Marne-la-Vallée 24 janvier 20071 Le risque en Génie Civil Les principaux concepts et les différentes approches d’analyse Laurent PEYRAS.

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1 Marne-la-Vallée 24 janvier 20071 Le risque en Génie Civil Les principaux concepts et les différentes approches d’analyse Laurent PEYRAS

2 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 2 Cemagref unité de recherche “Ouvrages Hydrauliques” Personnel : 22 agents permanents, 6 thésards Disciplines : Génie civil, Géomécanique, Sûreté de Fonctionnement, Hydraulique Equipements scientifiques : –Laboratoire géomécanique –bassin expérimental –Codes de calcul Eléments finis 2 Equipes de recherche : – Equipe “ Géomécanique”  Etude des mécanismes d’érosion affectant les ouvrages : surverse, érosion interne –Equipe “ Analyse de risques”  Diagnostic, évaluation de la sécurité, analyse de risques, analyse statistique des données d’auscultation des barrages Expertise du parc de barrages et digues du ministère de l’écologie : –250 grands barrages –7 500 km de digues de protection contre les inondations

3 Marne-la-Vallée 24 janvier 20073 Contexte actuel du Génie Civil 1. Positionnement dans le cycle de vie de l’exploitation des ouvrages existants - optimisation de la maintenance - augmentation de la durabilité - développement durable 2. Transparence dans l’affichage des risques - préoccupation de la société - seuil du risque non acceptable en génie civil est très haut

4 Marne-la-Vallée 24 janvier 20074 L ’acceptation du risque par la société  Probabilité de 10 -6 / an de décès - fumer 1,4 cigarettes / jour - vivre 2 mois avec un fumeur - rouler 150 miles en voiture - voler 1000 miles en avion - vivre 20 ans près d’une usine de PVC - vivre 50 ans près d’une centrale nucléaire - analogue pour un grand barrage  Accidents liés aux barrages - Malpasset (1959) : 421 morts - Drac (1995) : 7 morts

5 Marne-la-Vallée 24 janvier 20075 Le risque en Génie Civil  Le risque est le thème majeur de la recherche et développement en Génie Civil - Travaux des laboratoires et établissements publics - les différents colloques - GIS MRGenCi : « Maîtrise des risques en Génie Civil »  Différentes approches selon les contextes - approches physiques  ponts, ouvrages d’art, bâtiment - approche « Sûreté de Fonctionnement »  nucléaire - approche par les statistiques  réseaux, routes - approche par l ’expertise  ouvrages anciens

6 Marne-la-Vallée 24 janvier 20076 Le risque en génie civil Plan de l’exposé 1. Les principaux concepts du risque 2. Les approches physiques 3. Les approches « Sûreté de Fonctionnement » 4. Les approches par les statistiques 5. Les approches expertes Support de cours : Peyras L., Boissier D., Royet P., « Approches de l’analyse de risques en génie civil : exemple des barrages », Revue Française de Génie Civil, décembre 2004

7 Marne-la-Vallée 24 janvier 20077 Processus général de gestion du risque GESTION DU RISQUE EVALUTATION DU RISQUE Principes / recommandations sociaux et politiques Règles d’évaluation des risques ANALYSE DE RISQUES Identification/définition des dangers Estimation des conséquences Estimation du risque Estimation des probabilités Identification des modes de défaillance

8 Marne-la-Vallée 24 janvier 20078 Le concept de RISQUE  Différentes acceptions et confusions du concept de RISQUE en Génie Civil  Concept sans ambiguïté dans l’industrie : - association de deux entités : probabilité et conséquences [Leroy, 92] - mesure d ’un potentiel de conséquences [Londiche, 90] - mesure d ’un niveau de danger [Modarres, 93] « le risque est une mesure d’un danger associant une mesure de l’occurrence d’un événement indésirable et une mesure de ses effets et conséquences » [Villemeur, 88], [Crémona, 03]

9 Marne-la-Vallée 24 janvier 20079 Le concept de RISQUE - suite  Mesure de l’occurrence d’un événement indésirable - probabilité d’apparition du danger (sur une période R)  approche quantitative probabiliste - fréquences ou taux de défaillance du système  approche quantitative fréquentielle - classes de possibilité d’apparition du danger  approche quantitative déclarative  Mesures de ses effets et conséquences - coût humain, économique, environnemental - estimations qualitatives de la gravité des effets

10 Marne-la-Vallée 24 janvier 200710 Expression du RISQUE  Multiplication de la mesure d’occurrence et de la mesure des conséquences RISQUE = PROBABILITE x CONSEQUENCE  coût / unité de temps : [Euros / an] ou [mort / an]  Plan fréquence/gravité (ou probabilité/gravité) [Farmer,67]

