Application des notions de fiabilité à la gestion des ouvrages existants
Christian Cremona
Presses de l'école nationale des Ponts et chaussées
Préface
3
Sommaire
7
1. La gestion des ouvrages de génie civil
1.1. Fonctions et éléments constitutifs d'un ouvrage9
1.1.1. Les fonctions d'infrastructure9
1.1.2. La description technique10
1.1.3. Les types d'éléments rencontrés dans un ouvrage de génie civil
11
1.2. Évolution des fonctions d'une structure11
1.2.1. Perte de fonctions initiales11
1.2.1.1. Durabilité11
1.2.1.2. Environnement (actions externes)12
1.2.1.3. Erreurs et actions humaines12
1.2.2. Changement de fonction12
1.2.3. Extension de la durée d'utilisation12
1.2.4. Notion de performance
13
1.3. Conséquences de l'évolution de la performance14
1.4. Types de vieillissements14
1.5. Aléas, sécurité et risque16
1.5.1. Sécurité et risque16
1.5.1.1. Notion de sécurité16
1.5.1.2. Notion de risque17
1.5.1.3. Aléas18
1.5.2. Mesures du risque et risques acceptables18
1.5.2.1. Mesure du risque18
1.5.2.2. Notion de risque acceptable19
1.5.2.3. Erreurs humaines22
1.5.3. Gestion du risque
23
1.6. Les systèmes actuels de gestion et de maintenance24
1.6.1. Introduction24
1.6.2. Surveillance des ouvrages (inspection et suivi)25
1.6.3. Évaluation de la performance d'un ouvrage26
1.6.3.1. Évaluation de l'état26
1.6.3.2. Évaluation de la performance27
1.6.4. Type de maintenance27
1.6.4.1. Maintenance corrective28
1.6.4.2. Maintenance préventive28
1.6.5. Gestion d'un parc d'ouvrages28
Partie I
Exemples de problématiques dans la gestion
d'ouvrages existants
2. La réhabilitation du barrage du Chambon
2.1. Définition du problème35
2.2. Définition des fonctions de la structure et de ses éléments36
2.3. Définition de la maintenance37
2.3.1. Les objectifs de la maintenance37
2.3.2. Les contraintes de la maintenance
37
2.4. Définition de la performance de la structure38
2.4.1. Indicateurs38
2.4.2. Critères38
2.4.3. Appréciation de la performance39
2.5. Observations et constatations40
2.5.1. Résultats des mesures d'auscultation40
2.5.2. Observations visuelles
40
2.6. Causes de la perte de performance de la structure41
2.7. Conséquences de la perte de performance41
2.7.1. Conséquences sur les éléments de la structure41
2.7.2. Conséquences sur les évacuateurs de crue42
2.7.3. Conséquences sur l'environnement
42
2.8. Définition des travaux de réhabilitation43
2.9. Conclusion
44
3. La problématique de l'évaluation de la capacité portante de la suspension du pont d'Aquitaine
3.1. Définition du problème47
3.2. Définition des fonctions de la structure et de ses éléments48
3.3. Définition de la maintenance50
3.3.1. Procédures courantes50
3.3.2. Surveillance renforcée et haute surveillance
51
3.4. Définition de la performance de la structure52
3.5. Processus de la perte de performance53
3.6. Observations et constatations53
3.6.1. Surveillance classique jusqu'à 199853
3.6.2. Constatations de 1998
55
3.7. Méthodes d'évaluation des critères de performance55
3.7.1. Position générale du problème56
3.7.2. Pertinence de l'information et des modèles
57
3.8. La gestion de la sécurité mise en oeuvre57
3.8.1. Approche empirique de la sécurité57
3.8.2. Le dispositif mis en oeuvre58
3.8.3. Les mesures de sécurité58
Restrictions partielles de circulation59
Fermeture de l'ouvrage59
Soulagement de la suspension59
3.8.4. Résultats obtenus60
4. Qualificationdu supportage du coeur de la centrale Phénix
4.1. Définition du problème61
4.2. Définition des fonctions de la structure et de ses éléments64
4.2.1. Description
64
4.3. Définition de la performance de la structure65
4.3.1. Indicateurs65
4.3.2. Critères
66
4.4. Définition des pathologies et des mécanismes de dégradation68
4.5. Méthodes d'évaluation des critères de performance68
4.5.1. Valeurs critiques69
4.5.2. Méthode de palpage69
4.5.2.1. Variation d'inclinaison du platelage69
4.5.2.2. Mesure de la flèche71
4.5.3. Mesures de différences de niveaux72
4.5.3.1. Principe de la méthode72
4.5.3.2. Incertitude sur le débit de retournement74
