Proposition d un outil d optimisation technico-économique de la gestion patrimoniale des ouvrages de la RATP

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1 Proposition d un outil d optimisation technico-économique de la gestion patrimoniale des ouvrages de la RATP Angel PATERNA HIDALGO 1, Marc VUILLET 2, Carlos DUARTE BARRIO 3, Damien SERRE 4, Youssef DIAB 5 1 Doctorant chercheur EIVP, 80 rue de Rébeval, Paris (angel.ph@eivp-paris.fr) RATP, 50 rue Roger Salengro, Fontenay Sous Bois (angel.paterna-hidalgo@rapt.fr) 2 Codirecteur de thèse EIVP, 80 rue de Rébeval, Paris (marc.vuillet@eivp-paris.fr) 3 Codirecteur de thèse RATP, 50 rue Roger Salengro, Fontenay Sous Bois (carlos.duarte-barrio@ratp.fr) 4 Codirecteur de thèse EIVP, 80 rue de Rébeval, Paris (damien.serre@eivp-paris.fr) 5 Directeur de thèse Université de Marne la Vallée, LGUEH Bât. Lavoisier. 5 Bd Descartes, Champs sur Marne, Marne la Vallée Cedex 2 (ydiab@univ-mlv.fr) RÉSUMÉ. Le patrimoine d infrastructures de la RATP, très hétérogène en termes techniques et d âge de construction, doit garantir l exploitation d un réseau de transport public ferroviaire en toute sécurité. L évaluation de l état de santé des ouvrages repose aujourd hui sur l expertise, après inspection visuelle de leurs signes de dégradation. Dans un contexte général de vieillissement des infrastructures, il est nécessaire pour le gestionnaire de disposer d outils permettant d anticiper l évolution de leur performance dans le temps et d optimiser sa stratégie de maintenance. En première étape des recherches inhérentes à la création d un tel outil, nous présentons ici l adaptation de méthodes issues de la Sûreté de Fonctionnement, pour la modélisation des mécanismes de vieillissement des ouvrages, ainsi que l identification de critères de priorité pour l intervention du gestionnaire. ABSTRACT. The RATP s infrastructure asset, very heterogeneous in techniques and ages of constructions, must assure the exploitation of a public railway transport in complete safety. The evaluation of the structural integrity is based on the expert assessments and visual inspections of the signs of degradation. In this frame of aging infrastructures, managers need tools in order to anticipate the performance evolution and to optimise their maintenance

2 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai strategy. In the first stage of the research of such tool, we present the adaptation of operational safety method to model the deterioration process of the structures, as well as the identification of criteria for the prioritisation of rehabilitation projects. MOTS-CLÉS : génie civil, gestion patrimoniale, aide à la décision, optimisation de la maintenance. KEY WORDS: civil engineering, asset management, decision support, maintenance optimisation. 1. Introduction L'objectif premier de la gestion du parc d ouvrages de la RATP est de garantir la sécurité des voyageurs et des tiers sur l ensemble du réseau. Jusqu aux années 1960 l entretien se basait sur des opérations ponctuelles correctives en réponse à des signalements émis par les différents services d exploitation et de maintenance. A partir de là, et suite à l effondrement du Tunnel SNCF de Vierzy (108 morts et 111 blessés), une nouvelle règlementation de la surveillance et un programme pluriannuel de régénération des maçonneries sont mis en place. Cette politique, qui est dans ses grandes lignes la base de l actuelle, a évolué jusqu à nos jours. Le contexte économique actuel et les exigences de service et développement du réseau de transports induisent un besoin d optimiser la stratégie de maintenance. Il s agit donc d assurer la pérennité et d obtenir le meilleur état structurel et de performance du patrimoine à partir de budgets, par nature, limités, avec des contraintes économiques et techniques de plus en plus exigeantes. Pour cela, la stratégie de maintenance doit être conçue en fonction de la typologie du parc à gérer. Selon les caractéristiques du patrimoine RATP, la stratégie de maintenance doit être considérée à l échelle de «parc d ouvrages». En effet, il est composé de près de ouvrages présentant une grande variété, de conception, de nature des matériaux, d environnement, etc. Même s il est possible de discerner