Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
PERFORMANCE DES STRUCTURES
CONCEPTS DE BASE DE LA SÉCURITÉ STRUCTURALE
1
03/03/2021
André Orcesi
• Comment appréhender les notions suivantes?
– Le risque
– Les aléas
– La vulnérabilité
Problématique
Problématique
En fonction de la vie de l’ouvrage
• Conception
• Construction
• Service
• Réhabilitation,…
En fonction des acteurs
• Maître d’ouvrage
• Constructeurs
• Exploitants
• Usagers…
3
4
• Plusieurs définitions
– Mesure conjointe de l'occurrence de l'aléa et des conséquences
induites par sa réalisation
– Mesure conjointe d’une menace T et de la vulnérabilité à cette
dernière V
• Le risque est souvent confondu avec la probabilité d’occurrence du
danger
Définitions du risque
( )R D P E
5
• Risque observé
– extrapolation d ’occurrences d ’événements observés
• Risque calculé
– risque réglementaire
• Risque perçu
– perception du public
Evaluation du risque
6
Risque et probabilités
Zone de certitude
Zone
d’incertitude
Délimitation du
domaine de
connaissance
Domaine
d’ignorance
7
• Il y a toujours des incertitudes à prendre en compte dans le
dimensionnement et la gestion d’une structure
– e.g. les niveaux de chargement, les propriétés des matériaux, les
caractéristiques des sols
– Il y a aussi diverses hypothèses sur les méthodes d’analyses,
(petits déplacements, les sections planes restent planes…
• Il y a :
– les incertitudes aléatoires, dues au phénomène lui-même
– et les incertitudes dues au manque de connaissance (on peut
réduire cette sources d’incertitude).
Les probabilités en génie civil
8
• L’analyse de fiabilité donne des réponses dans un
formalisme probabiliste, par exemple:
– La probabilité de défaillance P(X≤ x)
– Quelle sera la hauteur maximale de vague dans les 50
prochaines années?
– Il y a 10% de chance que la hauteur maximale des
vagues excède 4 m dans les 50 prochaines années
Les probabilités en génie civil
9
• A ne pas confondre avec le risque
• Aléa = Menace
• Risque = probabilité d ’occurrence de la menace et conséquence induites
• Vulnérabilité = Sensibilité d’un ouvrage à l’aléa étudié
Aléas
Incendie du pont Mathilde à Rouen (2012)
10
Conséquences de la défaillance
• Humaines
• Environnementales
• Retards
• Economiques
11
Quelques
casOuvrage Pays Année Type de défaillance
Siver bridge USA 1967 Fissure non détectée lors de la construction. 46 morts
Milford Haven Grande-Bretagne 1972 Flambement d'un diaphragme de caisson lors de la construction
Yarra Australie 1972 Flambement d'un diaphragme de caisson lors de la construction. 35 morts
Coblence Allemagne Fédérale 1974 Flambement d'un diaphragme de caisson lors de la construction
Kempton Allemagne Fédérale 1974 Défaillance de palées provisoires lors du coulage du béton. 9 morts
Almo Suède 1980 Choc de bateau sur une pile ayant conduit à l'effondrement de l'arc
Ynys-y-Gwas bridge Grande-Bretagne 1985 Corrosion des câbles de précontrainte transversaux et longitudinaux conduisant l'effondrement
de l'ouvrage sans alerte
Schoharie Creek USA 1987 Affouillement de fondation. 10 morts
Aschaffenburg Allemagne Fédérale 1988 Effondrement de l'avant-bec en arrivant au niveau d'une pile
Ness Grande-Bretagne 1989 Affouillement de fondation.
Changson Corée 1992 Défaillance d'une pile ayant conduit à l'effondrement de l'ouvrage lors de l'inauguration. 1
mort, 7 blessés
Haeng Ju Corée 1994 Défaillance d'une palée provisoire lors de la construction suite à une quantité de béton
insuffisante dans les fondations
Songsu Corée 1994 Défaillance d'éléments d'un treillis par fatigue. 32 morts
Palau Micronésie 1996 Défaillance suite à un renforcement excessif par précontrainte.