4.5.3.3. Incertitude sur le coefficient de perte de charge76
4.5.4. Contrôles non destructifs par ultrasons
78
4.6. Conclusion79
5. Surveillance d'un type d'assemblage soudé de pylônede remontées mécaniques
5.1. Définition du problème81
5.2. Définition des fonctions de la structure et de ses éléments83
5.3. Définition de la maintenance83
5.4. Définition de la performance de la structure83
5.5. Définition des critères de performances des éléments85
5.5.1. Calcul des durées de vie85
5.5.2. Seuils acceptables
87
5.6. Processus de la perte de performance88
5.7. Méthodes d'évaluation des critères de performance88
5.8. Surveillance de l'ouvrage et de ses éléments critiques88
5.9. Règles de maintenance à l'échelle de l'élément et du parc89
5.10. Évolution de la gestion des assemblages89
5.10.1. Évolution de la surveillance89
5.10.2. Optimisation des intervalles de surveillance90
5.10.3. Organisation de la surveillance
92
5.11. Conclusion93
6. Problèmatique de la gestion des tunnels en briques
6.1. Définition du problème95
6.2. Définition des fonctions de la structure et de ses éléments96
6.2.1. Description97
6.2.2. Morphologie97
6.2.3. Construction
97
6.3. Définition de la maintenance98
6.3.1. Objectifs98
6.3.2. Contraintes
99
6.4. Définition de la performance de la structure99
6.4.1. Indicateurs99
6.4.2. Critères
100
6.5. Définition des relations entre défaillance d'un élément et le non-respect des objectifs100
6.6. Conséquence de la perte de performance101
6.7. Processus de la perte de performance101
6.7.1. Causes101
6.7.1.1. Défauts de conception101
6.7.1.2. Défauts d'exécution101
6.7.1.3. Défauts liés à la maintenance et à l'exploitation107
6.7.2. Pathologie
108
6.8. Définition de la pathologie et des mécanismes de dégradation109
6.9. Méthode d'évaluation des critères de performance110
6.9.1. Qualité de l'information a priori110
6.9.2. Méthodes de calcul110
6.9.3. Surveillance de l'ouvrage et de ses éléments critiques111
6.9.4. Démarche qualité112
6.9.5. Utilisation des résultats d'inspection
112
6.10. Règles de maintenance à l'échelle de la structure114
6.11. Hiérarchisation des priorités dans le cas de la gestion d'un parc116
6.11. Conclusion118
7. L'évaluation et la maintenance des viaducs à travées indépendantes à poutres précontraintes
7.1. Définition du problème119
7.2. Définition des fonctions de la structure et de ses éléments120
7.2.1. Description120
7.2.7. Morphologie121
7.2.3. Construction
122
7.3 Définition de la maintenance122
7.3.1. Objectifs122
7.3.2. Contraintes
123
7.4. Définition de la performance de la structure123
7.4.1. Indicateurs124
7.4.2. Critères124
7.4.2.1. Résistance de la structure vis-à-vis de la flexion124
7.4.2.2. Résistance de la structure vis-à-vis de l'effort tranchant124
7.4.2.3. Résistance de la bielle d'about
125
7.5. Conséquences de la perte de performance125
7.6. Processus de la perte de performance126
7.6.1. Causes126
7.6.1.1. Défauts de conception126
7.6.1.2. Défauts d'exécution128
7.6.1.3. Défauts liés à la maintenance et à l'exploitation129
7.6.2. Phénomènes de dégradation129
7.6.3. Pathologie
130
7.7. Surveillance de l'ouvrage et de ses éléments critiques131
7.7.1. Démarche131
7.7.2. Utilisation des résultats d'inspection et d'auscultation
133
7.8. Règles de maintenance à l'échelle de la structure134
7.9. Règles de maintenance à l'échelle de l'élément135
7.10. Hiérarchisation des priorités dans le cas de la gestion d'un parc
136
8. L'évaluation et la maintenance des réseaux d'assainissement
8.1. Définition du problème139
8.2. Définition des fonctions de la structure141
8.2.1. Description141
8.2.2. Morphologie
141
8.3. Définition de la maintenance142
8.3.1. Objectifs142
8.3.2. Contraintes et enjeux145
8.3.2.1. Revue des coûts145
8.3.2.2. Cadre administratif
146
8.4. Définition de la performance de l'ouvrage147
8.4.1. Indicateurs147
8.4.2. Critères
148
8.5. Relation défaillance d'un élément non-respect des objectifs148
8.6. Définition des critères de performance des éléments150
8.7. Processus de la perte de performance152
