N d ordre 2005-ISAL Année Thèse

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1 N d ordre 2005-ISAL Année 2005 Thèse Elaboration d'une méthode de prévision du gisement des déchets générés par le cycle de vie des bâtiments : amélioration de la traçabilité des composants du bâtiment. Présentée devant L Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Pour obtenir Le grade de docteur Formation doctorale : Environnement et Risques Naturels, Industriels et Urbains École doctorale : École doctorale de chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement) par Claudia SALAZAR (Ingénieur) Jury M. J. CHEVALIER CSTB, Ingénieur de recherche, Docteur (directeur de thèse) M. P. ROUSSEAUX Université de Poitiers, Professeur (directeur de thèse) M. BERTOLINI Université Claude Bernard, Professeur (rapporteur) Mlle L. GONZALEZ Universidad del Pais Vasco, Docteur (rapporteur) M. R. GOURDON INSA de Lyon, Professeur (examinateur) M. N. KOHLER Université de Karlsruhe - IFIB, Professeur (rapporteur) Membre invité M. R. FAUCONNIER FFB, Direction des affaires techniques

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3 Avant Propos Arrivée au terme de cette thèse, je tiens à remercier chaleureusement tous ceux qui m'ont aidée et soutenue tout au long de ce travail. Tout d'abord ma gratitude va d abord au Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) qui m'a ouvert ses portes et qui a été le promoteur de ce projet et ensuite au centre de recherche allemand Institut für Industrille Bauproduktion qui m a permis de réaliser un stage de trois mois dans son laboratoire. Je remercie également l Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Lyon et particulièrement à M. Gourdon et à M. Moskowicz Je remercie également l OPAC 38 de nous avoir fourni les informations nécessaires à l application de la méthode. J adresse ma reconnaissance à M. Jacques Chevalier, M. Patrick Rousseaux, M. Jean Luc Chevalier, M Marcel Rubaud et M. Emmanuel Jayr pour leur encadrement et leur aide pour mener à terme ce projet, ainsi que pour leur patience pour affronter les aléas de ce projet. Je tiens à remercier, pour leurs orientations, M. Roland Fauconnier de la Fédération Française du Bâtiment (FFB) et M. Niklaus Kohler de l Institut für Industrille Bauproduktion. J ai une pensée émue pour M. Rubaud qui n a pas été seulement mon encadrant «journalier» et mon collègue de bureau mais la personne qui jour après jour, pendant ce temps, m a donné, de différentes manières, son support : en m écoutant, en me donnant son avis, en corrigeant mon français, en me remontant le moral, en me faisant rire, en partageant les aléas de cette thèse enfin, en me transmettant son savoir. Mes remerciements vont également à tous les autres membres du CSTB, spécialement du Département de Développement Durable. Un grand merci à Dany, Nico, Jerôme, Astrid, Halynita, Heather, Julie, Richard et Mario pour leurs corrections, au cours de cette recherche, de documents en français et en anglais. Je tiens à remercier également les doctorants qui m'ont apporté leur soutien et leur amitié en particulier Aurelie, Sabrina, Mahita, Patricio, Naris et Nicoleta. Il serait difficile d'oublier Nat, Jean Claude et François pour leur grande gentillesse et leur disponibilité. Je ne saurais oublier tous les membres de la division matériaux que j ai côtoyé ce temps. Je tiens à remercier plus particulièrement Chri-Chri, Brunito, François, François-Dominique, Hebert et Claude pour leurs conseils, leur support technique ou moral et même d avoir «enrichi» mon vocabulaire français. Ma pensée s adresse également à ma famille, qui a du se priver de ma présence au long de ce travail, spécialement à ma mère, à mes grand parents, à mes oncles et à Mario. Un très grand merci aussi à tous mes amis car sans leur amitié, sans leur écoute, sans leur compagnie (même à distance), sans leur patience pour me supporter, sans leur sourire, sans leur accueil, sans notre colocation (gracias Astrid y Claudia, shukran Abdelmajid, Danke Anne et Claudio), sans nos moments partagés, je n aurais pas pu surmonter tous les moments difficiles, personnels et académiques, que j ai du traverser au long de cette thèse. Je dois donc vous dire : Gracias, Merci, Thank You, Herzlichen Dank, Dank U Wel, Shukran, Multumesc, Grazie, Tsie Tsie, Spaciva, Spass. ENFIN, JE REMERCIE CELUI QUI EST LA SOURCE DE MA VIE

