to correlate the various
results. At lower frequencies, consideration may be given to sub-centimetre global positioning systems (GPS).
Local response requires specific programming on the position of measuring instruments, following theoretical
analysis of parts of the structure during the construction stage (foundation piles, foundations as a whole, etc.)
or structural elements in operation (cross sections, overhangs, etc.).
5.4.2 Placement of transducers
For the measurement of global response, measuring instruments should not be placed on elements sensitive
to local vibration. The overall measurement chain (transducers, signal conditioners, recording) should be
calibrated according to specifications of the manufacturer or applicable standards (for vibration transducers,
see, for example, the ISO 5347 or ISO 16063 series). In the test report, the measurement and data collection
chain should be described and the frequency range of the system should be specified.
The initial positioning of transducers depends on the objectives of the investigation and is affected by the type
of bridge, its condition and the mode of vibration of concern. Subsequent locations may be required
depending upon the results of previous measurements.
5.4.3 Installation techniques
The technique of mounting transducers should allow the reproduction of the vibration of the element to which
they are fixed, over the frequency range of interest. The mounting system should be as rigid as possible to
avoid resonance phenomena due to the mounting. The mounting of transducers should be in accordance with
the specifications of the manufacturer or to applicable standards (for accelerometers, see, for example,
ISO 5348). These mountings should be described in the test report.
5.4.4 Data transmission
Data should be transferred without corruption.
6 Testing equipment
6.1 Excitation equipment
Excitation equipment should be suitable for the purpose. Annex A provides details of vibration generators and
impulsive systems and their specification.
6.2 Measurement equipment
The measurement equipment should be suitable for the purpose. Guidance on measurement equipment and
its specification is given in Annex B.
6.3 Control, acquisition and analysis systems
A control function, which is the set of operations to control all actions to be applied to the structure during the
tests, should be installed. Depending on the type of exciter, force transducers may be required between the
ground and the structure under investigation.
The data should be recorded and made available for processing and analysis.
An analysis, which is the set of operations that examine the recorded data and allow the identification of the
dynamic characteristics, should be performed.
6 © ISO 2003 — All rights reserved
7 Techniques of investigation
7.1 General considerations
7.1.1 Grouping
The techniques of dynamic investigation on structures can be grouped according to the nature of the vibration
(i.e. forced or free) and the techniques adopted for data processing.
7.1.2 Forced vibration
Forced vibration can arise artificially or environmentally, i.e. it can be induced either from artificial or
environmental causes.
Artificial excitation can generate applied loads with specified characteristics. Depending on the excitation
system used, the dynamic load can be sinusoidal, stationary random, non-stationary random or transient. The
excitation can be measured in some situations, but may be difficult in others.
Forced environmental vibration can be produced by wind, traffic (road or rail), micro-earthquake, industry,
road works, etc. The dynamic excitations can be stationary random, non-stationary random or transient.
7.1.3 Free vibration
Free vibration is that which persists after the cause which produced it has ceased. It is characterized by the
combination of damped sinusoids. Free vibration depends on the modal characteristics of the work. It can be
artificially induced or due to environmental causes.
In the first eventuality, it is due to transitory actions, for instance the use of the technique of pull and quick
release or by using devices generating pulse loads.
In the second eventuality, it can be induced on the structure by the stopping of environmental transitory
actions such as, for instance, the run-by of vehicles, or cessation of the wind.
7.1.4 Data processing
Data processing may be in the frequency domain, or in the time domain, or in the time-frequency domain. The
procedures of structural identification which may be used should be reasonably supported by practice or
literature. The test report should describe the procedure used and the specific references.
7.2 Tests using artificial excitation
Testing with artificial excitation is one of the most widely used techniques of investigation. It requires the
installation of one or more exciters and the mounting of a network of measurement transducers whose
number and position depend on the structural typology of the bridge to be examined and on the objective of
the investigation. The types of excitation are as follows.
a) Sinusoidal excitation
This is the application of forces which vary with time according to a strictly harmonic law. During the test
the frequency can vary in such a way that the fundamental modes of the structure can be examined. The
frequency variation can be slow or quick. The advantage of these tests is to concentrate the energy of
excitation in one mode at a time and to produce a response of relatively high amplitude.
b) Random excitation
This consists of the application of dynamic actions which vary with time with a stationary random law, and
excite various modes of the structure.
c) Impulsive excitation
This consists of the application of dynamic actions (pull and quick release, impact of loads, use of
hydraulic vibration generators, explosions near the work, etc.). This kind of technique is used for the
analysis of induced free vibration.
7.3 Ambient natural actions
7.3.1 Wind
The excitation produced by the wind may be considered as “quasi-random”. The dynamic load actually
produced by the wind activity is difficult, and often impossible, to measure, due to the distribution of the load
on all exposed surfaces.
7.3.2 Earthquake
The excitation produced by an earthquake is a transient variable which may last for tens of seconds. The
effective dynamic load produced by an earthquake is from movements on the ground, therefore the
measurement of the excitation should be performed by placing accelerometers or seismometers on or in the
ground at the expected positions of seismic input. If possible, soil/structure interaction should be evaluated
and measurements made in the free field.
Because an earthquake is usually a rare event, its use as a source for testing is limited and could be recorded
only with monitoring systems.
7.3.3 Micro-tremors
Micro-tremors (M less than 2,0) generate very low-amplitude motion and major bridge sites are often
L
monitored using suitable seismometers. The excitation produced by micro-tremors may be regarded as a
sequence of transients of short duration.
Many sites exhibit a near continuous succession of small transients (surface waves) which can be attributed to
“man-made noise”. In addition, there is longer period of ambient vibration which is generated by
meteorological sources, such as classical long period micro-seisms linked to low pressure centres and littoral
wave action.
7.3.4 Measurement of traffic-induced vibration
The dynamic response produced by this type of excitation can easily be detected in structures which are being
used. If a cycle of dynamic tests on several similar structures is to be conducted, it is suggested that similar
investigations are also performed on a test structure excited artificially. The traffic may be controlled (for
instance, only vehicles with known characteristics) or normal traffic may be used. In the latter event, the actual
measurement of the dynamic excitation is not widely used. Normal traffic may be monitored to obtain
information on the presence and intensity of the traffic itself. For railway traffic, with some sensors the position
of train axles, the axle load and the train speed can be detected.