8.7.1. Causes et phénomènes de dégradation152
8.7.2. Pathologie
156
8.8. Définition de la pathologie et des mécanismes de dégradation156
8.9. Méthodes d'évaluation des critères de performance157
8.10. Surveillance de l'ouvrage et de ses éléments critiques161
8.11. Règles de maintenance à l'échelle de l'élément162
8.11.1. Type (préventive, corrective, systématique)162
8.11.2. Stratégie d'intervention, aide à la décision
164
8.12. Règles de maintenance à l'échelle du parc165
8.13. Hiérarchisation des priorités dans le cas de la gestion d'un parc166
8.14. Conclusion166
9. Maintenance des structures off-shore
9.1. Définition du problème171
9.2. Définition des fonctions de la structure et de ses éléments176
9.2.1. Description de la structure, de son comportement et de ses fonctions176
9.2.2. Les joints tubulaires soudés177
9.2.3. Classification des éléments
178
9.3. Définition de la maintenance179
9.3.1. Inspection en service et intégrité structurale180
9.3.1.1. Absence de système de gestion de l'intégrité structurale180
9.3.1.2. Présence de système de gestion de l'intégrité structurale181
9.3.2. Évaluation de l'aptitude à remplir la fonction
181
9.4. Performance de la structure183
9.5. Définition des pathologies et des mécanismes de dégradation184
9.5.1. Corrosion185
9.5.2. Fatigue185
9.5.3. Autres mécanismes de dégradation
187
9.6. Règles de maintenance à l'échelle de l'élément et à l'échelle d la structure
187
Partie II
Principes et concepts de la théorie de la fiabilité
appliquée à la gestion des ouvrages existants
10. Modélisation des matériaux: incertitudes et fiabilité
10.1. Introduction193
10.2. Incertitudes et erreurs liées aux matériaux et sécurité des ouvrages194
10.2.1. L'incertain et ses conséquences194
10.2.2. L'incertain dans les matériaux du génie civil
195
10.3. Enjeux relatifs aux matériaux, en liaison avec la fiabilité197
10.3.1. Acquisition et traitement des données197
10.3.2. Description et caractérisation de l'aléa
198
10.4. Des outils pour quelles applications?200
10.4.1. Les problèmes posés par les outils probabilistes200
10.4.2. Comportement de poutres en bois lamellé-collé202
10.4.3. Stabilité d'un remblai en sol compacté
206
10.5. Pour aller plus loin209
11. Modélisation des actions
11.1. Introduction213
11.2. Lois de valeurs extrêmes215
11.3. Densité spectrale de puissance218
11.4. Dépassements de niveaux219
11.4.1. Nombre moyen de dépassements d'un niveau220
11.4.2. Période de retour
220
11.5. Combinaisons d'actions221
11.5.1. Règle de Turkstra221
11.5.2. Modèle de Ferry Borges-Castanheta
222
11.6. Description des actions sur les structures223
11.6.1. Actions naturelles223
11.6.2. Actions d'exploitation227
11.6.3. Actions accidentelles228
12. Introduction à la théorie de la fiabilité
12.1. Introduction231
12.2. Mesures déterministes232
12.2.1. Coefficients de sécurité232
12.2.2. Coefficients partiels de sécurité
232
12.3. Approche probabiliste de la fiabilité233
12.3.1. Introduction233
12.3.2. Le problème de base234
12.3.2.1. Intégrale de convolution234
12.3.2.2. Cas de variables normales235
12.3.2.3. Expression géométrique de l'indice de fiabilité237
12.3.2.4. Représentation sous forme de loi conjointe
239
12.3.3. Formulation générale de la fiabilité240
12.3.3.1. Élément de rupture - Mode de défaillance240
12.3.3.2. Marges de sécurité - Fonctions d'état limite241
12.3.3.3. Probabilité de défaillance
241
12.4. Modélisation des éléments de structure246
12.5. Fiabilité des systèmes247
12.5.1. Représentations formelles des systèmes247
12.5.2. Calcul des probabilités de défaillance des systèmes249
12.5.2.1. Probabilité de défaillance d'un système en série249
12.5.2.2. Calcul des probabilités de défaillance de systèmes parallèles252
12.6. Calibration de coefficients partiels de sécurité253
12.7. Probabilités de défaillance acceptables256
12.8. Nature d'un calcul probabiliste258
13. Évaluation des ouvrages existants
et optimisation des stratégies d'inspection
13.1. Procédures d'évaluation261
13.1.1. Les règles utilisées dans l'évaluation261