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5 Résumé Aujourd hui, la grande consommation de ressources par le secteur bâtiment, la quantité en augmentation de déchets de chantier (construction, réhabilitation et démolition) et l absence d optimisation de leur gestion sont des grands problèmes auxquels la société doit faire face. En Europe par exemple, des 180 Mt de ces déchets générés annuellement, seulement 25 % sont valorisés (malgré leur fort potentiel de valorisation) et les 75 % restants sont enfouis (d une façon illégale dans certains cas). Pour améliorer leur gestion, la connaissance des quantités, des caractéristiques, de la période et du lieu de génération de ces flux présents et futurs est nécessaire. Malheureusement, cette connaissance reste limitée. Par conséquent, il est difficile de mettre en place une gestion respectueuse de l environnement. En considérant cette situation, nous proposons une contribution afin d améliorer la connaissance de ces flux : - la réalisation d un état de l art sur les sources d information actuelles permettant de connaître ces flux ; - une nouvelle méthode (ELDORADO), à deux niveaux, qui facilite la traçabilité des composants et permet la prévision des déchets d un bâtiment (niveau micro) ou plusieurs bâtiments (niveau macro), depuis leur construction jusqu à leur fin de vie. Pour la description des flux, sont prises en compte, à la différence d autres recherches existantes, non seulement les quantités mais également les caractéristiques pertinentes, la période et le lieu de génération. Les deux niveaux de la méthode sont fondés sur la collecte de données des composants qui entrent dans le (les) bâtiment(s) et sur la mise en place d un modèle statique et comportemental du (des) bâtiment(s), permettant de faire une simulation sur l évolution du bâtiment et des déchets générés. La simulation de l évolution du bâtiment se réalise à l aide des scénarii proposés par l utilisateur de la méthode. La faisabilité des propositions méthodologiques est testée partiellement sur 4 cas réels et entièrement sur un des bâtiments. L application de la méthode a permis de : - mettre en évidence le besoin de conserver les informations des flux entrants dès la construction des bâtiments ; - confirmer qu il sera nécessaire d informatiser la méthode et de prendre en compte dans l outil informatique les IFC (Industry Foundation Classes) ; - identifier les points faibles et forts des modèles proposés du bâtiment. Dans ce document, les difficultés rencontrées actuellement pour mettre en place la méthode, ainsi que les perspectives de notre travail, sont discutées. Mots clés : Environnement, Déchets de chantier (construction, réhabilitation et démolition), Flux et stock de composant du bâtiment, Traçabilité, Modèle du bâtiment 3

6 Abstract Nowadays, the great amount of resources consumed by the building sector, the great quantity of Construction and Demolition Waste (C&DW) and their less than optimal management are major problems at a worldwide level. For instance, in Europe, only 25% of the 180Mt of C&DW estimated per annum are recycled (despite its major recycling potential). The remaining 75% are landfilled (in some cases illegally). In order to improve the management of C&DW, it is necessary to know the current and future quantities and characteristics of the C&DW that is generated, as well as their period and location of generation. Unfortunately, at the moment, these flows are poorly known. Consequently, it is difficult to implement an environmentally sound and optimal management while abiding by regulations. Bearing this in mind, our contribution to the improvement of the knowledge about these flows could be summarized as follows: - Establishment of the state of the art of the current sources of information about these flows; - Proposition of a new method, called ELDORADO, which allow the traceability of buildings components and provides a long term forecasting of C&DW. The forecasting is done both, at a micro level and at a macro level. The micro level corresponds to the forecasting of the C&DW for a building. The macro level concerns a set of buildings. This forecasting is made from the construction of the building until the end of its service life. In contrast with other researches, the description of the materials flows is given by addressing not only quantities but also relevant technical characteristics, period and location. Both levels of the method are based on the acquisition of data about the components that go into the building (by establishing their traceability) and on a static and a behavioural building model. This model allows the simulation of the possible evolution of the building as well as the generation of C&DW. The simulation of the building evolution is based on scenarios proposed by the users of the method. The application of this method is tested partially on 4 real cases and fully tested on one building. The latter has allowed to: - note the importance of maintaining information about the flows inside buildings (traceability); - establish the need of the implementation of a software tool for applying the method and introducing the Industry Foundation Classes in this software; - identify the strong and weak points of the building models proposed for the application of the method. Additionally, in this document we discuss the present difficulties related to the implementation of the method, the necessary tools that should be created and the prospects of our work. Keywords: Environment, Construction and Demolition Wastes, Flows and stock of building components, traceability, Building model. 4