Jakarta Indonésie 1996 Défaillance suite au retrait prématuré de palées provisoires. 3 morts
Injaka Afrique du Sud 1998 Défaillance d'un pont caisson en béton précontraint lors du lancement suite à une résistance
en traction insuffisante. 14 morts
Seo-Hae Corée 1999 Défaillance partielle durant la construction suite à la rupture de l'avant -bec
Passerelle Yarkon Israel 2000 Défaillance d'un portique en aluminium. 2 morts
Concorde USA 2000 Corrosion des câbles de précontrainte due à mauvaise injection
Ponto de Ferro Portugal 2001 Affouillement de fondation d'un pont en maçonnerie augmentée par des extractions de sable
et des chocs de bateaux. 70 morts
Webbers Falls bridge USA 2002 Choc d’une barge sur une pile du pont. 3 morts
12
• Taux d’accidents mortels (TAM)
TAM = taux de décès pour un individu par heure d’exposition
• Exemples de TAM pour diverses activités (Melchers 1999)
Mesure du risque
13
• Risque personnellement et socialement acceptable
– Personnellement: plus petit niveau acceptable
– Socialement: agrégation de toutes les appréciations
personnelles
• Distinction possible suivant que le risque est volontaire
ou involontaire
Risques acceptables
14
• Distinction pour les activités volontaires/involontaires (Vrijling 1992)
Risques acceptables
Alpinisme
Tabac
Transport aérien
Transport automobile
Transport
ferroviaire
Chantiers
Usines
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
ACTIVITES
VOLONTAIRES
ACTIVITES NON
VOLONTAIRES
4
,
,
10f a
df aP
P
facteur politique
, probabilité de décès dans l’activité df a aP
15
Expressions pour estimer les
probabilités de défaillance acceptable
0 5 1 1 210f LAW t n P (Allen 1981)
0 4 110f Lt n P (CIRIA 1977) durée d'utilisation de la structureLt
nombre moyen d'individus
dans ou à proximité de la structure
durant l'utilisation
n
16
• Expressions à prendre avec prudence
• La démarche classique consiste à calculer des
probabilités de défaillance à partir des règlements
existants
• Les règlements actuels fournissent des valeurs souvent
comprises entre 10-3 et 10-6
Expressions pour estimer les
probabilités de défaillance acceptable
17
Risques acceptables
Région non tolérable
Région tolérable
Région
acceptable
Le risque est
inacceptable dans
les circonstances
existantes
Si le risque
peut être atténué, il
est acceptable.
Une
analyse de rentabilité
est requise.
Le risque est
acceptable
tel qu’il est
ALARP
Leplus faible que l’on puisse raisonnablement atteindre
18
Diagramme F-N
• Fatalities/Numbers of accidents
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
1.00E-02
1.00E-01
1 10 100 1000 10000
Nombre de décès
Nom
bre d
'accid
en
t/an
née
Risque négligeable
Risque intolérable
Zone ALARP
19
• Optimisation économique
Risque acceptable
Coût
Coût global
du risque
(a posteriori)
Coût global
Probabilité de
défaillance
Investissement
(a priori)
Coût
minimum
210410610810
Risque accepté
(relativement à un optimum
économique)
20
• Identification et quantification, en termes de probabilité d’occurrence
et de gravité des conséquences, de l’ensemble des évènements et
phénomènes pouvant conduire à une perte de performance
(défaillance)
• Les analyses des risques visent à répondre aux questions
suivantes :
– Quelle est la fonction d’un ouvrage ?
– Qu’est ce qui peut altérer cette fonction ?
– Comment éviter de perdre cette fonction ou être prévenu à
l’avance d’un risque de perdre cette fonction ?
L’analyse de risques
20
21
• Industrie :
– Production à grande échelle: retour
d’expérience, statistiques, MTBF*
– Retour d’information rapide
• Génie Civil:
– Structures souvent uniques, peu de
retour statistique
– Environnement particulier
L’analyse de risques
*MTBF mean time between failure; temps de fonctionnement moyen entre
deux pannes
21
22
Aléas fréquents chez les ouvrages d’art
Trafic : surcharges, fréquence
Effets des agressions par sels de
déverglaçage, gel, dégel, …
Chocs
Crues Chocs
Incendies
surc
har
ge
exce
pti
on
nel
le
Corrosion résultant
d'agents extérieurs
Mau
vai
se
con
cep
tio
n,
réal
isat
ion
,
dim
ensi
on
-nem
ent.
Mat
éria
ux
d
éfec
tueu
x
(rés
ista
nce
,
fiss
ura
tio
n,
flu
age,
go
nfl
emen
t ..