13.1.2. Les limites de l'utilisation des règlements de conception262
13.1.3. Les étapes de l'évaluation d'un ouvrage existant263
13.2. Évaluation de l'état d'un ouvrage265
13.3. Évaluation de la performance266
13.4. Utilisation de l'information271
13.4.1. Mise à jour au moyen de données quantitatives273
13.4.2. Mise à jour au moyen de données qualitatives274
13.4.3. Remarques sur les résultats d'inspection275
13.4.4. Épreuves de chargement sur ouvrages
276
13.5. Critères d'admissibilité278
13.6. Rappels de quelques principes de gestion des ouvrages280
13.7. Gestion individuelle280
13.7.1. Maintenance corrective281
13.7.2. Maintenance systématique282
13.7.3. Maintenance conditionnelle283
13.7.4. Exemple d'application285
13.7.4. Principe de l'évaluation globale288
13.7.5. Efficacité d'une stratégie de maintenance
289
13.8. Gestion d'un parc d'ouvrages289
Partie III
Exemples d'applications de la théorie de la fiabilitéà la gestion des ouvrages existants
14. Approches fiabilistes pour l'exploitation
des centrales nucléaires d'EDF
14.1. Introduction293
14.2. Enjeux des travaux294
14.3. Objectifs des travaux294
14.4. Applications des méthodes probabilistes à EDF295
14.4.1. Enjeu «sûreté»295
14.4.1.1. Applications des analyses de fiabilité des structures (AFS) à des composants à fort enjeu295
14.4.1.2. Applications des analyses de fiabilité des structures (AFS)à des composants de moindre enjeu297
14.4.1.3. Marges de sécurité: approche probabiliste en support de la codification des critères d'analyse de nocivité de défauts des composants REP importants pour la sûreté298
14.4.2. Enjeu et optimisation de la maintenance: intégration des AFS dans l'application de l'OMF aux structures passives (approche OMF-structures)299
14.4.3. Durée de vie299
15. L'Optimisation de la maintenance des structures passives
dans le nucléaire
15.1. De l'OMF à l'OMF-Structures301
15.2. La mise au point de la méthode OMF-Structures302
15.3. Description des principes de la méthode OMF Structures302
15.4. La phase d'évaluation des enjeux304
15.5. La phase d'évaluation des performances304
15.6. La phase de sélection des tâches de maintenance306
15.7. Les apports de l'OMF-Structures307
15.7.1. De la maintenance préventive juste là où il faut307
15.7.2. S'assurer de l'absence de mécanisme sur les tronçons très sensibles pour la sûreté307
15.7.3. Une justification rationnelle de la maintenance308
15.8. Exemple de résultats des études OMF-Structures: principaux résultats de l'étude ASG-900308
15.9. Principaux résultats de l'étude RRA-900309
15.10. Avancées310
15.11. Conclusion311
16. Analyse probabiliste de la corrosion-érosion
dans les réacteurs à eau préssurisée en France
16.1. Introduction313
16.2. Le phénomène de corrosion-érosion315
16.2.1. Aspects généraux315
16.2.2. Paramètres influant sur le phénomène315
16.2.2.1. Effet de la chimie de l'eau315
16.2.2.2. Influence du transfert des masses dans un débit
monophasique316
16.2.2.3. Influence de la
température316
16.2.2.4.
Géométrie
316
16.3. L'approche
d'Électricité de France317
16.3.1. BRT-
Cicero Version I318
16.3.2. L'approche
probabiliste
321
16.4. Caractéristique
principales de la version 2 de BRT-Cicero322
16.4.1. Améliorations générales322
16.4.2. Le module probabiliste
323
16.5. Méthodes numériques324
16.6. Conclusion
327
17.
Inspections non destructives
des plates-formes pétrolières off-shore
17.1. Introduction329
17.2. Le projet ICON330
17.2.1.
Objectifs330
17.2.2. Procédure
générale
330
17.3. Les différentes
techniques d'inspections sous-marines331
17.3.1. L'inspection visuelle331
17.3.2.
L'inspection par ultrasons331
17.3.3. MPI
(Magnetic particule inspection)332
17.3.4. ACDP (Alternating current drop potential)333
17.3.5. ACFM (Alternating current field measurement)334
17.3.6. Inspection par courants de
Foucault335
17.3.7. Détection des membres
inondés
336
17.4. Caractérisation des
défauts337
17.4.1. Caractérisation en
taille337
17.4.2. Taille des fissures
mesurées337
17.4.3. Classification des
défauts caractérisés338
17.4.4.