7 Liste des abréviations Abréviations, Institutions et Centres de Recherche ADEME ACV AE AES AFM AII AIMCC ARENE BRE BSI BTP BSDI CAO CCAG CCAP CCTG CCTP CE CEBTP CERTU CET CFC CIB COSTIC CSTB CSTC DAEI DCE DGI DGUHC DOE DQE DIB DIS DI DIUO DIN DOE DPGF DTU Agence de l Environnement et de la Maîtrise de l Energie Analyse de Cycle de Vie (LCA, Life Cycle Assessment) Actes d Engagement Analyse des Entrée et Sorties (IOA, Input Output Analysis) Analyse de Flux des Matériaux (MFA, Material Flow Analysis) Alliance Internationale d Interopérabilité (IAI, International Alliance for Interoperability) Association des Industries de Matériaux, Composants et Equipements pour la construction Agence Régionale de l Environnement et des Nouvelles Energies Building Research Establishment (Grande Bretagne) British Standards Institution Bâtiment et Travaux Publics Bordereau de Suivi des Déchets Industriels Conception Assistée par Ordinateur (CAD Computer Aided Desing) Cahier des Clauses Administratives Générales Cahier des Clauses Administratives Particulières Cahier des Clauses Techniques Générales Cahier des Clauses Techniques Particulières Commission Européenne Centre Expérimental de Recherches et d études du Bâtiment et des Travaux Public Centre d Etudes sur les Réseaux, les Transports, l Urbanisme et les constructions publiques Centre d Enfouissement Technique Chlorofluorocarbones Conseil International du Bâtiment (International Council for Building) Comite Scientifique et Technique des Industries Climatiques Centre Scientifique et Technique du Bâtiment Centre Scientifique et Technique de la Construction (Belgique) Direction des Affaires Economiques et Internationales (Ministère de l équipement) Dossier de Consultation des Entreprises Direction Générale des Impôts Direction Générale de l Urbanisme, de l Habitat et de la Construction (Ministère de l équipement) Dossier des Ouvrages Exécutés Document Quantitatif Estimatif Déchet Industriel Banal Déchet Industriel Spécial Déchet Inerte Dossier d Intervention Ultérieure sur l Ouvrage Deutsch Institut für Normung (Institut Allemand de Normalisation) Document des Ouvrages Exécutées Devis à Prix Global Forfaitaire Documents Techniques Unifiés 5

8 FFB HLM HQE IFARE IFC IFIB INSA INSEE ISO LAEPSI NDBS OPAC38 OS SHOB SHON SIG Fédération Française du Bâtiment Habitation à Loyé Moderé Haute Qualité Environnementale Institut Franco-Allemand de Recherche sur l Environnemental Industry Foundation Classes Institut für Industrielle Bauproduktion (Institut Nationale pour la production industrielle du Bâtiment) Institut National des Sciences Appliquées Institut National de la Statistique et des Etudes Economiques International Organization for Standardization (Organisation Internationale pour la Standardisation) Laboratoire d Analyse Environnemental des Procédés et Systèmes Industriels Non-Domestic Building Stock Office Public d Amenagement et de Construction de l Isere Ordre de Service Surface Hors Œuvre Brute Surface Hors Œuvre Nette Système d Information Géographique (GIS, Geographical Information System) 6

9 Table de matières Table de matières LISTE DES ABREVIATIONS 5 INTRODUCTION GENERALE 11 TERMINOLOGIE 15 I. CONTEXTE 17 1 Analyse de flux Analyse de Flux de Matériaux (AFM) Analyse des entrées et des sorties (EAS) Analyse de flux de matériaux dans le secteur bâtiment Flux de matériaux dans ce secteur Approche descendante et ascendante Haute Qualité Environnementale et éco-conception Choix de l approche et champ de cette étude Le bâtiment Composition et modélisation du bâtiment Définitions Composition du bâtiment Modèle du bâtiment Les activités génératrices des déchets de chantier et les principaux acteurs concernés Construction Interventions au cours du cycle de vie du bâtiment Démolition et déconstruction Destruction accidentelle Acteurs concernés La typologie des bâtiments Synthèse 37 II. OUTILS METHODOLOGIQUES Eléments méthodologiques permettant la description des flux à un moment donné Eléments destinés à la description des flux entrant dans les bâtiments Niveau micro (au niveau d un bâtiment) Niveau macro (au niveau de plusieurs bâtiments) Synthèse Eléments destinés à la description du stock dans les bâtiments Niveau micro Niveau macro Synthèse Eléments destinés à la description des flux sortant des bâtiments (les déchets de chantier) Niveau micro Niveau macro 57 7

10 Table de matières Classification des déchets de chantier du bâtiment Synthèse Eléments méthodologiques permettant la description de l évolution des flux Temps de séjour des composants dans le bâtiment Durée de vie des composants du bâtiment Durée de vie du bâtiment Facteurs affectant le temps de séjour des composants Facteurs internes au bâtiment Facteurs externes au bâtiment Synthèse Facteurs affectant les caractéristiques des flux Scenarii Définition Construction des scénarii dans le secteur bâtiment Synthèse Stockage de l information Outils de modélisation du bâtiment : IFC et les logiciels Systèmes d Information Géographique Numérisation des plans Etat d avancement de ces systèmes en France Synthèse 86 6 Cahier des charges de l outil Objectifs Acteurs intéressés pour mieux connaître les flux associés aux bâtiments (utilisateurs potentiels de l outil méthodologique) Au niveau micro Au niveau macro Types de résultats escomptés Au niveau micro Au niveau macro 90 III. METHODE DE PREVISION DES DECHETS DE CHANTIER 93 Introduction à la méthode Méthode de prévision des déchets de chantier issus d un bâtiment (niveau micro) Première Etape : Collecte et centralisation des informations sur le bâtiment et les flux entrants (les composants) Informations demandées Actualisation des informations Stratégie et outils de collecte Centralisation et capitalisation des informations Synthèse Deuxième étape : Obtention d un bon niveau de complétude Identification des types d information manquante ou obsolète Définition du niveau de complétude Stratégie pour compléter l information Qualité et analyse de l information 127 8