.)
Affouillement
Corrosion résultant d'agents
extérieurs (CO2, Cl-, sels):
pluie, sels, milieu urbain, mer)
Tassements, vides karstiques, ...
Séisme
Foudre, vent, effets
thermiques,…
23
1 Le risque est tolérable: aucune action corrective nécessaire.
2 Le risque est tolérable: des actions correctives peuvent être menées si elles sont de
coûts modérés et si elles ne se font pas au détriment d'autres mesures.
3 Le risque est à la limite du tolérable: des actions correctives doivent être
recherchées.
4 Le risque est intolérable: plusieurs solutions correctives doivent être identifiées.
Analyse de risques
Matrice des risques
Catastrophe Critique Significatif Mineur
Probable 4 4 4 2
Eventuel 4 4 3 2
Possible 4 3 2 1
Improbable 3 2 1 1
24
Diagramme de Farmer
Probabilité
Gravité
Domaine
de risque
inacceptable
Domaine
de risque
acceptable
1p
1
2p
3p
0
1g 3g2g
Min
eure
Cri
tiq
ue
Sig
nif
icat
ive
Cat
astr
op
hiq
ue
Améliorer sous
réserve d’une
étude de coût
25
Vulnérabilité aux aléas chez les ouvrages
d’art
26
Qualification de la performance
27
• Capacité à remplir les exigences (Directive Européenne 89/106 relative aux
produits de construction, EN 1990)
– Sécurité structurale (intégrité)
– Aptitude à l’emploi ou au service
– Fatigue
– Durabilité
• La performance est à considérer en lien avec les aléas auxquels la
structure est soumise
Performance d’une structure
28
• Exigences de performance
– recouvrent des états de fonctionnement de l’ouvrage
• acceptables ou à éviter
• séparation entre ces deux domaines décrite par des états dites
limites
• dépassement de ces états limites = non respect des exigences de
performance
• Critères d'états limites ou mesures de performance
– visent à prémunir la construction des états de dysfonctionnement au
travers de marges de sécurité
– approches possibles : coefficients de sécurité, coefficients partiels de
sécurité, probabilités de défaillance acceptables
– actions de maintenance : s'assurer que les états de fonctionnement
possibles n'atteignent pas les états de fonctionnement non désirés
Etats limites/Mesures de performance
29
• EN1990 Durée de projet ou de service (design working life ou design
service life selon FIB34)
– période pour laquelle une structure est destinée à être utilisée avec une
maintenance appropriée et planifiée, sans faire l’objet de réparations
importantes.
– tous les éléments n’auront pas nécessairement la même durée de
service
• les chapes d’étanchéité, les joints de chaussée, les appareils
d’appuis sont généralement remplacés de manière régulière
• Imposer pour un pont une durée de service de 100 ans signifie que
cette durée d’usage ne s’applique pas à ces éléments mais au
système porteur (tablier, piles, fondations)
• Durée de vie réelle
– Période au bout de laquelle la structure est reconnue structurellement
ou fonctionnellement obsolète.
Durée de service
30
Exemples de durée de vie en service
(Eurocode 1990)
Classe de conséquences
DescriptionExemples de bâtiments et de
travaux de génie civil
1 10 Structures provisoires
2 10 à 25Bâtiments agricoles normalement inoccupés (par exemple, bâtiments de stockage), Serres
3 10 à 30 Structures agricoles et similaires
4 50Structures de bâtiments et autres structures courantes
5 100Structures monumentales de bâtiments, ponts, et autres ouvrages de génie civil
31
• Résistance à toutes les actions pendant la construction
et l’utilisation prévue en situation normale
– équilibre statique aux sollicitations de situation
normale
– absence de dommages irréversibles ou cumulatifs
– comportement satisfaisant à des sollicitations non
prévues
• conservation de la forme générale et de la stabilité
• déformations importantes, dommages irréversibles
acceptables si sécurité des usagers non mise en
question
Sécurité structurale
32
• Recouvre des exigences nécessaires à l’exploitation de l’ouvrage.
• Non respect
– rarement une remise en cause de la sécurité des usagers,
– peut engendrer des coûts directs ou indirects liés à l’exploitation
de l’ouvrage.