Human traffic may also be mobilized to excite lightweight bridges, including pedestrian bridges. People
walking at constant frequency provide a load at that frequency and at whole number multiples of it. Therefore
the pacing frequency can be selected to excite the fundamental mode. Cessation of walking, or a single jump,
may be used to initiate free vibration of the bridge. Crowded pedestrian bridges can undergo complex
interactive stochastic loading.
7.3.5 Other dynamic actions
There are other dynamic actions which may produce measureable motion in bridges, e.g. interaction with
water, either waves or currents.
8 © ISO 2003 — All rights reserved
8 Testing and inspection
8.1 General
The principles to be adopted in regard to the specific circumstances of testing are given in this clause,
together with matters which require special attention for each application. Usually the excitation is provided by
mechanical or servo-hydraulic means, although impact with or without force measurement may be used. The
methods of attaching the exciter to the structure or structural element should not induce unwanted movements
in other than the desired direction. Where the mass of the exciter and any attachment is significant, its effects
on dynamic response need to be assessed.
8.2 Testing during construction (interim inspection)
8.2.1 General
Dynamic tests may be carried out on bridges or on their structural elements during construction in order to
confirm assumptions made on design, modelling and analysis. The range of tests which may be used during
or after construction is described. The number and type of tests depend on the characteristics and importance
of the structure.
8.2.2 Surface and shallow foundations
Dynamic tests are not often used on surface or shallow foundations, which are usually restricted to softer soils
and would not generally be used for substantial bridges. They can be used to check assumptions in the
geotechnical design. Because the testing in these circumstances is unusual, a preliminary study using a
numerical model based on plausible geotechnical data is useful and can help in the selection of appropriate
soil dynamic parameters and the form of testing, e.g. Dynamic Plate Testing. Procedures for such testing can
be found in soil dynamics text books.
8.2.3 Piled and diaphragm wall foundations
In addition to verification of design, testing of piled foundations can reveal variations in the properties of the
supporting soils and foundation characteristics. Knowledge of such variations is particularly useful in the
analysis of laterally extended structures under seismic loading.
Diaphragm walls require special consideration in that they may be installed in panels of concrete in situ or in
prefabricated elements. The extent of the participation in response when testing at different construction
stages needs to be considered.
8.2.4 Dynamic vertical behaviour
8.2.4.1 Dynamic tests on a single pile
Vertical tests on a sample pile should determine the modal frequency and damping in the vertical direction.
Care should be taken to ensure that the vertical forces only are applied to the pile, especially if part of the pile
is free standing above ground level.
Tests may need to be carried out on one or more piles depending on the dimensions and importance of the
work and homogeneity of the soil. Where powerful and heavy exciters are used, the effects of the added mass
may need to be taken into account. At low frequencies it may be difficult to achieve sufficient dynamic
displacement to yield realistic damping values. At higher frequencies the damping terms may be frequency-
dependent.
Dynamic pile testing may be used for quality control purposes using a much lower power source (for example,
reflected sonic testing in the time domain and mechanical admittance in the frequency domain).
8.2.4.2 Dynamic tests on a pile group
Dynamic testing of pile groups should be related to the tests carried out on a single pile, in order to assess the
model used to calculate the vertical dynamic behaviour of the foundation block supported by the pile group.
The foundation block design should permit the mounting of the exciter so as to minimize rocking motion,
having regard to the geometry of the foundation and the disposition of the piles.
8.2.5 Dynamic horizontal behaviour
8.2.5.1 General
Dynamic horizontal tests are especially important for the verification of the geotechnical model used in the
calculation of seismic response. The sequence of testing on a single working pile should take into account the
potential for affecting the working function of that pile. Consideration should be given to the displacements
which need be induced in the tests if non-linearities and strain-related damping are to be invoked in design.
8.2.5.2 Dynamic tests on a single pile
Horizontal dynamic tests should determine the modal frequencies and damping. The pile selected for testing
(which may become in due course a working pile) while construction is underway should be representative of
the completed structural element. Where a pile is tested with free length above ground level, account should
be taken of any backfilling to be undertaken before completion of construction. Where the pile is to have pile
cap, its effects should be taken into account.
In order to explore response at low frequencies, a reaction block or reaction piles may have to be provided
and any proximity effects need to be examined. Where large displacements are required at more than a few
hertz, a servo-hydraulic actuator capable of handling large flows of hydraulic fluid is likely to be needed.
Large-diameter single piles, such as caisson piles and completed diaphragm wall foundations, are difficult to
excite. It is not usually possible to mobilize sufficient displacement to reproduce the full response which would
be expected in extreme service condition, and any extrapolation would have to make use of theoretical
geotechnical arguments.
8.2.5.3 Dynamic tests on a pile group
Horizontal tests on a foundation block supported by a group of piles or by a diaphragm wall may be planned
using the same criteria for the corresponding vertical tests with the determination of modal frequencies and
damping.
The test equipment should be capable of exciting measurable horizontal motion of the concrete block-
piles/soil system. For large pile caps and large foundation elements, it may not be practicable to explore
displacements and strains which approach even serviceability limit states of performance, and inferences on
strain-related behaviour have to be extrapolated from single-pile tests. The measurement equipment should
record displacements and rotations of the concrete block, because the global motion can also be influenced
by the vertical behaviour of the piles. If the block can deform, the distribution of transducers and the directions
in which they respond should be designed to define the principal distortions.
The results of investigations on the foundation block may be compared with the single-pile investigation, with
the aim of establishing the group behaviour usually at small displacements. It should be noted that some
numerical modelling of dynamic group effects is based upon a wave field and interactions which are not
simulated by excitation of the block itself. “Stand-off” explosive sources may be used to study these aspects. If
excessive settlement beyond the static design limit has occurred during the test on the single pile, due
precautions should be taken when developing the tests on the pile group.
10 © ISO 2003 — All rights reserved
8.2.6 Support structures (piers and abutments)
8.2.6.1 General
Vibration tests on support structures are important, especially for structures in seismic areas and for piers in
which buckling is to be considered.
8.2.6.2 Piers
The vibration tests should yield modal frequencies, damping values, stiffness and the shapes of the natural
modes on slender piers.
Interaction between the foundations of the supporting soil can influence modal frequencies and the shapes of
the natural modes. The transducers should be located so as to define the most important natural mode
shapes. Some preliminary numerical analysis may be required before selecting the excitation system required
to excite the natural frequencies of such structures.