11 Table de matières Synthèse Troisième étape : Mise en place du modèle statique du bâtiment : représentation des différents états du bâtiment Modèle statique du bâtiment Obtention des informations pour la construction des modèles Conservation de l information Synthèse Quatrième étape : Mise en place du modèle dynamique du bâtiment simulation de l évolution du bâtiment Évolutions possibles du bâtiment Modèle dynamique du bâtiment Synthèse Cinquième étape : Prévision des flux sortants d un bâtiment : les déchets Description du gisement de déchets Présentation et stockage de l information sur les groupes inséparables de déchets Synthèse Méthode de prévision des déchets issus d un ensemble de bâtiments (niveau macro) Identification des composants entrant dans plusieurs bâtiments Démarche Vérification des résultats Synthèse Méthode d estimation des déchets de plusieurs bâtiments au cours de leur cycle de vie Démarche Synthèse 176 IV. APPLICATION DE LA METHODE Premières applications de la méthode Organisme fournisseur des données Bâtiments étudiés Application des cinq étapes de la méthode au niveau micro Collecte et centralisation des informations sur le bâtiment et les flux entrants (les composants) Obtention d un bon niveau de complétude Mise en place du modèle statique du bâtiment : représentation des différents états du bâtiment Mise en place du modèle dynamique du bâtiment : simulation de l évolution du bâtiment Prévision des flux sortants d un bâtiment : les déchets Analyse générale des résultats et leçons de l expérience 206 V. CONCLUSION ET PERSPECTIVES 207 9

12 Table de matières 10. Conclusion et perspectives Notre proposition, une méthode de prévision de déchets L originalité de la méthode et ses points forts Usages possibles de la méthode Limites de la méthode Perspectives Adaptation de la méthode aux bâtiments anciens Outils pour appliquer la méthode Approfondir le modèle pour un bâtiment Possible simplification de la méthode Vérification et analyse des résultats de la méthode Développement d un module économique afin d améliorer la gestion de déchets 216 BIBLIOGRAPHIE 217 LISTE DE PUBLICATIONS 232 ANNEXES 233 I. Bordereau de Suivi des Déchets Industriels 235 II. Typologie du bâtiment 236 III. Extrait de la classification européenne des déchets (déchets de bâtiment) 237 IV. Filières de traitement de déchets 239 V. Prix de différents traitements de déchets 240 VI. Types des interventions possibles sur un bâtiment 241 VII. Fiches des bâtiments étudiés 243 VIII. Exemples d identification des composants concernés par un scénario 249 IX. Tableaux des composants d un des bâtiments analysés 251 X. Liste des éléments du modèle du bâtiment analysé 255 XI. Extrait de la base de données de composants Exemples de composants de gros œuvre 259 XII. Pourquoi le nom ELDORADO?