11 Marne-la-Vallée 24 janvier 200711 L’analyse de risques  L’analyse de risques consiste à répondre aux 3 questions suivantes : [Kaplan, 97] 1. Qu ’est-ce qui peut conduire à des situations de danger ?  scénarios S i pouvant conduire à une défaillance 2. Quelles sont les chances pour que ces situations se produisent ?  mesure d’occurrence P i des scénarios S i 3. Si elles se produisent, à quelles conséquences doit-on s’attendre ?  mesure des conséquences C i associées aux scénarios S i  L’analyse de risques consiste à évaluer le risque R  R = [Modarres, 93]

12 Marne-la-Vallée 24 janvier 200712 instant T d’observation diagnostic analyse de risques Performance d’un ouvrage axe de vie de l’ouvrage [temps] t 0 : mise en service

13 Marne-la-Vallée 24 janvier 200713 Analyse de risques en Génie Civil modélisation physique - modélisation des processus - équations régissant les phénomènes modélisation fonctionnelle (SdF) - analyse fonctionnelle et des défaillances - mesure de la sûreté de fonctionnement analyse statistique - corrélations entre les défaillances et les symptômes expertise - connaissance de l ’expert - expérience de l ’expert

14 Marne-la-Vallée 24 janvier 200714 Analyse de risques par approche physique  Approche traditionnelle en génie civil : - ponts, ouvrages d’art, bâtiments, barrages & digues  Modélisation des mécanismes et des lois de comportements - modèles d’états-limites - modèles d’analyse du comportement  risque structural de rupture, sécurité structurale  Développement important par le calcul & la simulation numériques

15 Marne-la-Vallée 24 janvier 200715 Analyse de risques par approche physique  Evaluation des déplacements, contraintes  déterminer les sollicitations qui conduisent à un état-limite  évaluer l’occurrence de ces sollicitations qui conduisent aux EL

16 Marne-la-Vallée 24 janvier 200716 Modèles d ’états-limites Sécurité structurale  Analyse de la sécurité d’un ouvrage vis-à-vis d’un phénomène préjudiciable  niveau de sécurité / Etat-Limite - ELS : pertes de fonctionnalité - ELU : mode de ruine, perte d’équilibre statique  Approche déterministe   F i ) R) < p f, adm  Approche semi-probabiliste   F i /  F ) <  d. R /  m

17 Marne-la-Vallée 24 janvier 200717 Modèles d’états-limites Justification semi-probabiliste  ELU de mobilisation de la capacité portante  Fascicule 62 titre V

18 Marne-la-Vallée 24 janvier 200718 Synthèse de l ’analyse de risques par modélisation physique  Analyse de la sécurité structurale d’un ouvrage - résultats de grande précision - propre à chaque ouvrage - coût élevé selon la complexité de la structure  Evaluation du niveau de sécurité / EL - modèles d ’états-limites  Prévision du comportement et de ses effets - dans le temps - sous l ’effet d ’un niveau de sollicitations  Approches déterministe, semi-probabiliste, parfois probabiliste

19 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 19 Analyse de risques par la Sûreté de Fonctionnement  Sûreté de Fonctionnement issue de l ’industrie à risque technologique : « la science des défaillances »  étude et modélisation des défaillances d ’un système  évaluation de la sûreté de fonctionnement : fiabilité - probabilité de rupture  Génie Civil du nucléaire, l’offshore  Domaine des barrages  pays nord-européens, nord américains, Australie

20 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 20 Analyse de risques par la Sûreté de Fonctionnement quelle est sa probabilité de rupture ? quelle est sa sûreté de fonctionnnement ? c’est-à-dire sa fiabilité analyse des scénarios de rupture –surverse, érosion interne, glissement, etc. analyse des aléas –hydrologie, séismes, glissements de terrains, etc. analyse de l’erreur humaine –exploitation, vandalisme, terrorisme

21 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 21  Synthèse / Propositions / Améliorations  Evaluation de la sûreté de fonctionnement  probabilité d’occurrence des scénarios et conséquences  Evaluation de la sûreté de fonctionnement  probabilité d’occurrence des scénarios et conséquences  Analyse des modes de défaillance  recherche des défaillances du barrage et de ses composants  Analyse des modes de défaillance  recherche des défaillances du barrage et de ses composants Méthodologie d’une étude de sûreté de fonctionnement  Analyse fonctionnelle  structuration du barrage et ses composants, analyse des fonctions  Analyse fonctionnelle  structuration du barrage et ses composants, analyse des fonctions

22 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 22  Analyse fonctionnelle  description précise du système et de ses composants  les fonctions du système et ses composants