For slender piers, natural excitations (e.g. wind) or shock excitation may be useful. For stiffer structures, it is
generally useful to use imposed horizontal vibration produced by mechanical shakers. Where impact is used,
the pulse shape can be modified by a compliant coupler to enhance the response in the fundamental mode.
8.2.6.3 Abutments
Dynamic tests on abutments are particularly relevant for important structures in seismic areas. Testing needs
to be carried out when the abutment is complete since many incorporate backfilling which has an important
effect on static and dynamic behaviour.
8.3 Testing the completed construction
8.3.1 General
When construction is complete, dynamic tests can complement traditional checks, verify the assumptions and
procedures in dynamic analysis and provide a benchmark for future periodical checks as part of process of
condition monitoring.
8.3.2 Global behaviour of the structure
8.3.2.1 General
Dynamic testing of the bridge deck requires that it be excited at appropriate locations if artificial means are to
be used (see 8.3.2.2). A grid of transducers is necessary, sufficient in number to identify principal bending and
torsional modes and to describe their mode shapes. In order to identify both bending and torsional modes, at
least two transducers need to be located in the same section located on the shoulder responding to vertical
motion. The number of transverse sections instrumented depends on the complexity of the bending and
torsional modes which are to be studied. A reduction in the number may be possible using symmetry.
If modes which include transverse deformation of sections are monitored, several transducers across the
section may be required. In considering global behaviour of the structure in the horizontal plane, it is
necessary to monitor the dynamic effects due to the exciter(s) in that plane and here significant components
of such motions may occur at low frequencies.
8.3.2.2 Forced artificial excitation
Forced-vibration tests are the most useful tool for finding the overall dynamic behaviour of the structure and
for evaluating the transfer functions of the fundamental modal parameters (natural frequencies, damping,
stiffness and mode shapes).
The excitation position(s) should be chosen bearing in mind both the need to excite the various modes of
interest and the operational aspects of the location. One location might be sufficient, depending on the
complexity of the work and on the kind of modes to be investigated. The excitation equipment should be rigidly
connected to the structure in such a way as to impose motion only in the desired direction. Tie beams passing
through the slabs, avoiding places where the transversal bending is noticeable, may be used. In such cases,
locations can be chosen with beams or transversal diaphragms, or positions corresponding to main beams
(for open sections) or walls (for closed sections).
8.3.2.3 Environmental vibration
Environmental vibration generated by wind is useful for examining exposed flexible slim structures having low
natural frequencies. Also micro-earthquakes (micro-tremors) are always present; they supply a low-energy
excitation and can be used for the linear dynamic identification. Vibration due to traffic induces a response at
similar or higher levels to the pulse tests or artificial non-sinusoidal excitation. The technique of analysis for
traffic-induced vibration may be used (see 7.3.4).
8.3.3 Local behaviour
In parallel with the investigations concerning global dynamic characterization, dynamic tests or observations of
the dynamic response of local structural elements and non-loading bearing parts or service attachments may
be required, especially if their failure has safety implications. Examples of such local elements are overhangs,
slabs, etc. or of other structural parts such as constraints, some supporting structures such as piles or piers,
etc.
This kind of investigation needs to be applied if the structure shows cracks whose structural meaning cannot
be evaluated easily; in these circumstances strain-gauge measurements allow an evaluation of the continuity
of the section examined. The type of instruments and its location shall be studied in every situation
considering the kind of information required and the structural behaviour to be investigated.
8.4 Investigation and controls during operation
During the operation of the bridge, periodic investigation involving dynamic testing may be scheduled as part
of a programme of condition monitoring to supply data on the durability of the work and for scheduling
maintenance work related to degradation during the life of the bridge.
For evaluation of the dynamic behaviour during operation, see the general considerations in 7.1. Such
investigations should have a minimum impact on the operation of the work, but maintain technical efficiency.
8.5 Monitoring
8.5.1 General
A monitoring system with continuous or near continuous operation, such as can be provided by a fixed
installation, is the preferred option and for complex frames is the most effective tool to control the work during
its operation. Sufficient data over an appropriate time period are needed to provide proper dynamic
information on the behaviour of the structure under ambient environmental and operating conditions.
An essential part of a monitoring system is a management plan and pre-formulated behavioural features
which lead to defined actions (alarm algorithms). In addition to monitoring, periodic forced-vibration tests
p
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 14963
Première édition
2003-12-01
Vibrations et chocs mécaniques —
Lignes directrices pour essais et études
dynamiques des ponts et viaducs
Mechanical vibration and shock — Guidelines for dynamic tests and
investigations on bridges and viaducts
Numéro de référence
©
ISO 2004
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peut être imprimé ou visualisé, mais ne doit pas être modifié à moins que l'ordinateur employé à cet effet ne bénéficie d'une licence
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Version française parue en 2004
Publié en Suisse
ii © ISO 2003 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions . 2
4 Classification. 2
4.1 Généralités. 2
4.2 Type de superstructure . 2
4.3 Conception statique, méthodes de construction et infrastructure . 2
4.4 Classification fonctionnelle. 4
5 Critères d'ordre général pour les essais . 5
5.1 Généralités. 5
5.2 Choix des techniques d'essai. 5
5.3 Choix des méthodes d'excitation. 5
5.4 Choix du système de mesure de la réponse. 6
6 Appareillage d'essai. 7
6.1 Appareillage d'excitation. 7
6.2 Appareillage de mesure. 7
6.3 Systèmes de contrôle, d'acquisition et d'analyse . 7
7 Techniques d'étude. 7
7.1 Considérations d'ordre général. 7
7.2 Essais utilisant une excitation artificielle. 8
7.3 Actions des phénomènes naturels ambiants. 8
8 Essais et contrôles. 9
8.1 Généralités. 9
8.2 Essais pendant la phase de construction (contrôle provisoire). 9
8.3 Essais après achèvement de la construction .12
8.4 Étude et contrôles en cours d'utilisation. 13
8.5 Surveillance. 13
9 Rapport final. 15
9.1 Généralités. 15
9.2 Conception de l'essai . 15
9.3 Rapport d'essai. 16
9.4 Analyse des résultats et conclusions. 17
Annexe A (informative) Systèmes d'excitation et leur spécification. 18
Annexe B (informative) Appareillage de mesure et sa spécification . 24
Bibliographie . 28
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 14963 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les machines, les
véhicules et les structures.
iv © ISO 2003 – Tous droits réservés
Introduction
Les études dynamiques peuvent contribuer au contrôle des structures par des mesures et l'interprétation de
leur réponse à l'excitation dynamique, et par l'établissement de rapports à ce propos. Il convient que les
essais soient conçus conformément aux besoins spécifiques de l'étude et au type de structure. Les mesures
conduisent habituellement à une caractérisation du comportement dynamique de l'ensemble du pont, y
compris les fondations, ou des éléments de structure locaux dans les domaines fréquentiel et/ou temporel.