13 Introduction générale Introduction générale La problématique La majorité des problèmes environnementaux auxquels la société fait face aujourd hui est le résultat de la transformation des différents flux de matières dans les différents secteurs de l économie [OECD, 2000]. Le secteur bâtiment est le plus gros consommateur de ressources et un des plus forts générateurs de déchets [Dorsthorst et al, 2004]. Malheureusement, les ressources sont consommées aujourd hui d une manière presque irrationnelle, sans toujours se préoccuper des besoins futurs et du fait qu on devra faire face à leur rareté. La quantité des déchets est de plus en plus grande et leur gestion actuelle n est pas encore optimale. Des 180Mt de déchets de chantiers, estimées annuellement pour l'europe des quinze, seulement 25% sont valorisés. Le reste des déchets est éliminé dans des installations appropriées (En France en Centre d Enfouissement Techniques par exemple) et dans certains cas dans des endroits illégaux [Commission Européenne, 2000] «décharges sauvages». Cette situation entraîne divers problèmes à différents niveaux. L exploitation irrationnelle des ressources et leurs transformations dans les usines peut entraîner des érosions, des disparitions des écosystèmes, des pollutions dans les sols, l air ou l eau ainsi que d autres problèmes. La mauvaise gestion des déchets (faible part de valorisation) peut être à l origine des problèmes d occupation des sols (à cause de leur enfouissement), tandis que ces sols pourraient être utilisés pour d autres activités plus utiles. De plus, le manque de valorisation rend nécessaire l utilisation de plus de ressources naturelles (en tant que matières premières). Tout cela, sans oublier que ces problèmes environnementaux peuvent être à l origine des problèmes de santé publique. Les solutions existantes Face à cette problématique environnementale (mais aussi économique et sociale), les autorités de différents pays essaient de prendre en main le problème, de mettre en application plusieurs réglementations et d internaliser les externalités des activités humaines. Ces démarches ont concerné depuis longtemps principalement les déchets et peu la consommation de ressources. En effet, dès le Moyen Age [Sperandio, 2001], mais surtout à partir du dix-neuvième siècle, la société européenne a commencé à se préoccuper de la gestion des déchets. Pendant longtemps, cette action est restée artisanale [Bergey, 2001]. C est seulement à partir des années 70, et particulièrement à partir de la directive européenne 75/442 CEE de 1975 du conseil du 15 juillet modifiée (JOCE du 27 juillet 1975 n L-194) relative aux déchets que plusieurs réglementations, ont été mises en place. En France, en particulier, il s agit de la loi No du 15 juillet 1975, modifiée, relative à l'élimination des déchets et à la récupération des matériaux. Aujourd hui, la communauté internationale encourage la pratique du développement durable. En particulier, la gestion de ressources et la gestion des déchets constituent deux axes importants pour le respect de l environnement (un des piliers du développement durable). Dans le secteur bâtiment plusieurs démarches se développent dans ce sens. Entre autres: la démarche Haute Qualité Environnemental [HQE, 2005] (essentiellement focalisé sur les aspects environnementaux). L amélioration de la gestion des ressources et des déchets nécessite la connaissance de ces flux. Cette connaissance demande de mettre en place une traçabilité des flux. En France, une seule étude, à laquelle nous avons contribuée, a été faite jusqu à maintenant [Ferrara et al, 2003]. Elle constitue un état de l art sur la traçabilité. Cette étude, réalisée par l Institut allemand pour la Production Industrielle du Bâtiments (IFIB), en collaboration avec le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), a mis en évidence que dans le secteur du bâtiment, on ne connaît pas aujourd'hui avec certitude quel type de matériaux et de produits sont finalement introduits dans tel ou tel type de bâtiment. 11

14 Introduction générale Pour les déchets, plusieurs études, encouragées par la Commission Européenne, ont été entreprises dans les années 90. Le groupe Symonds [1999] a réuni les résultats de tous les pays de la communauté. L étude équivalente au niveau français a été développée par Agence de l Environnement et de la Maîtrise de l Energie [ADEME, 2002]. Ces études statistiques n ont été faites qu une seule fois. On a réalisé une estimation des déchets annuels générés pour chaque pays à un moment donné. En France, en application de la circulaire du 15 février 2000, on a développé les plans départementaux de gestion des déchets de chantier [MINISTERE DE L'ÉQUIPEMENT, DES TRANSPORTS, DE L'AMENAGEMENT DU TERRITOIRE, DU TOURISME ET DE LA MER, 2004a]. Le Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques (COSTIC) a réalisé une étude prédictive des déchets générés par les équipements des bâtiments en considérant leur durée de vie [Audegond, 1997]. Deux études allemandes ont visé à faire une quantification des déchets actuels et futurs. La première pour la ville de Berlin [Görg, 1997] et la deuxième pour un ensemble de bâtiments de logements [Kloft, 1997][Kloft, 1998]. Dans une étude autrichienne on a réalisé une quantification nationale des déchets de bâtiments et travaux publics [Glenk et al, 1996]. D autres recherches sur les déchets de démolition et de déconstruction de bâtiments individuels ont été développées [Ruch et al, 1995][Rentz et al, 1998][Chini et al, 2002]. Au Royaume Uni le Centre de Recherche du Bâtiment (Building Research Establishment - BRE) [2004] a développé quatre logiciels complémentaires, pour la quantification et la gestion de déchets provenant des chantiers. Ils constituent un outil d audit qui permet de collecter, d analyser et de visualiser l information sur les déchets d un ou plusieurs chantiers pour pouvoir mieux les gérer. Malgré les solutions proposées On constate que des problèmes persistent. En effet, la conception d une gestion optimale des ressources et des déchets associés à un ou à plusieurs bâtiments demande une connaissance plus profonde des flux présents et futurs. Cela signifie connaître les caractéristiques, les quantités des flux référencées spatio-temporalement; du berceau à la tombe. Ces informations aujourd hui ne sont pas disponibles. Notre analyse bibliographique a mis en évidence que seules les quantités de déchets sont en général considérées. Concernant les caractéristiques, la seule description fournie est le type de matériaux et l indication du type de déchet. De plus, cette dernière ne correspond pas toujours à la classification européenne [Commission Européenne, 2000], rendant ces études difficilement exploitables. Ces études n indiquent pas toujours l état de mélange des déchets ou les informations pertinentes pour décider de leur valorisation ou de leur élimination. Elles se sont plutôt intéressées à la problématique des déchets générés par un ensemble de bâtiments et moins à celle des déchets d un bâtiment. La majorité d entre elles traitent principalement des déchets déjà générés et non pas de leur prévision. Basées sur une approche statistique, elles ont permis de faire un constat des déchets générés à un moment donné. Cependant, non reconduites dans le temps, elles ne permettent pas d avoir une vision temporelle des données. Pour la plupart de ces recherches, le but principal était de faire un constat chiffré à un instant donné mais non nécessairement de proposer une méthode que puisse être utilisée postérieurement. Ainsi, les acteurs du bâtiment font face à une réglementation environnementale de plus en plus stricte, mais sans disposer des informations ni des outils nécessaires pour mieux connaître les flux. Il leur est difficile dans ces conditions de proposer une gestion optimale et de nouvelles filières de valorisation de déchets. 12