23 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 23  Analyse des modes de défaillance  Recherche des défaillances du système  analyse des dysfonctionnements  Les méthodes d’analyse des défaillances : - AMDE : Analyse des Modes de Défaillance et de leurs Effets - Méthode des Arbres d’Evénements - Méthode des Arbres de Causes  les scénarios de défaillance du système

24 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 24 Méthode AMDE (AMDEC)  Analyse des modes de défaillance, leurs causes et de leurs effets

25 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 25 Méthode des Arbres d’Evénements  Analyse inductive des défaillances Séisme (0,22-0,3g / M6,25-6,5) Fréquence annuelle : 10 -5 / an Vannes de l’évacuateur de crues fermées et non manœuvrables Vannes de l’évacuateur de crues manœuvrables Perte de contrôle du niveau de la retenue Maintien du contrôle du niveau de la retenue Rupture du barrage par surverse Surverse du barrage sans rupture

26 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 26  Mesure de la sûreté de fonctionnement

27 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 27  Mesure de la sûreté de fonctionnement  Evaluation des probabilités - Sécurité structurale  Approche mécaniste - Défaillances technologiques  Approche fréquentielle - Hydrologie, aléa natrurel  Approche probabiliste - Erreurs humaines  Approche basée sur le jugement expert  probabilités subjectives d ’occurrence d ’un scénario

28 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 28  Synthèse / Propositions / Améliorations  Intérêts - scénarios et composants critiques - priorisation des travaux d’amélioration - optimisation de la maintenance  Limite des études de sûreté de fonctionnement - probabilité subjective, non valable hors contexte - réservé à des cas particuliers, coût élevé BarrageHydrologie, p h scénario de surverse Séisme, p s scénario de liquéfaction Erosion Interne, p e scénario de renard Total, p f Barrage 11,2. 10 -6 1,1. 10 -5 5,5. 10 -4 5,6. 10 -4 Barrage 2 4,0. 10 -4 1,5. 10 -6 5,0. 10 -5 4,5. 10 -4 Barrage 31,0. 10 -7 2,0. 10 -7 6,0. 10 -6 6,3. 10 -6

29 Marne-la-Vallée 24 janvier 200729 Analyse de risques par les statistiques  Ouvrages à grands linéaires  réseaux enterrés (assainissement, AEP) [Laffréchine, 99]  routes [Courilleau, 77]  Corrélations entre la performance du système et des facteurs explicatifs : - âge, l ’environnement, composition  Le processus de défaillance devient un processus statistique - distribution statistique des performances de l ’ouvrage - fonction statistique de vieillissement

30 Marne-la-Vallée 24 janvier 200730 Analyse de risques par les statistiques - suite  Traitement statistique des données d ’auscultation des ouvrages de Génie Civil  les barrages  Les données brutes sont difficiles à interpréter  Corrélations entre les mesures d ’auscultation et des facteurs explicatifs : - piézométrie, pression, débit, déplacements… - le temps, les saisons, le niveau de la retenue  dérive des mesures au cours du temps (mesures à conditions constantes)

31 Marne-la-Vallée 24 janvier 200731 Analyse de risques par les statistiques - suite

32 Marne-la-Vallée 24 janvier 200732 Analyse de risques par les statistiques Effet T (m)   Temps 98992000  analyse de risques puissante et précise, pour l ’analyse du comportement vis-à-vis des mécanismes irréversibles

33 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 33 Analyse de risques par expertise  Base de l’expertise : la connaissance et le retour d’expérience  raisonnement par analogie de l’expert pour l’analyse de risques  évaluation experte du temps nécessaire pour les défaillances et leurs conséquences

34 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 34 Analyse de risques par expertise  Parc d ’ouvrages hétérogènes, structures mal connues, données peu abondantes - les barrages, ouvrages de la SNCF  L’expertise intervient dans les autres approches physique, Sûreté de Fonctionnement et statistiques  validation des modèles, des résultats

35 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 35 Analyse de risques par expertise  L ’analyse de risques par expertise pure - basée sur les seules connaissances et retour d ’expérience de l ’expert - basée sur les examens de données de terrain et de l ’inspection visuelle  analyse de risques de premier ordre de grandeur  analyse de risques rapide, en situation d ’urgence  Outils d ’aide à l ’analyse de risques par expertise - barrages, digues  base de connaissances sur les mécanismes  base de données de retour d ’expérience

36 Marne-la-Vallée 24 janvier 2007 36 4  Formalisation de l’analyse de risques par expertise  Outils d ’aide à l ’expertise

37 Marne-la-Vallée 24 janvier 200737 Synthèse  Différentes disciplines pour l ’analyse de risques, dans l ’industrie comme en Génie Civil : - approches physiques - approches fonctionnelles par la SdF - approches statistiques - approches expertes  Les données disponibles  La précision de l ’analyse  Les mesures de sûreté de fonctionnement : - fiabilistes ou déclaratives