La présente Norme internationale est destinée à être utilisée dans le cadre de la conception définitive, des
ouvrages temporaires, de la construction et de la maintenance des ponts et viaducs, selon le cas. Il est admis
d'entreprendre des essais dynamiques pour la réalisation des objectifs suivants:
l'évaluation du degré de sécurité des structures de pont en construction;
la confirmation, après construction, des valeurs utilisées pour la conception;
l'évaluation des caractéristiques dynamiques à intégrer dans l'analyse des effets du vent et des
tremblements de terre et pour la charge mobile;
la surveillance des ponts réellement en service et la détection d'endommagements;
la confirmation des effets des renforts sur les ponts;
le diagnostic des ponts dans un cas d'urgence;
l'essai de diagnostic en tant que base de la surveillance d'état.
Il est admis d'utiliser l'étude dynamique en tant que partie intégrante du processus de conception (essais
orientés sur la conception) des nouvelles constructions ou pour la gestion des opérations de maintenance et
de réhabilitation.
NORME INTERNATIONALE ISO 14963:2003(F)
Vibrations et chocs mécaniques — Lignes directrices pour
essais et études dynamiques des ponts et viaducs
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale définit des lignes directrices pour les essais et études dynamiques des
ponts et viaducs. Elle
classe les essais en fonction de la construction et de l'usage,
indique la nature des études et des contrôles portant sur les éléments structuraux individuels et
l'ensemble des structures,
établit une liste des matériels requis pour l'excitation et le mesurage, et
classe les techniques d'étude en faisant appel aux méthodes adéquates pour le traitement des signaux,
la présentation des données et l'établissement des rapports.
La présente Norme internationale définit des critères d'ordre général destinés aux essais dynamiques. Cela
peut constituer une source d'informations sur le comportement dynamique d'une structure devant servir de
base à la surveillance des conditions ou à l'identification du système. Les essais dynamiques détaillés dans la
présente Norme internationale ne se substituent pas aux essais statiques.
Les essais peuvent être réalisés pour définir l'ensemble des caractéristiques dynamiques de chaque mode de
vibration examiné (c'est-à-dire la fréquence, la raideur, la forme d'un mode et l'amortissement) et leur variation
non linéaire en fonction de l'amplitude du mouvement.
La présente Norme internationale est applicable aux routes, aux chemins de fer, aux passerelles et viaducs
(pendant la construction et la mise en service à la fois) ainsi qu'aux autres ouvrages (ou types d'ouvrages),
sous réserve que leur structure particulière justifie l'application de ladite norme.
L'application de la présente Norme internationale à des structures spéciales (ponts à haubans ou suspendus)
nécessite des essais spécifiques qui tiennent compte des caractéristiques particulières de l'ouvrage.
NOTE «Ponts et viaducs» sont désignés par «ponts» dans la suite du texte de la présente Norme internationale.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 2041, Vibrations et chocs — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 2041 s'appliquent.
4 Classification
4.1 Généralités
Le comportement dynamique des ponts est fortement influencé par le type de superstructure, la conception
statique et la méthode de construction, la section transversale du tablier, les conditions du support, le type de
fondation et la hauteur des infrastructures (piles et culées). Dans la mesure où les essais dynamiques
tiennent compte de ces caractéristiques, une classification des ponts est donnée en 4.2 à 4.4. Cette
classification aide à l'établissement correct des rapports de mesures.
4.2 Type de superstructure
Les principales catégories de tablier de pont, compte tenu des matériaux utilisées dans la superstructure, sont
les suivantes:
a) tabliers de pont en béton armé (coulés in situ ou préfabriqués);
b) tabliers de pont en béton précontraint (coulés in situ ou préfabriqués); des éléments précontraints ou
postcontraints, ou bien des éléments combinés précontraints et postcontraints, sont généralement
utilisés;
c) tabliers de pont en acier (avec platelage orthotrope ou raidisseurs longitudinaux);
d) tabliers de pont à poutres en acier composite et à dalle en béton;
e) ponts en maçonnerie;
f) nouveaux matériaux (par exemple béton armé par des fibres, plastique renforcé).
4.3 Conception statique, méthodes de construction et infrastructure
4.3.1 Conception statique
La conception statique et les conditions d'appui influencent le comportement dynamique de la structure et il
convient d'en tenir compte dans la programmation des essais.
Considérant leur conception statique, les ponts peuvent être classés comme suit:
a) ponts à travée unique ou ponts à travées indépendantes;
b) viaducs à travées avec appuis aux extrémités et contraintes de manière appropriée, chaque travée étant
cependant indépendante;
c) ponts à travées multiples continues, généralement soumises à des variations significatives de la rigidité à
la flexion longitudinale dans l'axe de la travée;
d) travée continue isostatique de type Gerber; le profil longitudinal peut être à section constante ou variable;
e) ponts à poutres en caisson;
f) ponts en arc;
2 © ISO 2003 – Tous droits réservés
g) ponts en treillis;
h) ponts modulaires préfabriqués;
i) ponts en arc à tubes en acier.
4.3.2 Méthodes de construction
L'érection des ponts fait généralement appel à différentes méthodes de construction qui peuvent avoir une
incidence sur le comportement dynamique global et influencer l'établissement de modèles théoriques de la
structure. Voici par exemple certaines méthodes courantes de construction:
construction in situ mettant en œuvre des poutres préfabriquées en béton ou en acier et une dalle en
béton (coulée in situ ou préfabriquée);
construction en éléments préfabriqués à encorbellements successifs ou en échafaudage.
En outre, la conception des essais doit tenir compte des effets des renforts ou des réaménagements.
4.3.3 Type de sections transversales de tabliers
Les principales catégories de sections transversales de tabliers de pont sont les suivantes:
dalle sur poutres transversales en acier ou en béton (généralement reliées par des poutres
transversales);
poutre en caisson unicellulaire ou multicellulaire;
dalles transversales pleines ou creuses.
