Novelty detection applied to structural health monitoring

Le paradigme de la surveillance de santé structurale repose sur l'introduction d'indicateurs fiables et robustes permettant de détecter, localiser, quantifier et prédire un endommagement de manière précoce. En effet, la détection d'une modification structurale susceptible de devenir critique peut éviter l'occurrence de dysfonctionnements majeurs associés à des conséquences sociales, économiques et environnementales très importantes.Ces dernières années, de nombreuses recherches se fait de l'évaluation dynamique un élément de diagnostic. La plupart des méthodes reposent sur une analyse temporelle ou fréquentielle des signaux pour en extraire une information compressée au travers de quelques caractéristiques modales ou d'indicateurs évolués construits sur ces caractéristiques. Ces indicateurs ont montré leur efficacité, mais le problème de leur sensibilité, de la nécessité de disposer d'un état de référence, et de leur fiabilité en terme de la probabilité de détection et de fausses alarmes, reste entier. De plus, le fait d'utiliser des mesures dynamiques (particulièrement si plusieurs voies de mesures sont considérées) mène au stockage de grands volumes de données.Dans ce contexte, il est important d'employer des techniques permettant d'utiliser autant des données brutes que les propriétés modales de manière pratique et pertinente. Pour cela, des représentations adaptées ont été développées pour améliorer la manipulation et le stockage des données. Ces représentations sont connues sous le nom de og données symboliques fg . Elles permettent de caractériser la variabilité et l'incertitude qui entachent chacune des variables. Le développement de nouvelles méthodes d'analyse adéquates pour traiter ces données est le but de l'Analyse de Données Symboliques (ADS).L'objectif de cette thèse est double : le premier consiste à utiliser différentes méthodes couplées à l'ADS pour détecter un endommagement structural. L'idée est d'appliquer des procédures de classification non supervisée (e.g. divisions hiérarchiques, agglomérations hiérarchiques et nuées dynamiques) et supervisée (e.g., arbres de décision Bayésiens, réseaux de neurones et machines à vecteurs supports) afin de discriminer les différents états de santé d'une structure. Dans le cadre de cette thèse, l'ADS est appliquée aux mesures dynamiques acquises emph{in situ} (accélérations) et aux paramètres modaux identifiés. Le deuxième objectif est la compréhension de l'impact des effets environnementaux, notamment de ceux liés à la variation thermique, sur les paramètres modaux. Pour cela, des techniques de régression des données sont proposées.Afin d'évaluer la pertinence des démarches proposées, des études de sensibilité sont menées sur des exemples numériques et des investigations expérimentales. Il est montré que le couplage de l'ADS aux méthodes de classification de données permet de discriminer des états structuraux avec un taux de réussite élevé. Par ailleurs, la démarche proposée permet de vérifier l'importance d'utiliser des techniques permettant de corriger les propriétés modales identifiées des effets thermiques, afin de produire un processus de détection d'endommagements efficaceThe paradigm of structural health monitoring is based on the development of reliable and robust indicators able to detect, locate, quantify and predict damage. Studies related to damage detection in civil engineering structures have a noticeable interest for researchers in this area. Indeed, the detection of structural changes likely to become critical can avoid the occurrence of major dysfunctions associated with social, economic and environmental consequences.Recently, many researches have focused on dynamic assessment as part of structural diagnosis. Most of the studied techniques are based on time or frequency domain analyses to extract compressed information from modal characteristics or based on indicators built from these parameters. These indicators have shown their potentialities, but the problem of their sensitivity, the necessity of a reference state, and their reliability in terms of detection probability and false alarm, still remains. Moreover, the use of raw dynamic measurements (especially if several measurement channels are considered) leads to the storage of large datasets.In this context, it is important to use techniques capable of dealing not only with raw data but also modal parameters in a practical and relevant way. In order to give some insights to this problem, appropriate representations have been developed to improve both manipulation and storage of data. These representations are known as og symbolic data fg. They are used to characterize the variability and uncertainty that exists within each variable. The development of new methods capable of dealing with this type of data is the goal of Symbolic Data Analysis (SDA).This thesis has two main objectives: the first one is to use different methods coupled with the SDA to detect structural damage. The idea is to employ clustering procedures (e.g., hierarchy-divisive, hierarchy-agglomerative and dynamic clouds) and supervised classification methods (e.g., Bayesien decision trees, neural networks and support vector machines) to discriminate different structural states. In this thesis, SDA is applied to dynamic measurements obtained on site (accelerations) and to the identified modal parameters. The second goal is to study the impact of environmental effects, particularly those related to thermal variation over modal parameters. To this end, a couple of regression techniques are proposed.In order to attest the efficiency of the proposed approaches, several sensibility studies considering numerical applications and experimental investigations are carried out. It is shown that SDA coupled with classification methods is able to distinguish structural conditions with adequate rates. Furthermore, it is stressed the importance of using techniques capable of correcting modal parameters from thermal effects in order to build efficient procedures for damage detectio