quelques familles par type d ouvrage (tunnels en maçonnerie, viaducs métalliques, traversés sous-fluviales ), certains d entre eux font l objet d une gestion particulière compte tenu de leur forte valeur patrimoniale ou de l agressivité de leur environnement. Cette diversité pose des problèmes de gestion globale et l optimisation de la maintenance de l ensemble du parc d ouvrages n est pas nécessairement la somme de l optimisation de toutes ses parties. De plus, environ 50% du patrimoine a été construit avant les années 1920 avec quelques ouvrages antérieurs à Ces structures, qui exigent des interventions correctives, et liées à une surveillance particulière, doivent être gérées en parallèle avec des ouvrages construits plus récemment et moins vieillissants, et pour lesquels une politique préventive peut être plus intéressante. A cause de la limitation des budgets, et de la difficulté de justifier l intérêt de la maintenance préventive, il existe une tendance à prioriser les interventions correctives. Mais l application sans discernement des stratégies correctives sur un patrimoine vieillissant peut provoquer la convergence de son état structurel vers une situation «d urgence continue» où

3 Proposition d un outil d optimisation technico-économique de la gestion patrimonial des ouvrages RATP 3 l accumulation d ouvrages à traiter simultanément ne pourrait pas être entreprise pour des raisons de fonctionnement de l ensemble du réseau, de capacité de mise en œuvre et de suivi des travaux par la maîtrise d oeuvre, ou pour de simples raisons budgétaires. Dans ce contexte, nous cherchons à définir des outils d aide à la décision qui permettent aux gestionnaires de la RATP de justifier leurs décisions et d'obtenir une stratégie de maintenance, avec une vision sur le long terme, qui maximise les bénéfices associés aux interventions de maintenance à partir de coûts les plus rationnels possible. Cet article présente en première partie la méthodologie que nous proposons pour optimiser la gestion patrimoniale des ouvrages RATP. En deuxième partie, nous illustrons cette méthodologie sur le cas des tunnels en maçonnerie. Finalement, l article se conclut par une réflexion sur les possibilités et limitations rencontrées pour cet outil. 2. Ressources disponibles, objectifs et méthodes 2.1. Ressources Actuellement la gestion est abordée sous deux point de vue : un point de vue «risque», avec le schéma directeur de la maintenance, de vision à 10 et basé sur le retour d expérience des experts ; et un point de vue «technique» avec un système de notation de l état de santé où, à partir des visites et inspections périodiques des ouvrages, on établit une note pour chaque désordre repéré, ainsi qu une note de santé générale pour l ouvrage dans sa globalité. Ces informations sont intégrées depuis 2003 dans une base de données informatisée permettant d apprécier l évolution de l état du patrimoine, de définir le choix de la planification des visites et d orienter la programmation du gros entretien. Les propositions de travaux se font ensuite sur la base des échanges avec les agents qui ont mené les inspections, les gestionnaires qui assurent la maîtrise d ouvrage des infrastructures et le département de l ingénierie qui assure la maitrise d œuvre. Finalement, ces actions sont intégrées par les gestionnaires dans un programme annuel qui dépend du schéma directeur de la maintenance, des différentes contraintes techniques et économiques et des opportunités de projets connexes Objectifs A long terme, nous envisageons la construction d un modèle d aide à la décision permettant d optimiser la stratégie de maintenance du patrimoine d infrastructures de la RATP. Pour obtenir la planification d opérations qui permet d aboutir au meilleur bénéfice technico-économique à partir des moyens financiers disponibles, nous proposons premièrement d identifier les performances des ouvrages que doit entretenir la maintenance ; ensuite, déterminer quelles sont les interventions les plus adéquates à chaque cas ; et finalement, en s appuyant sur les résultats obtenus, hiérarchiser ces interventions dans le schéma directeur de la maintenance grâce à un