15 Introduction générale La solution que nous proposons : Nous avons constaté ainsi qu il est nécessaire d aller plus loin. Dans cette perspective, l objectif de notre recherche a été d une part d identifier les sources d informations et les mécanismes existants qui peuvent améliorer la traçabilité des flux associés aux bâtiments et d autre part de développer une nouvelle méthode (ELDORADO), pour faciliter la traçabilité de composants et la prévision des déchets. La méthode développée facilite d une part la traçabilité des flux et d autre part la prévision des déchets générés par un bâtiment (niveau micro) ou plusieurs bâtiments (niveau macro) au cours de leur cycle de vie. Celle-ci est applicable aux bâtiments neufs et potentiellement aux bâtiments existants. Les informations nécessaires sur les bâtiments anciens n étant pas disponibles, notre recherche a été centrée dans son application aux bâtiments neufs. La méthode s adapte à la logistique actuelle du secteur bâtiment. Mais nous proposons des améliorations pour l avenir, comme par exemple la capitalisation de l information car le secteur bâtiment n a pas nécessairement l habitude de laisser par écrit la description des opérations réalisées. Dans ce secteur, il y a principalement une tradition orale. Vu la complexité et l ampleur du domaine. Chaque bâtiment est un produit unique, les techniques de construction, démolition et réhabilitation varient d une époque à l autre et selon la région géographique, les décisions de construire, de réhabiliter, de démolir un bâtiment dépendent de plusieurs facteurs internes et externes au secteur bâtiment : qualité des composants, législation, tendances architecturales, conception du bâtiment Nous avons limité notre étude aux flux entrant, se stockant et sortant entre la construction des bâtiments et leur disparition. Ce choix nous permet d être complémentaire aux autres études déjà réalisées et de mieux comprendre comment les déchets sont générés et quels sont les facteurs déterminant leurs caractéristiques. Pour améliorer la traçabilité, la méthode propose des outils et des mécanismes pour mieux identifier les composants entrant dans les bâtiments. Pour la prévision des déchets d un bâtiment et l amélioration de la description de leurs caractéristiques, elle s appuie sur les connaissances des flux de composants (leurs quantités, leurs caractéristiques, leur durée de vie, leur mode d assemblage ) et de leur devenir possible dans le bâtiment. Pour la simulation de l évolution, nous proposons un modèle comportemental du bâtiment prenant en compte le mode d assemblage entre les composants, et s appuyant sur un scénario définit selon les besoins de l utilisateur. Pour la simulation sur plusieurs bâtiments, une ébauche a été proposée. Cette ébauche retient plusieurs approches. Elle s appuie soit sur les résultats de l application de la méthode micro à plusieurs bâtiments soit sur la collecte des informations sur les composants et sur des modèles similaires à ceux utilisés dans les recherches sur le stock dans les bâtiments [Kohler, 2002][Thuvander, 2000][BARLETT SCHOOL OF GRADUATE STUDIES AT UNIVERSITY COLLEGE LONDON, 2003]. Usages possibles de la méthode Les maîtres d ouvrage et les maîtres d œuvre pourront appliquer cette méthode pour estimer les déchets de leur bâtiment et ainsi améliorer leur gestion (contribution à l éco-conception). Ils pourront identifier plus facilement les filières de traitement des déchets, simuler différentes opérations sur le bâtiment pour éventuellement faire des améliorations de conception sur ce bâtiment (dans une démarche d Haute Qualité Environnementale par exemple). Les résultats de l application à plusieurs bâtiments (lotissement, quartier, ville, département, région ) permettront aux autorités d identifier la quantité et certaines caractéristiques des ressources utilisées, de mieux connaître le patrimoine, d identifier au niveau départemental, régional ou national des matières premières secondaires potentielles et prévoir les déchets de chantier qui seront générés sur un territoire. La gestion des déchets de chantier (envisager les meilleures filières de traitement existantes, planifier la localisation de nouvelles filières, estimer les coûts 13