4.3.4 Type de fondations
Les principales catégories de fondations sont les suivantes:
semelle, dalle ou béton de masse sur sols résistants ou directement sur masse rocheuse;
fondations sur pieux ou palplanches;
fondations sur puits bétonnés.
Le comportement des fondations de ce type et leur action sur le terrain peuvent avoir une incidence sur le
degré de contrainte des structures (piles et culées), et il est suggéré d'entreprendre, dans la mesure du
possible, une étude portant sur leur comportement pendant la phase de construction.
4.3.5 Piles, culées et parapets
4.3.5.1 Piles
Les systèmes de piles les plus fréquents se composent des éléments suivants:
piles de type mural;
piles à colonne simple (creuse ou pleine, droite ou en queue de billard);
béquilles à colonnes multiples (creuses ou pleines, droites ou en queue de billard);
piles en caisson.
D'autres types de piles peuvent être classés selon une combinaison des principales catégories citées
précedemment.
4.3.5.2 Culées
Les systèmes de culées se composent généralement des éléments suivants:
culées en béton armé coulé en place (pleines ou à contreforts);
culées creuses en béton armé coulé en place;
culées préfabriquées en béton armé;
culée de terre mécaniquement stabilisées, par exemple renforcements des sols.
4.3.5.3 Parapets
Les parapets sont généralement construits de la manière suivante:
en béton;
en maçonnerie.
4.3.6 Ponts spéciaux
Les ponts spéciaux tels que les suivants nécessitent une attention particulière:
ponts biais (avec angle du biais > 15°);
ponts courbes (R/L < 10);
ponts en pente (avec angle de pente > 5 %);
ponts à haubans;
ponts suspendus;
ponts mobiles (par exemple ponts tournants et levants);
ponts flottants.
4.4 Classification fonctionnelle
Les ponts peuvent être classés selon leur fonction
a) en ponts-routes,
b) en ponts-rails,
c) en passerelles,
d) en ponts de produits et passerelles de service, ou
e) en une combinaison des catégories susmentionnées.
4 © ISO 2003 – Tous droits réservés
5 Critères d'ordre général pour les essais
5.1 Généralités
Avant d'entreprendre les études, il est recommandé de réaliser des modèles théoriques et/ou des analyses
numériques, pour déterminer l'ordre de grandeur des valeurs à mesurer. Si des études ont été réalisées sur
des ouvrages similaires, il est raisonnable d'anticiper un ordre de grandeur identique en matière de valeurs.
Cela pourrait s'appliquer soit à l'ensemble du pont, soit à des éléments, soit à des parties de la structure. Il
convient que cette analyse initiale fournisse les valeurs probables des déplacements, déformations,
fréquences propres, formes des modes et de l'amortissement en tant que lignes directrices dans le choix des
éléments suivants:
technique d'étude;
méthode d'excitation (type et durée d'excitation, répartition spectrale);
appareils de mesure;
emplacement des transducteurs et/ou excitateurs.
5.2 Choix des techniques d'essai
Le choix des techniques d'essai dépend de plusieurs facteurs: gamme de fréquence, amortissement, niveau
d'excitation nécessaire à une évaluation correcte de la réponse (en relation avec le degré de précision des
transducteurs et le bruit ambiant).
Si le rapport signal-bruit est inférieur à 3, il convient de traiter les mesurages avec une attention particulière et
d'indiquer dans le rapport les facteurs de correction adoptés et les erreurs estimées.
5.3 Choix des méthodes d'excitation
5.3.1 Généralités
Dans le choix des méthodes d'excitation, il convient de considérer deux types de mouvement: mouvement
libre et forcé. Dans les deux cas, des études peuvent être effectuées dans les domaines de temps, de
fréquence ou de temps-fréquence.
L'excitation à l'origine du mouvement libre peut être induite par application brusque d'une charge statique ou
d'un déplacement imposé, ou en tant que réponse prolongeant une excitation transitoire (y compris l'effet de
véhicules en mouvement ou en freinage). L'excitation peut être «forcée sous l'action de facteurs
environnementaux» ou «artificiellement forcée». La première est due au vent, à la circulation routière, aux
microséismes, et présente un large spectre à caractéristique aléatoire. La deuxième est générée par une
excitation commandée qui peut se révéler particulièrement utile pour concentrer l'énergie de contrainte autour
de différentes fréquences propres. Cela implique l'utilisation d'un ou de plusieurs excitateurs à même
d'appliquer une charge commandée dont l'amplitude et la fréquence sont connues. Ce type d'excitation peut
servir à l'évaluation des caractéristiques dynamiques et des non-linéarités possibles du système.
S'agissant des passerelles, il convient de considérer l'excitation générée par le bruit des pas des piétons.
5.3.2 Type d'appareillage
Pour le choix de l'appareillage à utiliser dans le cadre des vibrations artificielles, voir 6.1. Pour sélectionner le
type d'excitation, il est nécessaire d'évaluer à la fois la gamme de fréquence et les niveaux vibratoires requis.
5.3.3 Emplacements des points d'excitation
Il convient de choisir le nombre et l'emplacement des points d'excitation en fonction des modes de vibration à
étudier. Il convient que ces emplacements, zones offrant une amplitude de mode maximale, tiennent compte
de l'avancement de la phase de construction et de la raideur de la section résistante. Il peut s'avérer
nécessaire de vérifier que la structure peut supporter la charge dynamique prévue.
5.4 Choix du système de mesure de la réponse
5.4.1 Généralités
Il convient de programmer la méthode de surveillance de la réponse en fonction des informations spécifiques
à obtenir des essais. Ces informations peuvent correspondre à la mesure de l'accélération, de la vitesse, du
déplacement, de la déclivité, de l'allongement ou de la déformation. Il convient de prêter une attention toute
particulière à la détection des paramètres physiques relatifs à la fatigue, afin de déterminer l'étendue des
déformations et contraintes subies à des points spécifiques de la structure. Ces informations revêtent une
importance particulière pour l'évaluation du dommage probable local ou global.
