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Durabilité matériaux et ouvrages

Durabilité des matériaux, durée de vie et maintenance des ouvrages et bâtiments

Les ouvrages de Génie Civil sont soumis à de multiples sources d'agression : les sollicitations climatiques, les sollicitations engendrées par leur usage, les évènements accidentels et le vandalisme. Pour les matériaux de construction, on utilise le terme de durabilité qui qualifie l'aptitude à maintenir ses fonctions, par exemple de résistance aux agressions mécaniques et chimiques. Pour les ouvrages on parlera de durée de vie, qui est le temps durant lequel celui-ci remplit en toute sécurité les fonctions pour lesquelles il a été construit, compte tenu des conditions de service et des exigences économiques. La prédiction (ou l'évaluation) de la durée de vie, que ce soit en phase de conception des ouvrages neufs ou en phase de maintenance des ouvrages existants, répond à des enjeux économiques et réglementaires forts, tant pour l’exploitation que pour la programmation des actions de maintenance ou de renouvellement. La durée de vie est devenue à la fois une exigence et un souci : il convient de l’assurer par une conception et une mise en œuvre adéquates, d’évaluer son état mécanique (d’où le recours à l’évaluation non destructive), de restaurer ou de renforcer l’ouvrage afin de prolonger sa durée de vie. Les maîtres d’ouvrages ont donc le souci de connaître l’état du patrimoine existant afin de s’assurer de sa stabilité dans le temps. Faut-il laisser l’ouvrage en l’état, le réparer (maintenance) ou le détruire ? Les solutions de réparation soulèvent la question de la pérennité de cette réparation. La recherche de méthodes, efficaces et rentables, pour le diagnostic, l'auscultation et l'évaluation de la durée de vie d'un ouvrage constituent donc un enjeu important qui doit se situer dans une logique d’optimisation des ressources (matérielles et financières) en respect avec des contraintes de sécurité et de développement durable.

L’axe « Durabilité des matériaux, durée de vie et maintenance des ouvrages et bâtiments» est un axe multidisciplinaire du Génie Civil nécessitant des compétences variées. Ces compétences intègrent aussi bien la mécanique numérique et expérimentale des matériaux et structures, la physico-chimie des matériaux, la modélisation des sollicitations que les transferts couplés de fluides et d’ions. Il présente l’originalité de couvrir une large gamme d’échelles micrométriques à kilométriques liées à la diversité des dimensions des grains ou hydrates, des agglomérats de particules, des poutres et structures, les bâtiments, les structures linéaires et les ouvrages d’art et de ce fait il ne peut être traité que par des approches multi-échelles. Il est abordé au sein de la région des PdL par plusieurs équipes du GeM, de l’IFSTTAR et du CSTB d’une façon non coordonnée, même si plusieurs actions communes ont été déjà entreprises dans le passé par ces équipes pour répondre et participer à des appels à projets nationaux (ANR Blanc ECOBA, Fui MAREO et MAREVA, Carnot,…) et internationaux (TASSILI, Interreg IIIB, MEDACHS et DURATINET, RILEM, ARI, …).

Il fait partie aussi des axes forts du PGCE (Pôle Génie Civil Ecoconstruction) et est inscrit dans le contrat Plan état région. 2007 – 2012 (contrat Génie Civil environnemental et gestion durable de la ville).

Cet axe mérite donc une structuration au niveau régional, car il permettrait un enrichissement mutuel des équipes au regard des compétences complémentaires de chaque laboratoire ou institution et constituerait sûrement une force régionale au coté du PGCE. Le GIS renforcerait aussi sa lisibilité au niveau national (au coté des laboratoires tels que le LMDC à Toulouse, le LML à Lille, Université de Limoges, etc…) et international (LNEC de Lisbonne, Trinity College de Dublin, MIT et NIST (USA), Université de l’Illinois (USA), Université de Parme (Italie), de Delft (Pays-Bas), etc.) ainsi que son positionnement dans une stratégie de recherche nationale. La confrontation des savoirs faire des différents laboratoires a permis de dégager trois sous-axes majeurs de collaboration.

 

1 - Couplages physico-chimiques et mécanique de la durabilité

Par des approches pluridisciplinaires, les équipes de l’IFSTTAR évaluent les capacités d’adaptation à très long terme des structures de transport aux différentes évolutions du climat, du trafic et du vieillissement des couches des différents matériaux assurant la portance de ces structures. D’importants moyens d’essais en laboratoire et sur structures réelles sont utilisés pour évaluer en vrai grandeur diverses solutions matériaux et structures alternatives limitant les dégradations des chaussées (fissuration thermique ou mécanique, endommagement par fatigue, déformations permanentes, effet du retrait et fluage de certains matériaux, effet de l’eau et des cycles de gel/dégel sur les dégradations de couches de surface, …). Cette même démarche est appliquée aux parties métalliques des structures et ouvrages d’art (les câbles, les assemblages soudés, rivetés, boulonnés). Elle est mise en œuvre  à l’aide d’équipements spécifiques de l’IFSTTAR. Ces nombreux équipements permettent d’aborder les thèmes de la dynamique des structures, du comportement en fatigue et des mécanismes de corrosion assistée mécaniquement.

La soufflerie climatique Jules Verne du CSTB permet la reproduction à l'échelle 1 de n'importe quel cocktail de pluie, vent, gel, neige, température, humidité sur des composants de grande dimension. En particulier, les effets des cyclages de gel et dégel sur des matériaux de construction traditionnels comme la pierre et la terre cuite, mais aussi plus modernes comme les surfaces de verre, les céramiques, les plastiques sont reproduits de manière parfaitement contrôlée.