4 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai outil multicritère qui tienne compte de critères de différentes natures ainsi que du budget disponible dans le procès de décision Méthodologie Pour ce faire, nous présentons dans la suite du texte notre méthodologie proposée Application des outils de la Sûreté de Fonctionnement Toute structure de génie civil est conçue pour remplir une ou plusieurs fonctions. Mais ces fonctions ne sont pas constantes dans le temps : soit par modification volontaire des gestionnaires (changement voulu des fonctions ou extension de la durée de vie), soit involontairement à cause d actions externes ou du vieillissement intrinsèque de la structure. La maintenance doit s assurer que les ouvrages remplissent leurs fonctions avec un niveau suffisant de fiabilité, de service, de disponibilité, et de durabilité pendant toute la durée de service imposée et pour des coûts les plus réduits possible. Pour identifier ces fonctions et les mécanismes susceptibles de les dégrader, nous proposons l élaboration d un modèle fonctionnel des mécanismes de dégradation des ouvrages. Un ouvrage (ou ensemble d ouvrages) de génie civil peut être vu comme un système complexe généralement constitué de plusieurs éléments qu il est possible de classer suivant leur importance structurale et fonctionnelle [CRE 03]. Pour ce faire, nous avons appliqué les méthodes de la Sûreté de Fonctionnement, qui ont été conçues pour étudier des systèmes complexes pour lesquels il est très difficile, voire impossible, de produire un modèle de fonctionnement par des approches physiques classiques [VIL 88]. Ces méthodes ont été déjà employées avec succès en génie civil (barrages [PEY 03] et digues [SER 05]) et apparaissent alors bien adaptées pour la modélisation des ouvrages qui composent le patrimoine RATP. Dans la stratégie actuelle, la majorité des travaux de maintenance sont réalisés sur les composants sur lesquels on a relevé des signes de dégradation. Pour pouvoir extrapoler à l échelle de l ouvrage les bénéfices obtenus par les interventions faites au niveau des composants de la structure, le modèle fonctionnel que nous proposons part d un Analyse Structurelle (AS) qui identifie les composants constitutifs de l ouvrage. Les interactions qui ont lieu entre eux et le milieu extérieur sont ainsi étudiées par l utilisation de Blocs diagrammes Fonctionnels (BdF). A partir de ces résultats nous avons employé l Analyse Fonctionnelle (AF) pour identifier les fonctions accomplies par le système et ses composants. Puis, pour chaque fonction, grâce à l Analyse des Modes de Défaillance et de leurs Effets (AMDE) nous avons identifié les modes de défaillance susceptibles d apparaître en phase d exploitation. Les résultats obtenus sont représentés sous forme de schémas séquentiels qui enchaînent des séquences successives de défaillances représentant les mécanismes physiques conduisant aux défaillances des fonctions. Exploitant ces résultats, l étape suivante de notre recherche sera l élaboration d un modèle de prédiction de l évolution des ouvrages.

5 Proposition d un outil d optimisation technico-économique de la gestion patrimonial des ouvrages RATP Prédiction de l évolution des ouvrages Il est impossible d optimiser une stratégie de maintenance si nous ne sommes pas en mesure de prévoir l évolution en termes techniques et économiques des ouvrages dans l avenir en fonction de telle ou telle politique de maintenance. Or, le manque de données disponibles, surtout concernant les ouvrages les plus anciens, rend très difficile l établissement de pronostics sur le comportement futur d un ouvrage. Dans cette situation, différentes approches sont possibles. Pour effectuer une prévision de l évolution, [CRE 03] suggère la réalisation d une approche de type globale basée sur une extrapolation de courbes d évolution du suivi des ouvrages existants de même conception et ayant connu des mécanismes de dégradation analogues Type de maintenance Les différents types de maintenance peuvent se grouper dans deux grandes stratégies : la préventive et la corrective. Une fois que les fonctions des ouvrages que doit entretenir la maintenance ont été identifiées, ainsi que leur évolution dans le temps, nous aurons la base pour déterminer quel est le type de maintenance qui, appliqué au présent, pourra être source de