La réponse globale est la détection directe des modes de vibration d'une pile ou culée, ou de la structure au
niveau d'une ou plusieurs travées. Il suffit le plus souvent de détecter des modes de vibration déterminés,
qu'ils soient verticaux, horizontaux, de torsion ou combinés. Le mesurage de la réponse globale nécessite
l'installation d'appareils de mesure le long de toute la structure ou de ses éléments, en prévoyant différentes
configurations pour chaque essai. Il convient de programmer cela après des études préliminaires. À cet effet,
il peut se révéler nécessaire de maintenir certaines positions d'essai pour vérifier la répétabilité des mesures
et mettre en corrélation les divers résultats. À basses fréquences, il est admis d'utiliser des systèmes GPS
(«global positioning systems») d'une précision inférieure au centimètre.
La réponse locale exige une programmation spécifique de la position des appareils de mesure, après analyse
théorique des parties de la structure pendant la phase de construction (pieux de fondation, fondations en tant
qu'ensemble, etc.) ou d'éléments structuraux (sections transversales, porte-à-faux, etc.).
5.4.2 Mise en place des transducteurs
Pour la mesure de la réponse globale, il convient de ne pas placer les appareils de mesure sur des éléments
sensibles aux vibrations locales. Il convient d'étalonner l'ensemble de la chaîne de mesure (transducteurs,
coditionneurs de signaux, enregistrement) conformément aux spécifications du fabricant ou aux normes
applicables (pour les transducteurs de vibrations, se reporter par exemple à l'ISO 5347 et à l'ISO 16063). Il
convient de décrire dans le rapport d'essai la chaîne d'acquisition des valeurs de mesure et des données et
de spécifier la gamme de fréquence du système.
Le positionnement initial des transducteurs dépend des objectifs de l'étude ainsi que du type de pont, de son
état et du mode de vibration concerné. D'autres emplacements peuvent se révéler nécessaires en fonction
des résultats de mesures précédemment effectuées.
5.4.3 Techniques d'installation
Il convient que la technique de fixation des transducteurs permette la reproduction des vibrations émises par
l'élément auquel ils sont fixés, et ce sur le domaine de fréquence représentatif. Il convient que le système de
fixation soit aussi rigide que possible pour éviter des phénomènes de résonance générés par le montage. Il
convient de fixer les transducteurs conformément aux spécifications du fabricant ou aux normes applicables
(pour les accéléromètres, se reporter par exemple à l'ISO 5348). Il convient de décrire lesdites fixations dans
le rapport d'essai.
5.4.4 Transmission de données
Il convient d'assurer le transfert des données sans aucune altération.
6 © ISO 2003 – Tous droits réservés
6 Appareillage d'essai
6.1 Appareillage d'excitation
L'appareillage d'excitation doit être adapté à l'objectif recherché. L'Annexe A fournit les détails relatifs aux
générateurs de vibrations, aux systèmes à impulsions et à leur spécification.
6.2 Appareillage de mesure
L'appareillage de mesure doit être adapté à l'objectif recherché. L'Annexe B fournit des recommandations sur
l'appareillage de mesure et sa spécification.
6.3 Systèmes de contrôle, d'acquisition et d'analyse
Il convient de prévoir une fonction de contrôle qui représente la série d'opérations destinées à contrôler toutes
les actions à appliquer à la structure pendant les essais. Selon le type d'excitateur, il peut être nécessaire
d'installer des transducteurs de force entre le sol et la structure soumise à l'étude.
Il convient d'enregistrer les données afin de pouvoir en assurer le traitement et l'analyse.
Il convient de réaliser une analyse qui constitue la série d'opérations permettant l'exploitation des données
enregistrées et l'identification des caractéristiques dynamiques.
7 Techniques d'étude
7.1 Considérations d'ordre général
7.1.1 Groupement
Les techniques d'étude dynamique des structures peuvent être regroupées selon la nature des vibrations,
(c'est-à-dire qu'elles soient forcées ou libres) et les techniques adoptées pour le traitement des données.
7.1.2 Vibration forcée
La vibration forcée peut être provoquée artificiellement ou par l'environnement, c'est-à-dire qu'elle peut être
induite soit par des sources artificielles, soit par des causes exogènes dues à l'environnement.
L'excitation artificielle peut générer des charges appliquées présentant des caractéristiques spécifiques.
Selon le système d'excitation utilisé, la charge dynamique peut être sinusoïdale, stationnaire aléatoire, non
stationnaire aléatoire ou transitoire. L'excitation peut être mesurée dans certaines situations, mais peut
présenter des difficultés dans d'autres.
La vibration forcée d'origine environnementale peut être générée par le vent, la circulation (routière ou
ferroviaire), les microséismes, l'activité industrielle, les travaux routiers, etc. Les excitations dynamiques
peuvent être stationnaires aléatoires, non stationnaires aléatoires ou transitoires.
7.1.3 Vibration libre
La vibration libre est celle qui persiste après la disparition de la cause qui l'a produite. Elle est caractérisée
par une combinaison de sinusoïdes amorties. La vibration libre dépend des caractéristiques du mode de
vibration de l'ouvrage. Elle peut être induite artificiellement ou due à des causes environnementales.
Dans le premier cas, elle est due à des actions transitoires, par exemple l'utilisation de la technique
d'excitation et désexcitation rapide ou de dispositifs générateurs de charge impulsionnelle.
Dans le second cas, elle peut être induite sur la structure par l'arrêt des actions transitoires dues à
l'environnement telles que le passage des véhicules ou l'arrêt du vent.
7.1.4 Traitement des données
Le traitement des données peut s'effectuer dans le domaine de fréquence, dans le domaine de temps ou
dans le domaine de temps-fréquence. Il convient, en matière d'identification structurale, que les modes
opératoires qu'il est admis d'utiliser soient raisonnablement étayés par la pratique ou la documentation. Il
convient que le rapport d'essai comporte une description du mode opératoire adopté et des références
spécifiques.
7.2 Essais utilisant une excitation artificielle
Les essais mettant en œuvre une excitation artificielle constituent l'une des techniques d'étude les plus
largement utilisées. Ils nécessitent l'installation d'un ou plusieurs excitateurs et la mise en place d'un réseau
de transducteurs de mesure dont le nombre et la position dépendent de la structure typologique du pont à
soumettre à l'examen et des objectifs de l'étude. Les différents types d'excitation sont les suivants:
a) Excitation sinusoïdale
Application de forces qui varient dans le temps selon une loi strictement harmonique. Pendant l'essai, la
fréquence peut varier de manière à étudier les modes fondamentaux de vibration de la structure. La
variation en fréquence peut être lente ou rapide. Ces essais offrent l'avantage de pouvoir concentrer
l'énergie d'excitation sur un seul mode à la fois et de générer une réponse d'amplitude relativement
grande.
b) Excitation aléatoire
Application d'actions dynamiques qui varient dans le temps selon une loi aléatoire stationnaire, et qui
initialisent divers modes de vibration de la structure.
c) Excitation impulsionnelle
Application d'actions dynamiques (excitation et désexcitation rapide, impact de charges, utilisation de
générateurs hydrauliques de vibrations, explosions à proximité de l'ouvrage, etc.). Cette technique est
utilisée pour l'analyse de la vibration libre induite.