Du matériau à la structure, les équipes du GeM  conduisent des recherches sur la durabilité des ouvrages en béton notamment et sur les couplages multi-physiques entre les effets des sollicitations mécaniques et/ou environnementales. Elles développent une approche performantielle basée sur des essais pour une meilleure compréhension des effets de la perméabilité au gaz, de la teneur en eau ou de la diffusion sur le comportement au jeune âge et à long terme du béton et de ses produits industriels. Par ailleurs le GeM dispose d’élégants modèles numériques pour simuler aisément par éléments finis les propagations de fissure dans les structures.

La coopération IFSTTAR – GeM – CSTB permettrait d’enrichir et croiser les moyens expérimentaux et de renforcer les moyens de simulation numérique pour l’étude des effets, couplés aux sollicitations mécaniques, de la teneur en eau, du retrait du béton au jeune âge des conditions environnementales et des cycles de gel/dégel des différents matériaux sur le comportement des différents ouvrages et structures du génie civil.

 

2 - Détermination d’indicateurs de durabilité et de paramètres de suivi des dégradations et bases de données

Les actions environnementales soumettent les matériaux du génie civil à des sollicitations physiques, chimiques et mécaniques qui affectent leur durée de vie. En vue de mener à bien une évaluation des performances ces matériaux, il convient de déterminer les indicateurs de durabilité et les paramètres de suivi des dégradations aussi bien en laboratoire qu’in situ, par des méthodes destructives et non destructives. La compréhension des mécanismes de dégradation est particulièrement importante pour répondre aux enjeux environnementaux (cf. axe B. Ecoconstruction). En effet, elle permet de substituer à l’obligation de moyens sur la qualité et les proportions des constituants une obligation de résultats – approche performantielle – en termes d’indicateurs et de paramètres de suivi qui auront été identifiés comme déterminants du point de vue des mécanismes considérés. Ces indicateurs peuvent être utilisés directement pour établir des spécifications performantielles (en les comparant à des seuils), ou comme données d’entrée de modèles prédictifs de durée de vie. Ces modèles mathématiques peuvent à leur tour fournir des sorties qui pourront être comparées aux paramètres de suivi des dégradations pour validation puis extrapolation dans l’objectif d’établir un pronostic de durée de vie résiduelle. Enfin, il serait pertinent de les utiliser afin d’estimer la sensibilité des performances des matériaux et structures dans un environnement donné aux variations spatiales et temporelles.

La création d'une base de données régionale regroupant les résultats expérimentaux obtenus par les différents partenaires est envisagée. Cette base de données vise à : (i) déterminer des variables d'entrée fiables pour les modèles de dégradation (ii) caractériser l'aléa des propriétés des matériaux et (iii) établir des indicateurs du comportement, pour chaque matériau, en fonction de sa performance.

 

 3 - Fiabilité, tenue, maintenance et surveillance d’ouvrages et bâtiments

La conception et la gestion d’ouvrages, de bâtiments et de routes sont devenues des enjeux majeurs de nos sociétés auxquels le vieillissement et la durabilité des matériaux sont étroitement liés. Compte tenu des aléas de comportement et de mise en œuvre, les méthodes basées sur la fiabilité des structures sont de plus en plus développées. Elles doivent être associées à des objectifs préférentiels qui peuvent être formulés différemment en phase de conception et en phase de gestion. Dans un objectif d’allocation maîtrisée des ressources, il s’agit alors d’y associer des fonctions objectif intégrant coût, impact sociétal et environnemental, en assurant des niveaux cibles de sûreté et de fonctionnement pendant le cycle de vie des structures.

La modélisation probabiliste emploie des modèles analytiques ou numériques du phénomène étudié et des variables d’entrée modélisées sous forme probabiliste. Le GeM a une grande expérience dans ce domaine mais une collaboration avec des autres acteurs régionaux s’avère essentielle afin de proposer des modélisations plus conformes aux problèmes de dégradation observés réellement et des actions d’inspection et de réparation à envisager. La collaboration avec les équipes impliquées dans le volet 1 « couplages et mécanique de la durabilité » (IEG et MOE du GeM, IFSTTAR et CSTB) donnera des éléments importants pour améliorer le choix et la mise en œuvre des modèles de durabilité plus pertinents. L’interaction avec les équipes qui participent dans le volet 2 « détermination d'indicateurs de durabilité et base de donnés » (IEG et MOE du GeM, IFSTTAR et CSTB) apportera des données expérimentales qui serviront à identifier des variables aléatoires et des processus stochastiques qui seront introduits dans les modèles probabilistes. Cette identification peut être enrichie par les résultats des évaluations non destructives (IFSTTAR, GeM) qui joueront aussi un rôle fondamental dans l’évaluation de l’état résiduel de l’ouvrage et dans la détermination de l’état mécanique de la structure ou de ses propriétés d’usage. Le développement des méthodes automatisées de surveillance et du déclenchement d’alertes mené au sein du CSTB et de l’IFSTTAR (système de surveillance acoustique des câbles) pourra également être intégré dans la gestion des ouvrages, des bâtiments et des routes vieillissants. On envisage une étroite collaboration avec l’axe A (risques) afin d’intégrer les actions climatiques avec nos modèles probabilistes de dégradation. Enfin le GeM peut contribuer à la mise au point des protocoles expérimentaux, développés pour les autres équipes, sur la base de la fiabilité. Cette mise au point cherche à identifier les facteurs que peuvent influencer le plus les erreurs de mesure afin d’améliorer l’efficacité de ces protocoles. L’objectif de cet axe n’est pas le développement de techniques de contrôles ni d’optimisation qui se situent dans le projet d’émergence collective ECND-PdL. Afin de garantir le bon fonctionnement dans le temps, le projet nommera un correspondant auprès d’ECND-PdL.