16 Introduction générale ) sera alors facilitée. Elle rendra possible la programmation de filières d un point de vu technique et géographique. Sa généralisation permettrait une plus large utilisation et l obtention de résultats comparables. Notre travail de recherche est présenté en cinq parties : Dans la première partie, qui concerne le contexte général, nous présentons, d une part l analyse des flux (chapitre 1) et d autre part le bâtiment (chapitre 2). Pour introduire le bâtiment, objet de nature complexe, nous avons choisi de ne présenter que les éléments nécessaires au développement de notre recherche : tout d abord sa composition et puis son évolution (construction, réhabilitations, démolition) au cours de son cycle de vie. La deuxième partie est destinée à présenter les éléments méthodologiques dont nous nous sommes servis pour le développement de la méthode. Les éléments servant à la traçabilité des flux et à leur prévision ont été classés en deux groupes : ceux qui servent à décrire les flux à un instant donné (chapitre 3), comme une «photographie», et ceux qui servent à suivre l évolution des flux (chapitre 4), comme un «film». Les éléments servant à faire une description ont été séparés en trois groupes : ceux qui peuvent servir à identifier les flux entrant (les composants), ceux qui servent à décrire le stock dans le bâtiment et ceux qui servent à identifier les flux sortant (les déchets). Dans le chapitre 5, les outils, servant à la gestion de l information, adaptés au secteur bâtiment, dont l application de la méthode aura besoin, sont présentés. Dans la troisième partie, nous présentons en détail la méthode. Dans le chapitre 7 nous présentons la démarche à mettre en place pour faciliter la traçabilité des composants de bâtiment et pour la prévision des déchets de chantier associés à un bâtiment. Dans le chapitre 8 une ébauche du niveau macro de la méthode, concernant la problématique de plusieurs bâtiments, est présentée. Pour les deux niveaux, les différentes étapes à mettre en place et la stratégie pour collecter l information nécessaire sont décrites, de même que les outils nécessaires pour la rendre applicable. La quatrième partie (chapitre 9) a pour objectif de présenter l application de la méthode. Dans un premier temps, nous présentons l organisme de logements sociaux, qui nous a fourni les données, puis nous analyserons les données collectées et les résultats obtenus pour les quatre bâtiments que nous avons étudiés. La cinquième partie (chapitre 10), contenant la discussion, est destinée à identifier les usagers potentiels de la méthode et à les orienter sur la façon de l utiliser ou l adapter à chaque cas. De même sont discutées les points forts, les difficultés, les limites et les perspectives de notre travail. 14

17 Terminologie TERMINOLOGIE Les termes utilisés dans ce mémoire et notés sont définis dans cette section. Composants : «désigne de façon extrêmement large tout matériau de construction préfabriqué ou non, prêt à mélanger, à mettre en œuvre ou à assembler : le ciment, les mastics sont des composants, aussi bien que les poutrelles, les tuiles ou les poignées de portes» [Vigan - DICOBAT, 1993]. Ce terme regroupe les produits, les équipements et les matériaux. Composants assemblés : désigne les composants qui accomplissent une ou plusieurs fonctions autres que lier les composants du bâtiment. Composants d assemblages : désigne les composants qui accomplissent une fonction de liaison entre composants du bâtiment et qui peuvent accomplir une autre fonction de manière parallèle. Cycle de vie : «Phases consécutives d un système de produits, de l acquisition des matières premières ou de la génération des ressources naturelles à l élimination finale» [ISO, 1997]. C est «l ensemble des processus interconnectés par des flux de matière et énergie, liés aux produits et/au services et/ou procédés étudiés» [Benetto, 2002]. Cycle de vie réduit du bâtiment (dans ce document cycle de vie du bâtiment) phases consécutives, interconnectées par de flux de matière et énergie, entre la construction du bâtiment et sa disparition. Cycle de vie global du bâtiment : phases consécutives, interconnectées par des flux de matière et énergie, entre l extraction de matières premières (soit de mines, des forets, en passant par sa fabrication, son transport et son introduction dans le bâtiment (au moment de la construction ou des interventions) jusqu à leur fin de vie. Durée de vie : «durée pendant laquelle une entité accomplit une (des) fonction(s) requise(s) dans des conditions d utilisation et de maintenance données, jusqu à ce qu un (des) état(s) limite(s) soit(ient) atteint(s) (NF X )» [Lair, 2000]. Elément assemblé : élément du modèle du bâtiment représentant un, plusieurs ou une partie des composants assemblés. Elément d assemblage : élément du modèle du bâtiment représentant un, plusieurs ou une partie des composants d assemblage (cf.). Equipements du bâtiment (ou composants) : «Eléments fabriqués en usine et destinés à remplir des fonctions techniques dans les ouvrages qu ils équipent : chauffage, robinets» [LE TENO, 1995]. Externaliser les coûts : «consiste à imputer les coûts internes et externes dans les domaines environnemental et social d'un équipement ou d'un aménagement sur des tierces parties. Le coût externe se présente donc comme un élément non pris en compte par le marché et supporté par tout ou partie des membres de la collectivité» [SOS Planet Earth, 2004]. Flux : quantité de biens, de services ou de monnaie en déplacement sur une période déterminée. Flux entrants (ou entrées) : fait référence aux composants entrant dans les bâtiments, soit pendant la construction soit pendant des interventions postérieures Flux sortants (ou sorties) : fait référence aux déchets 15