Performance des inspections340
17.4.5.
Performances de techniques d'inspections: exemples341
17.4.5.1. Résultats pour une technique de type FMD341
17.4.5.2. Résultats pour une technique de type
électromagnétique
342
17.5.
Utilisation des données d'inspections et optimisation des coûts d'inspection
342
17.5.1. Inspections: un peu de théorie342
17.5.2. Optimisation du coût
d'inspection344
17.5.3.
Illustration345
17.5.4. Classification
des méthodes d'inspections
347
18.
Évaluation de la sécurité résiduelle des câbles du pont de Tancarville
18.1. Introduction349
18.2. Modélisation d'un câble de suspension350
18.2.1. Le pont de Tancarville350
18.2.2. Principes de simulation352
18.2.3. Modélisation d'un tronçon de fil352
18.2.4. Simulation de tronçons de fils354
18.2.5. Modélisation d'un fil355
18.2.6. Modélisation du toron et du câble356
18.2.7. Modélisation du câble357
18.3. Coefficient de sécurité de la suspension
358
18.3.1. Etude des queues d'histogramme des
dépassements de niveaux360
18.3.2.
Extrapolation des charges361
18.3.3.
Application au câble aval de la suspension du pont de Tancarville
362
19. Évaluation probabiliste des ponts routiers
suédois
19.1. Introduction365
19.2. Justification et procédures légales367
19.3. Modélisation des incertitudes et des charges368
19.4. Expérience avec l'évaluation probabiliste des
ponts369
19.4.1. Pont C295 au-dessus de
la Sävja (Autoroute E4 Stockholm-Uppsala)369
19.4.2. Pont E129 au-dessus de Motala (Route 1142 Kimstads-Finsprang)
372
19.5. Conclusion
373
20. Élaboration de programmes optimaux d'inspection et de
réparation basés sur les concepts de fiabilité et de cycle de vie
20.1. Introduction375
20.2. Méthodologie376
20.3.
Élément structural dégradé376
20.4.
Systèmes390
20.5. Application aux
ponts392
20.5.1. Ouvrages neufs392
20.5.2. Ouvrages existants
393
20.6. Conclusion396
Postface
399
Annexes
A. Index terminologique
A.1. Termes généraux403
A.1.1. Par rapport à la notion de structure403
A.1.2. Par rapport à la conception et au dimensionnement403
A.1.3. Par rapport aux états limites404
A.1.4. Par rapport aux «projets»404
A.1.5. Par rapport à la prise de décision
405
A.1.6. Termes relatifs à la qualité
405
A.1.7. Termes relatifs à la
construction
406
A.2. Termes relatifs
à la physique et à la mécanique406
A.2.1.
Matériaux406
A.2.2. Actions
406
A.2.3. Résistances
409
A.3. Termes relatifs à la fiabilité, durabilité, aptitude au
service410
A.3.1. Fiabilité
410
A.3.2. Par rapport à la durée
411
A.3.3. Codification411
A.3.4. Autres termes413
A.4. Termes relatifs à la maintenance et au contrôle
413
A.4.1. Inspection, contrôle et surveillance413
A.4.2. Maintenance415
A.5. Références416
B. Probabilités, statistiques et processus stochastiques
B.1. Introduction417
B.2. Description des incertitudes physiques et statistiques417
B.3. Axiomes de la théorie des probabilités
418
B.3.1. Probabilités418
B.3.2. Axiomatique418
B.3.3. Conséquences419
B.3.4. Probabilités conditionnelles420
B.3.5. Indépendance
421
B.4. Variables
aléatoires - Lois421
B.4.1.
Définitions421
B.4.2.
Échantillonnage421
B.4.3. Fonction
densité422
B.4.4. Extension aux vecteurs
aléatoires
423
B.5. Description des
variables aléatoires423
B.5.1. Moyenne -
Variance423
B.5.2. Coefficient de
corrélation
425
B.6. Quelques
variables aléatoires utiles425
B.6.1. Loi
normale425
B.6.2. Loi lognormale426
B.6.3. Loi de Rayleigh
427
B.6.4. Cas des variables discrètes
427
B.7. Tests d'hypothèses
427
B.8. Processus stochastiques
429
B.8.1. processus stationnaires Processus
ergodiques429
B.8.2. Moyenne -
Variance430
B.8.3. Covariance -
Corrélation
430
Index
433
Table des matières437