• déformabilité de l’ouvrage vis-à-vis d’actions permanentes
(fluage…) et d’actions variables (flèches…),
• effets dynamiques (résonance et confort…), esthétisme…
– peut conduire à deux situations
• le comportement de la structure est réversible
• le comportement est non réversible
Aptitude au service
33
• Trois approches possibles (EN1990)
– aucune entorse à l’exigence n’ est acceptée
– des durées et de fréquences de non respect sont acceptées
(cela ne concerne que les situations réversibles)
– des non respects de longue durée sont acceptées pour les
situations réversibles
Aptitude au service
34
• Ruptures par fatigue pouvant survenir à des niveaux de chargement significativement
plus faibles que les niveaux pour lesquels la rupture serait normalement prévue
• Traitée différemment de la sécurité structurale pour plusieurs raisons :
– le chargement en fatigue est différent des autres chargements puisqu’il est
dépendant de l’amplitude et des étendues des actions appliquées sous conditions
de service et fonction du temps (au travers des cycles exercés)
– les effets liés à la fatigue constituent une dégradation locale du matériau qui peut
être bénigne si les fissures conduisent à un relâchement des contraintes
résiduelles (et peuvent donc s’arrêter de progresser), ou destructive si les fissures
mènent à des conditions de contraintes plus sévères, accélérant la fissuration
– si le matériau présente une ténacité suffisante, la propagation d’une fissure peut
être détectée par des inspections régulières avant la rupture de la pièce
Fatigue
35
• Exigence difficile à définir et plusieurs sens lui sont donnés
• EN1990 :
– la durabilité représente l’aptitude d'une entité (structure ou
élément) à demeurer en état d'accomplir ses performances de
sécurité structurale et d’aptitude au service dans des conditions
données d'utilisation et de maintenance sur la durée de service
définie
– n’est pas la garantie d’une durée de vie infinie à la structure,
mais un objectif de qualité orientant aussi bien la conception de
l’ouvrage que celle du matériau
Durabilité
36
• Ambiguité
– durabilité du matériau
• se vérifie à partir de sa capacité de conserver ses
caractéristiques et son intégrité pendant la durée de service
(ou d’usage) prévue pour la structure
– durabilité de la structure
• dépend bien évidemment de celle du matériau, mais ne se
résume pas exclusivement à la qualité du matériau employé
• consiste dans l’accomplissement de ses performances de
sécurité structurale et d’aptitude au service dans des
conditions prévues d’utilisation et de maintenance
Durabilité
37
• Pertes de fonctions initiales
– Vieillissement de la structure
– Erreurs ou actions humaines inopportunes
– Causes extérieures (prévues ou imprévues)
• Changement de fonction
– Changement d’exploitation
– Changement de réglementation
• Extension de la durée d’utilisation
Evolution de la performance
38
Illustration pour le matériau béton
Plusieurs sources de défaillances
Corrosion des armatures
due à la carbonatation
Corrosion des armatures
due à la pénétration des chlorures
Alcali-réaction
Réaction Sulfatique Interne
Gel interne
Ecaillage
39
Perte de durabilité
(matériau)
Fissuration
Perte de capacité portante
Niveaux de performance
TempsDéb
ut
de
la d
égra
da
tion
Pénétration des agents agressifs
Ecla
tem
ent
du
bét
on
Corrosion active
Seuil admissible de performance
Ou
ver
ture
ex
cess
ive
des
fiss
ure
s
Dis
solu
tio
nn
ota
ble
Dégradation sur le cycle de vie
40
Evaluation de la capacité portante (projet BRIME)
Niveau
d’éva-
luation
Résistance
Modèle de charge
Modèle de Calcul
des sollicitations Type d’analyse
0 Pas d’évaluation formelle
(Etat de la structure non inquiétant)
1 Modèles utilisés à la
conception
Propriétés des matériaux
issus du dossier ou des
normes
Simple Analyse Semi-
probabiliste
Coefficients
partiels de sécurité
à l’ELU
(et ELS si
nécessaire)
2 Raffiné
3 Modèles basés sur
l’auscultation, les essais et
observations sur site, etc.