18 Terminologie Groupe inséparable de déchets : ensemble des éléments du modèle, représentant des composants réels du bâtiment, qui sont supposés sortir comme un tout du bâtiment et qu on obtiendra comme déchets lors d une intervention ou de la démolition. Il s agit par exemple d une cloison avec peinture et plâtre liés. Internaliser les coûts : «consiste à faire payer par les bénéficiaires de la transaction (acquéreur d'un bien) ou les usagers d'un service, les coûts de l'utilisation ou de la dégradation des ressources environnementales. En général, le coût des mesures de lutte contre la pollution est répercuté dans le prix de vente» [SOS Planet Earth, 2004]. Induction (ou inférence statistique) : «on utilise un échantillon observé pour en tirer des résultats s appliquant à une population inconnue». Démarche inverse à celle de la théorie des probabilités ou raisonnement déductif : «d une population connue à un échantillon inconnu» Interventions : il s agit de toutes les opérations réalisées sur le bâtiment qui font entrer ou sortir des composants du bâtiment : maintenance, réhabilitation, modification, élargissement du bâtiment... Matériaux de bâtiment (ou composant) : «Composant provenant d un site naturel ou d une installation de transformation, et qui sert in situ à la fabrication de parties d ouvrages : granulat, ciment, sable» [LE TENO, 1995]. Niveau Micro : ce terme fait référence à la problématique associée à un bâtiment. Niveau Macro : ce terme fait référence à la problématique associée à un ensemble de bâtiments. Ouvrage : vocable faisant référence à une partie ou l ensemble d un bâtiment Population : en statistique, elle représente l ensemble des objets ou des individus à étudier, à partir duquel est extrait un échantillon [Wonnacott, 1995]. Produit du bâtiment (ou composant): «Elément fabriqué en usine et incorporé dans un ouvrage sans subir de transformation importante, c est le cas de plaque de plâtre, des fenêtres, tuyaux, isolants» [LE TENO, 1995]. Programme récursif : «programme demandant sa propre exécution au cours de son déroulement. Le mot récurrence provient du latin recurrens» [Le Robert 2002]. Stock : «résultat de l action de regrouper et de disposer les biens qui constituent le stock, de préférence dans un ordre déterminé et dans des conditions matérielles favorables à leur conservation et à leur prélèvement» [Le Robert 2002]. Stock de bâtiments ensemble de bâtiments appartenant à un lieu. Stockage dans le(s) bâtiment: emmagasinement de matières dans un ou plusieurs bâtiments. Sorties (ou flux sortants) ce terme fait référence aux flux de matériaux qui sortent d un ou plusieurs bâtiments. Traçabilité : Possibilité de retrouver, pour un produit donné, la trace de toutes les étapes de sa fabrication et de la provenance de tous ses composants. Temps de séjour : durée effective pendant laquelle les composants sont mis en œuvre dans le bâtiment avant de devenir un déchet. 16

19 I. CONTEXTE INTRODUCTION GENERALE TERMINOLOGIE I. CONTEXTE 1. Analyse de flux 2. Le bâtiment II. OUTILS METHODOLOGIQUES III. METHODE DE PREVISION DES DECHETS IV. APPLICATION DE LA METHODE V. CONCLUSION ET PERSPECTIVES ANNEXES 17

20 Dans les chapitres 1 et 2, les fondements nécessaires à la compréhension du contexte de notre recherche sont introduits. Dans plusieurs domaines scientifiques, comme dans le domaine de l économie, les sciences de l environnement, la biologie, on s intéresse à connaître les flux de matériaux. Dans le chapitre 1, d abord, nous faisons une présentation générale des méthodes utilisées dans les domaines ci-avant mentionnés pour la réalisation des analyses des flux de matériaux. Ensuite, les applications existantes au secteur de bâtiment sont présentées. Dans le chapitre 2, l unicité et la composition des bâtiments sont d abord discutées. Ensuite la modélisation du bâtiment est introduite. Après les activités qui ont lieu au cours du cycle de vie des bâtiments, et qui sont à l origine des déchets de chantier, sont discutées. Enfin, la typologie du bâtiment est presentée. Cette introduction à l analyse de flux de matériaux et au contexte du bâtiment permet de mettre en évidence certains points qui aident à : - avoir une vision globale de la problématique concernant les flux associés au secteur bâtiment ; - mieux comprendre l origine des déchets de chantier ; - mieux comprendre la problématique sur les déchets de chantier; - identifier la relation entre le bâtiment et ses déchets et donc identifier l information pertinente pour le développement de la méthode proposée dans cette thèse. 18

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