bénéfice technico-financier à long terme. Dans ce but, nous analyserons l intérêt de recourir à l une ou l autre de ces stratégies en fonction du coût d investissement, le type de structure, les enjeux, la politique d exploitation et de suivi, etc. Nous renvoyons le lecteur à la référence [ZWI 96] pour de plus amples renseignements sur les différents types de maintenance et les bénéfices associés à chacun d eux Hiérarchisation des priorités A cause des contraintes financières et de celles imposées par les exigences de l exploitation, la capacité de mise en œuvre des interventions de maintenance est limitée. Dans ce contexte, une hiérarchisation des priorités s avère nécessaire pour définir un calendrier d interventions performant qui évite des dépenses et des réparations futures plus lourdes consécutives à une politique non optimale des actions réalisées. 3. Présentation de la méthode appliquée 3.1. Application des outils de la Sûreté de Fonctionnement Nous cherchons à modéliser les fonctions et mécanismes de vieillissement des ouvrages qui composent le patrimoine RATP de façon à obtenir les informations nécessaires pour optimiser sa gestion. Pour atteindre cet objectif, nous avons appliqué, dans un premier temps, les outils de la Sûreté de Fonctionnement aux tunnels en maçonnerie. Ultérieurement cette même méthode sera développée pour le reste des ouvrages afin de couvrir l ensemble du parc de la RATP. La suite du texte développe les étapes sur lesquelles nous nous sommes basés pour obtenir le modèle fonctionnel des tunnels en maçonnerie.

6 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai Analyse Fonctionnelle appliquée aux tunnels en maçonnerie L Analyse Fonctionnelle permet la compréhension et la description synthétique du fonctionnement du système étudié : elle définit ses limites, son environnement, sa constitution et elle recherche les fonctions qu il remplit [ZWI 96]. Le système est un ensemble déterminé d éléments discrets (ou composants) interconnectés ou en interaction [VIL 1988]. Nous pourrions considérer comme système d étude le parc d ouvrages dans sa globalité, mais, vu que les inspections et les interventions de maintenance sont généralement faites au niveau des composants des ouvrages, nous devons adapter notre analyse fonctionnelle à ce niveau-la. Nous portons donc les limites de notre système à l échelle de l ouvrage avec une granularité spatiale au niveau du composant. Nous procédons à l analyse structurelle des tunnels en maçonnerie tels qu ils se trouvent en situation réelle. Elle permet de lister tous les composants constitutifs de l ouvrage, de repérer leur position physique et de déterminer les interactions avec les autres composants [SER 05] (Figure 1). 2 Clé de voûte 1 Coffrage perdu 5 Voûte 3 Enduit 6 Piédroits 4 Plateforme de roulement Figure 1. Analyse structurelle des tunnels en maçonnerie [FER 13]. Connaissant la structure des tunnels en maçonnerie et leurs composants, nous étudions alors les interactions des composants entre eux et avec les milieux extérieurs. Elles sont représentées sous forme de Blocs diagramme Fonctionnels définissant les relations de contact, de sollicitations mécaniques, de flux hydrauliques et d exploitation. Au final, nous obtenons les fonctions de conception accomplies par les composants, regroupées dans les tableaux d analyse fonctionnelle (Tableau 1). Tableau 1. Analyse fonctionnelle appliquée aux tunnels de maçonnerie Extraits de [FER 13]. Fonctions de conception du composant «piédroit» 7 Drainage radier 8 Radier Sollicitations mécaniques - Supporter les charges horizontales produites par la poussée du terrain et transmises par le coffrage perdu - Résister aux charges de stabilité transmises par la voûte - Supporter la pesanteur des installations auxiliaires encastrées - Transmettre les charges du terrain et celles de stabilité transmises par la voûte au radier