7.3 Actions des phénomènes naturels ambiants
7.3.1 Vent
L'excitation produite par le vent peut être considérée comme «quasi-aléatoire». La charge dynamique
réellement produite par l'activité éolienne est difficile, voire souvent impossible à mesurer en raison de la
répartition de la charge sur toutes les surfaces exposées.
7.3.2 Tremblement de terre
L'excitation produite par le tremblement de terre est une variable transitoire qui peut durer des dizaines de
secondes. La charge dynamique effective produite par un tremblement de terre provient des mouvements
subis par le terrain; par conséquent, il convient d'effectuer le mesurage de l'excitation en mettant en place des
accéléromètres ou des séismomètres sur le terrain; il convient, dans la mesure du possible, d'évaluer
l'interaction sol-structure et d'effectuer des mesures en champ libre.
Un tremblement de terre étant habituellement un événement rare, le recours à ce phénomène comme source
d'excitation pour les besoins des essais est limité et ne saurait être enregistré qu'au moyen de systèmes de
contrôle.
8 © ISO 2003 – Tous droits réservés
7.3.3 Microsecousses sismiques
Les microsecousses sismiques (M inférieur à 2,0) génèrent un mouvement de très faible amplitude et les
L
principaux sites d'implantation des ponts font l'objet d'une surveillance au moyen de séismomètres. Il est
admis de considérer l'excitation produite par des microsecousses sismiques comme une séquence de
transitoires de courte durée.
De nombreux sites présentent une succession quasi continue de faibles transitoires (ondes superficielles)
dont la cause peut être ramenée au «bruit d'origine artificielle». En outre, il existe une ambiance vibratoire à
période plus longue générée par des sources météorologiques, comme les microséismes classiques à longue
période dus à des centres de dépression atmosphérique et à l'effet de la houle du littoral.
7.3.4 Mesure de la vibration induite par la circulation
La réponse dynamique produite par ce type d'excitation peut être facilement détectée dans des structures en
cours d'utilisation. Lorsqu'il s'agit de réaliser un cycle d'essais dynamiques sur plusieurs structures similaires,
il est recommandé d'entreprendre également des études identiques sur une structure d'essai soumise à une
excitation artificielle. Il est possible soit de réguler la circulation (par exemple seuls des véhicules aux
caractéristiques connues sont admis), soit de maintenir la circulation normale. Dans ce dernier cas, la mesure
réelle de l'excitation dynamique n'est pas utilisé à grande échelle. La circulation normale peut être surveillée
pour acquérir des informations sur la présence et la densité de la circulation routière proprement dite. Pour le
trafic ferroviaire, certains capteurs peuvent détecter la position des essieux du train, la charge par essieu et la
vitesse du train.
Il est également admis de recourir au trafic des piétons pour l'excitation des ponts légers y compris les
passerelles. Les piétons se déplaçant à fréquence constante produisent une charge à la même fréquence et à
des multiples entiers de celle-ci. En conséquence, la fréquence de stimulation peut être sélectionnée pour
l'excitation du mode fondamental de vibration. L'arrêt de la circulation piétonnière ou un simple saut peuvent
être utilisés pour initialiser une vibration libre du pont.
7.3.5 Autres actions dynamiques
Il existe d'autres actions dynamiques susceptibles de produire un mouvement mesurable au niveau des ponts,
telles que l'interaction avec l'eau, qu'il s'agisse de vagues ou de courants.
8 Essais et contrôles
8.1 Généralités
Les principes à retenir eu égard aux circonstances spécifiques des essais sont donnés dans le présent article,
ainsi que les points exigeant une attention particulière pour chaque application. Généralement, l'excitation est
assurée par des moyens mécaniques ou servo-hydrauliques, l'utilisation de l'impact étant cependant admise
avec ou sans mesure des forces. Il convient que les méthodes de fixation de l'excitateur à la structure ou à
l'élément structural n'induisent pas de mouvements indésirables dans une direction autre que celle souhaitée.
Lorsque la masse de l'excitateur et de toute fixation est significative, il est nécessaire d'en évaluer les effets
sur la réponse dynamique.
8.2 Essais pendant la phase de construction (contrôle provisoire)
8.2.1 Généralités
Il est admis d'effectuer des essais dynamiques sur les ponts ou leurs éléments de structure pendant la phase
de construction, afin de confirmer les hypothèses posées en termes de conception, de modélisation et
d'analyse. L'étendue des essais pouvant être adoptée pendant ou après la phase de construction est décrite.
Le nombre et le type d'essais dépendent des caractéristiques et de l'importance de la structure.
8.2.2 Fondations superficielles et de faible profondeur
Les essais dynamiques sont rarement réalisés sur des fondations superficielles ou de faible profondeur qui se
limitent habituellement à des sols plus tendres, et ne sauraient généralement être utilisées pour des ponts de
taille imposante. Ils peuvent être réalisés pour vérifier les hypothèses en matière de conception géotechnique.
La réalisation des essais dans ces conditions étant peu commune, une étude préliminaire utilisant un modèle
de calcul numérique fondé sur des données géotechniques plausibles est utile, et peut aider à la sélection des
paramètres dynamiques pédologiques appropriés et de la formule à adopter pour les essais, tels que l'essai
de plaque dynamique. Les modes opératoires concernant de tels essais peuvent être trouvés dans les
ouvrages traitant de la dynamique des sols.
8.2.3 Fondations sur pieux et à parois moulées
Outre la vérification de la conception, les essais concernant les fondations sur pieux peuvent révéler des
variations dans les propriétés des sols d'appui et les caractéristiques des fondations. La connaissance de
telles variations est particulièrement utile dans l'analyse des structures latéralement rallongées sous charge
séismique.