Propriétés des matériaux
basés sur des essais
Raffiné
4 Adaptation des
Coef. Partiels ELU
5 Distribution probabiliste de
toutes les variables
Raffiné Analyse complète
de fiabilité
41
Le point de vue réglementaire
• Eurocode 1
• ISO 13822
• NKB
• JCSS
• AASHTO
• CSA-S6
• BD 79
Probabilités
de défaillance
acceptables
Coefficients
partiels
de sécurité
42
Eurocode 1
Conséquence de la défaillance
Fréquence d’utilisation Faible Moyenne Importante
Faible CC1 CC2 CC3
Moyenne CC2 CC2 CC3
Forte - CC3 CC3
Indices de fiabilité minimaux
ELU Fatigue ELS
1 an 50 ans 1 an 50 ans 1 an 20 ans
CC3 5,2 4,3 - - - -
CC2 4,7 3,8 - 1,5-3,8 2,9 1,5
CC1 4,2 3,3 - - - -
Eurocode pour
les structures
existantes en
préparation
43
ISO13822
Etats limites Indice cible
Service
réversible 0,0
irréversible 1,5
Fatigue
inspectable 2,3
non inspectable 3,1
Ultime
conséquences mineures 2,3
conséquences significatives 3,1
conséquences critiques 3,8
conséquences catastrophique 4,3
44
NKB
Conséquence de la défaillance(classe de sécurité)
Défaillance :
Ductile avec réserve de capacité portante
Défaillance :
Ductile sans réserve de capacité portante
Défaillance :
Fragile
Peu grave (bas niveau de sécurité)
Sérieux (niveau normal de sécurité)
Très sérieux (niveau de sécurité élevé)
310fP
410fP
510fP 410fP
510fP
610fP 510fP
610fP 710fP
45
JCSS
Coût des mesures de sécurité
Conséquence de la défaillance
(classe de sécurité)
Important Normal Faible
Mineure 3,1 3,7 4,2
Modérée 3,3 4,2 4,4
Grande 3,7 4,4 4,7
46
CSA S6 00
Trafic normal & autorisé PA, PB, PS Trafic PC
Comportement Inspection Comportement Inspection
Système Elément I1 I2 I3 Système Elément I1 I2 I3
S1 E1 4,00 3,75 3,75 S1 E1 3,50 3,25 3,25
E2 3,75 3,50 3,50 E2 3,25 3,00 2,75
E3 3,50 3,25 3,00 E3 3,00 2,75 2,50
S2 E1 3,75 3,50 3,50 S2 E1 3,25 3,00 2,75
E2 3,50 3,25 3,00 E2 3,00 2,75 2,50
E3 3,25 3,00 2,75 E3 2,75 2,50 2,25
S3 E1 3,50 3,25 3,00 S3 E1 3,00 2,75 2,50
E2 3,25 3,00 2,75 E2 2,75 2,50 2,25
E3 3,00 2,75 2,50 E3 2,50 2,25 2,00
47
CSA S6 00
• Pour l’évaluation des éléments structuraux d’ouvrages existants, le comportement des éléments
structuraux est divisé en trois catégories :
– E1 : Défaillance sans alarme
– E2 : Défaillance sans alarme mais avec capacité portante résiduelle
– E3 : Défaillance graduée avec alarme
• Le comportement en système de l’ouvrage est également divisé en trois catégories :
– S1 : la défaillance de l’élément entraîne celle de la structure
– S2 : la défaillance de l’élément entraîne celle de la structure qu’avec une probabilité faible
– S3 : la défaillance de l’élément n’entraîne qu’une défaillance locale
• Enfin, le niveau d’inspection est réparti en trois classes :
– I1 : l’élément ne peut être inspecté, mais la visite des éléments voisins peut apporter des
indications sur sa performance sous conditions de services
– I2 : l’élément est inspecté régulièrement, avec archivage des résultats (inspection de routine)
– I3 : l’élément est inspecté en détail par un évaluateur confirmé (inspection détaillée).
48
BD 79Classe Scénarii
Critique> 10 morts
– effondrement total d’un pont autoroutier à lourd trafic
– effondrement d’un pont sur route secondaire à 4 voies au-dessus d’une voie ferroviaire à grande circulation
– ponts en milieu urbain
1
Significatif
< 10 morts
– effondrement d’un pont autoroutier de moins de 10 m de portée
– effondrement d’un pont sur route secondaire de moins de 4 voies
– Défaillance partielle d’un ouvrage de la catégorie critique
1/3
Mineur
Aucun mort
– Défaillance local 1/10
0 / eC C
0 0ef f
e
CP P
C
Ouvrage neuf 00 0fR P C
0e
e f eR R P C Ouvrage existant