7 Proposition d un outil d optimisation technico-économique de la gestion patrimonial des ouvrages RATP AMDE appliquée aux tunnels de maçonnerie La méthode AMDE (Analyse des Modes de Défaillance et de leurs Effets) considère, systématiquement, l une après l autre, chaque fonction du système et analyse ses modes de défaillance et leurs effets. Nous adaptons les techniques d analyse de la méthode AMDE à notre contexte. Les résultats sont listés dans le (Tableau 2) indiquant : les composants (et leur numéro) correspondant à la décomposition structurelle ; les fonctions de conception des composants obtenues à partir de l analyse fonctionnelle ; les modes de défaillance : la défaillance d une fonction (fonction non réalisée) et la dégradation d une fonction (fonction partiellement ou mal réalisée) ; les causes possibles d une défaillance classés selon leur origine : les contacts, les sollicitations mécaniques, les flux hydrauliques, l état intrinsèque du composant (caractéristiques propres, conception ou de réalisation du composant) ; les effets possibles d une défaillance classés de façon analogue ; et les indicateurs (visuels, issus d un instrument d auscultation, les coefficients de sécurité) traduisant la manifestation des conséquences des défaillances et détectés par les moyens de détection. Tableau 2. AMDE adaptée aux tunnels en maçonnerie Extrait appliqué au composant piédroit [FER 13]. n Composant Fonctions Mode de défaillance 3 Piédroit Sollicitations La fonction mécaniques «supporter les - Supporter les charges charges du horizontales produites terrain par la poussée du transmises» est terrain transmises par le dégradée ou coffrage perdu défaillante. Causes possibles Effets possibles Indicateurs Moyens de détection Etat intrinsèque du Etat - Fissures de la - Fissuromètre composant intrinsèque du maçonnerie - Observation - Vieillissement de la composant - Déformation visuelle maçonnerie et du mortier - Apparition de la section - Mesures - Diminution des de fissures à la du tunnel topométriques caractéristiques maçonnerie mécaniques des - Déformation maçonneries de la structure - Désagrégation entre pierre et liant - Formation de fissures et rotules dans la structure En synthèse de l AMDE appliquée aux tunnels en maçonnerie, nous disposons des principaux modes de défaillance de ces ouvrages, de leurs causes, de leurs effets et de leurs indicateurs associés Représentation sous forme de scénarios fonctionnels A ce stade, nous pouvons représenter les résultats de l analyse AMDE sous forme de schémas séquentiels, qui consistent à enchaîner des séquences chronologiques de défaillances représentant les mécanismes physiques au sein des

8 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai ouvrages et conduisant aux défaillances des fonctions. Nous représentons les scénarios sous forme de graphes orientés décrivant les processus fonctionnels de dégradation et les enchaînements de variables correspondantes [PEY 03]. Le modèle de représentation des scénarios comporte trois catégories de variables : les fonctions identifiées lors de l analyse fonctionnelle, les phénomènes regroupant les causes et effets des modes de défaillance de ces fonctions, et les indicateurs correspondant aux manifestations des phénomènes. Les scénarios modélisés consistent alors en des séquences fonctionnelles de défaillance dans lesquelles les phénomènes sont renseignés par les indicateurs et les combinaisons de phénomènes conduisent à la perte de performance de fonctions, produisant à nouveau une nouvelle combinaison de phénomènes (Figure 2). Figure 2. Principe du modèle fonctionnel [PEY 03]. Un tel modèle présente de nombreux avantages : il structure la connaissance experte sous forme de scénarios fonctionnels, il organise l information liée aux mécanismes autour de trois catégories de variables (indicateur, phénomène et fonction) et il permet de prendre en compte les dégradations partielles et progressives des variables et les mécanismes non chronologiques Synthèse : base de connaissance sur les mécanismes des tunnels en maçonnerie A partir de ce modèle, nous cherchons maintenant à renseigner des bases de connaissances sur les mécanismes conduisant à la perte de performance des ouvrages sur lesquels doivent intervenir les actions de la maintenance. Nous analysons donc les recueils d expertise afin d en déduire, pour le mécanisme d effondrement des tunnels en maçonnerie, les fonctions en jeu et les phénomènes conduisant et résultant de leurs modes de défaillance. Ensuite, nous représentons les scénarios sous forme d arbres de défaillance correspondant à chaque mécanisme (Figure 3).

