Prise en compte de l'incertain dans le dimensionnement des ouvrages de génie civil, conciliant sécurité et économie

Working with uncertainties in the design of civil engineering structures : how to accomodate reliability and economy

• Auteur / Autrice : Jean-Bernard Kovarik
• Direction : Laurent Gautron, Philippe Reiffsteck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 09/01/2024
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Sols, Roches et Ouvrages géotechniques - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, , de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Sols, Roches et Ouvrages géotechniques
• Jury : Président / Présidente : Xavier Chateau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Gautron, Philippe Reiffsteck, Jean-Michel Hiver, Anne Pantet, Catherine Jacquard, Lydie Pham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Hiver, Anne Pantet, Catherine Jacquard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travaux maritimes

Génie hydraulique

Évaluation du risque

Coefficient de sécurité en ingénierie

Eurocodes (normes)

Mots clés libres

Eurocodes

États-Limites

Coefficient de sécurité

Fiabilité

Analyse des risques

Eurocodes

Limit states

Factor of safety

Reliability

Risk analysis

Résumé

Le fil conducteur de mes travaux est le développement des formats de sécurité aptes à prendre en compte l’incertain, en ce qui concerne plus particulièrement les actions, les propriétés des matériaux et le comportement des structures, afin de dimensionner en bonne sécurité les ouvrages de génie civil tout en respectant l’équilibre économique du secteur de la construction. Le format semi-probabiliste aux états-limites des Eurocodes est la base de départ. J’explique comment depuis un quart de siècle, adossé à une communauté scientifique internationale, je cherche à l’adapter et à l’appliquer à divers types d’ouvrages en site aquatique (quais, barrages, digues…) et aux actions qu’ils subissent spécifiquement (houle et actions du milieu marin, efforts dus aux navires, charges d’exploitation portuaire). Je situe ce format semi-probabiliste à côté des autres méthodes (probabilistes, déterministes, socio-économiques), et j’expose les différentes natures de coefficients de sécurité qui en sont issues. Je replace le format des Eurocodes dans le cadre plus large des analyses de risques : ceci lui donne un sens assez original et manifeste une puissante efficacité pédagogique. La discussion sur la notion de risque admissible et les différentes approches par lesquelles se construit le consensus autour de celui-ci est croisée avec une présentation plus détaillée des méthodes de calage des coefficients partiels que j’ai mises au point et appliquées pour les quais, les barrages et les digues, toujours en recherchant un rapport équilibré entre sécurité et économie. Je relate à ce propos comment mon regard sur la prise en compte de l’incertain a été renouvelé par une réflexion collective sur les risques et incertitudes dans l’analyse économique coûts-avantages des projets publics d’investissement. Ma participation à l’enseignement, à l’animation scientifique, à l’effort de normalisation, illustre, prolonge et valorise ces travaux académiques. En particulier, j’expose les travaux qui ont permis de bâtir une méthode issue de la théorie statistique pour la détermination des valeurs caractéristiques des propriétés des sols et ceux qui ont complété une lacune dans la connaissance du comportement mécanique des gabions de palplanches. Je relate comment en utilisant les souplesses du format européen ont été définis les états-limites des ouvrages soumis aux actions hydrauliques (digues, barrages). Je rends compte du travail collaboratif que j’ai dirigé pour déterminer les coefficients de sécurité des quais et des barrages mobiles en rivière compatibles avec le format des Eurocodes ; et en particulier comment plusieurs coefficients de modèle (sur les actions et sur les résistances) ont été calés de manière à ce que les dimensionnements qui en résultent restent proches des dimensionnements antérieurs donnant satisfaction, tout en standardisant et homogénéisant les approches de calcul. J’indique également comment l’on a utilisé le concept mathématique puissant de période de retour pour définir directement la valeur de calcul de l’action de la houle sans passer par l’application d’un coefficient partiel à la valeur caractéristique. Des perspectives d’évolution consistent essentiellement à adapter les outils de prise en compte de l’incertain pour prendre en compte le dérèglement climatique. La non-stationnarité des lois de probabilité décrivant les phénomènes naturels ne peut plus être négligée. La prise en compte de l’incertain dans le génie civil va conduire à aborder d’autres formes d’incertitudes plus radicales, peu ou pas probabilisables, sur l’environnement et les fonctions des ouvrages de génie civil. Dès lors l’exigence de robustesse des Eurocodes devrait être complétée par une nouvelle exigence, plus vaste, de résilience

The common thread running through my work is the development of safety formats capable of taking uncertainties into account, particularly with regard to actions, material properties and structural behavior, in order to safely design civil engineering structures while respecting the economic balance of the construction sector. The semi-probabilistic limit-state format of the Eurocodes is the starting point. I explain how for a quarter of a century, with the support of an international scientific community, I have been seeking to adapt and apply this format to various types of marine and harbor structures (quays, dams, breakwaters, etc.) and the actions they are specifically subject to (swell and actions of the marine environment, forces due to ships, port operating loads). I situate this semi-probabilistic format alongside other methods (probabilistic, deterministic, socio-economic), and explain the different types of safety coefficients derived from it. I place the Eurocodes format within the broader framework of risk analysis: this gives it a rather original meaning and demonstrates its powerful pedagogical effectiveness. The discussion on the notion of admissible risk and the different approaches used to build consensus around it is intersected with a more detailed presentation of the partial coefficient calibration methods I have developed and applied for quays, dams and breakwaters, always seeking a balanced relationship between safety and economics. In this context, I explain how my approach to taking uncertainties into account has been renewed by a collective reflection on risks and uncertainties in the economic cost-benefit analysis of public investment projects. My involvement in teaching, scientific leadership and standardization efforts illustrates, extends and enhances this academic work.In particular, I describe the work that led to the development of a method based on statistical theory for determining the characteristic values of soil properties, and the work that filled a gap in the knowledge of the mechanical behavior of sheet-pile cofferdams. I describe how the flexibility of the European format was used to define the limit states of structures subject to hydraulic action (breakwaters, dams). I report on the collaborative work I led to determine safety coefficients for quays and mobile weirs in rivers compatible with the Eurocodes format; and in particular how several model coefficients (on actions and resistances) were calculated so that the resulting designs remained close to previous satisfactory designs, while standardizing and homogenizing calculation approaches. I also show how the powerful mathematical concept of the return period was used to directly define the design value for wave action, without having to apply a partial coefficient to the characteristic value.The outlook for future developments essentially involves adapting tools for dealing with uncertainty to take account of climate change. The non-stationarity of probability distributions describing natural phenomena can no longer be ignored. Taking uncertainties into account in civil engineering will mean tackling other, more radical forms of uncertainty, with little or no probabilistic background, concerning the environment and the functions of civil engineering structures. As a result, the robustness requirement of the Eurocodes would have to be supplemented by a new, broader requirement for resilience