Les parois moulées nécessitent une attention particulière dans la mesure où elles peuvent être installées sous
forme de panneaux en béton coulé in situ ou d'éléments préfabriqués. Il est nécessaire de tenir compte de
l'étendue de la participation dans la réponse, lorsque les essais sont effectués à différents stades des travaux
de construction.
8.2.4 Comportement dynamique vertical
8.2.4.1 Essais dynamiques sur pieu simple
Il convient que les essais dynamiques, portant sur le comportement vertical et réalisés sur un pieu simple,
déterminent la fréquence de mode et l'amortissement dans le sens vertical. Il convient de s'assurer que
seules les forces verticales sont appliquées au pieu, spécialement lorsqu'une partie du pieu est autoportante
au-dessus du niveau du sol.
Il est admis de réaliser les essais sur un ou plusieurs pieux, selon les dimensions et l'importance de l'ouvrage
et l'homogénéité du sol. En cas d'utilisation d'excitateurs puissants et lourds, il peut être nécessaire de tenir
compte des effets de la masse ajoutée. À basses fréquences, il peut être difficile de réaliser un déplacement
dynamique suffisant pour obtenir des valeurs d'amortissement réalistes. À des fréquences plus élevées, les
termes de l'amortissement peuvent varier en fonction de la fréquence.
Il est admis de réaliser des essais dynamiques sur des pieux pour les besoins d'un contrôle de la qualité en
utilisant une source d'énergie bien plus faible (par exemple essais acoustiques portant sur les ondes
réfléchies dans le domaine de temps et l'admittance mécanique dans le domaine de fréquence).
8.2.4.2 Essais dynamiques sur un groupe de pieux
Il convient d'établir une corrélation entre les essais dynamiques portant sur des groupes de pieux et ceux
réalisés sur un pieu simple, afin d'évaluer le modèle utilisé pour calculer le comportement dynamique vertical
du massif de fondation prenant appui sur le groupe de pieux. Il convient que la conception du massif de
fondation permette la fixation de l'excitateur, de manière à réduire au minimum le mouvement d'oscillation tout
en tenant compte de la géométrie de la fondation et de la disposition des pieux.
8.2.5 Comportement dynamique horizontal
8.2.5.1 Généralités
Les essais dynamiques portant sur le comportement horizontal sont particulièrement importants pour la
vérification du modèle géotechnique utilisé pour calculer la réponse sismique. Il convient que la séquence
d'essais relative à un pieu simple de travail tienne compte des possibilités d'attribuer la fonction travail à tel ou
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tel autre pieu. Il convient de prendre en considération les déplacements à induire lors des essais, lorsqu'il
s'agit de retenir des non-linéarités et un amortissement lié à la contrainte à faire valoir dans la conception.
8.2.5.2 Essais dynamiques sur pieu simple
Il convient que les essais dynamiques portant sur le comportement horizontal déterminent les fréquences de
mode et l'amortissement. Il convient que le pieu choisi pour les essais (auquel peut être attribué la fonction de
pieu de travail en temps utile) en cours de construction soit représentatif de l'élément de structure achevé.
Lorsqu'un pieu est soumis à essai avec une longueur au repos au-dessus du niveau du sol, il convient de
tenir compte de tous les travaux de remblai à effectuer avant la fin de la construction. Lorsque le pieu est
appelé à servir d'appui à une semelle, il convient de prendre en considération ses effets.
Afin d'analyser la réponse à basses fréquences, il est admis de prévoir un bloc ou des pieux de réaction et il
est nécessaire d'examiner tout effet de proximité. Lorsque des déplacements importants à une fréquence
supérieure à quelques hertz sont requis, il est également nécessaire de mettre en œuvre un actionneur servo-
hydraulique à même d'assurer d'importants débits de fluide hydraulique.
Les pieux simples de grand diamètre, tels que les piles-caissons et les fondations achevées à parois moulées,
sont difficiles à exciter. Généralement, il n'est pas possible d'assurer un déplacement suffisant permettant de
reproduire la réponse intégrale qui serait espérée dans des conditions extrêmes d'exploitation, et toute
extrapolation nécessiterait des arguments géotechniques théoriques.
8.2.5.3 Essais dynamiques sur un groupe de pieux
Les essais de comportement horizontal réalisés sur un massif de fondation prenant appui sur un groupe de
pieux ou sur des parois moulées peuvent être planifiés en adoptant les mêmes critères utilisés pour les essais
de comportement vertical correspondants, tout en veillant à déterminer les fréquences de mode et
l'amortissement.
Il convient que l'appareillage d'essai soit à même d'assurer l'initialisation du mouvement horizontal mesurable
du système de pieux en blocs de béton-sol. Pour des semelles sur pieux et des éléments de fondation de
grandes dimensions, il peut ne pas être possible d'analyser les déplacements et les contraintes qui avoisinent,
en termes de performance, les états-limites de service régulier, et les inférences sur le comportement lié à la
contrainte doivent être extrapolées à partir des essais réalisés sur pieu simple. Il convient que l'appareillage
de mesure assure l'enregistrement des déplacements et des rotations des blocs de béton, le mouvement
global pouvant également subir les effets du comportement vertical des pieux. Lorsque le bloc est susceptible
de déformations, il convient de répartir les transducteurs et d'établir les sens de propagation de leur réponse
de manière à déterminer les principales distorsions.
Les résultats des études réalisées sur le massif de fondation peuvent être comparés à ceux obtenus de
l'étude effectuée sur pieu simple, l'objectif de comparaison étant de déterminer le comportement de groupe,
généralement en cas de faibles déplacements. Il convient de noter que certains modèles de calcul numérique
des effets dynamiques de groupe sont fondés sur un champ d'onde et des interactions non simulées par
l'excitation du bloc lui-même. Il est possible d'utiliser des dispositifs explosifs «à distance de sécurité» pour
étudier ces aspects. En cas d'occurrence d'un tassement excessif dépassant la limite de conception statique
pendant l'essai réalisé sur pieu simple, il convient de prendre les mesures de sécurité qui s'imposent en
élaborant les essais à réaliser sur le groupe de pieux.
8.2.6 Structures d'appui (piles et culées)
8.2.6.1 Généralités
Les essais de vibration concernant les structures d'appui sont importants, notamment pour les structures en
zones sismiques et pour les piles dont le flambement est à prendre en considération.
8.2.6.2 Piles
Il convient que les essais de vibra
...
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