9 Proposition d un outil d optimisation technico-économique de la gestion patrimonial des ouvrages RATP 9 Figure 3. Extrait d arbre de défaillance appliqué au mécanisme d effondrement des tunnels en maçonnerie [FER 13]. Cette représentation permet de formaliser et de structurer la connaissance experte sur les mécanismes de dégradation des performances de l ouvrage et favorise l identification des composants les plus critiques. Nous utiliserons ces informations pour sélectionner le type de maintenance à réaliser sur chaque composant en fonction de sa criticité (nous renvoyons le lecteur vers [ZWI 96]). Inversement, ces arbres de défaillances pourront également être exploités de manière à identifier l impact des interventions sur la performance des ouvrages, et ce, à des pas de temps variés Définition d une liste de critères de priorité Pour optimiser la stratégie de maintenance d un patrimoine vieillissant, il est essentiel d avoir une vision à long terme sur la définition d un programme d interventions. L établissement des priorités d intervention dans un parc d ouvrages est certainement une des phases les plus difficiles de la gestion. Nous devons intégrer dans le même planning des interventions à diverses échelles temporelles (d urgence, annuelles, pluriannuelles, etc.) qui affectent les ouvrages de différentes durées de vie, vitesses de dégradation, familles techniques, etc., et dont le type de maintenance le plus adapté n est pas forcément le même pour tous les cas. Dans cette situation, la prise de décisions doit être faite dès une approche multicritère. Afin de mettre en œuvre les méthodes issues de l aide à la décision multicritère dans le procédé de hiérarchisation [ROY 93], nous complémentons la notation de l état des ouvrages (obtenue à partir des visites et inspections) avec une famille de critères de priorité de différente nature technico-économique (Tableau 3). Tableau 3. Extrait de la liste des critères de priorité. Critères d évaluation des interventions à réaliser Risque de produire une dégradation plus grave Agressivité de l environnement sur l ouvrage Critères de performance Impact sur l exploitation Augmentation de la fiabilité attendue

10 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai Critères économiques Rapport coût d investissement /variation de la performance technique Coordination avec d autres travaux 4. Conclusion et perspectives Dans la situation actuelle, la plupart des actions de surveillance et maintenance sont appliquées à l échelle des composants de l ouvrage. Le modèle que nous avons proposé pour les tunnels en maçonnerie, construit à partir des méthodes de la Sûreté de Fonctionnement, permet de prendre en compte des conséquences que les interventions réalisées à cette échelle peuvent avoir au niveau de la structure. Mais, même si cette méthode peut être appliquée au reste de familles d ouvrages, le principal intérêt consistera à pouvoir extrapoler le bénéfice qu une optimisation de la gestion des ouvrages produit sur la globalité du parc. Outre le problème d échelle spatiale, l échelle temporaire doit être aussi analysée. Pour assurer la pérennité des ouvrages, la notion de cycle de vie apparaît comme fondamentale dans la gestion. Sachant cela, l optimisation de la stratégie de la maintenance doit considérer l évolution des coûts économiques, la durée des contrats de financement et même la transition entre les différentes générations de gestionnaires afin que l efficacité de l optimisation de la stratégie de maintenance soit garantie à long terme. 5. Bibliographie [CRE 2003] CREMONA C., Application des notions de fiabilité à la gestion des ouvrages existants, Association Française de Génie Civil, [FER 13] FERRER B., Application des outils de la Sûreté de Fonctionnement aux ouvrages de génie civil de la RATP, rapport de Travail de Fin d Etudes, Ecole d Ingénieurs de la Ville de Paris, Février [PEY 03] PEYRAS L., Diagnostic et analyse de risques des barrages, Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, [ROY 93] ROY B., BOUYSSOU D., Aide multicritère à la décision : méthodes et cas, Paris : Editions Economica, [SER 05] SERRE D., Evaluation de la performance des digues de protection contre les inondations. Modélisation de critères de décision dans un Système d Information Géographique, Thèse de doctorat, Université de Marne la Vallée, [VIL 88] VILLEMEUR A., Sûreté de fonctionnement des systèmes industriels. Fiabilité Facteurs humains Informatisation., Editions Eyrolles, p [ZWI 96] ZWINGELSTEIN G., La maintenance basée sur la fiabilité, Hermès Editions.