Gestion durable de l’environnement bâti par l’extension de la durée de vie
Prof. dr. ir. Robby Caspeele, Laboratoire Magnel-Vandepitte, Département des Constructions et Matériaux de Construction, Université de Gand
L’évaluation, la réparation et la modernisation des structures existantes constituent une part importante des activités actuelles dans le secteur de la construction. Cela s’explique notamment par le fait qu’environ 69 % de l’environnement bâti date d’avant 1981 et que 28 % remonte même avant 1945. La Fédération Européenne de l’Industrie de la Construction (FIEC, données 2023) indique qu’environ 30 % des activités de construction sont liées à l’entretien et à la réparation des structures, ce qui représente environ 500 milliards d’euros par an en Europe. L’évaluation et la réparation adéquates des structures prennent de plus en plus d’importance, car l’extension de la durée de vie des structures, avec ou sans mesures de réparation ou de modernisation, contribue de manière significative à l’objectif mondial de gestion durable de l’environnement bâti. La solution la plus durable pour les structures existantes – à condition qu’elles continuent de répondre aux exigences en matière de sécurité et de gestion économique – est de les exploiter aussi longtemps que possible plutôt que de les démolir et de les reconstruire, à moins que des impératifs de sécurité, de rentabilité ou d’exploitation ne l’exigent.
L’évaluation, la réparation et la modernisation des structures existantes constituent une part importante des activités actuelles dans le secteur de la construction. Cela s’explique notamment par le fait qu’environ 69 % de l’environnement bâti date d’avant 1981 et que 28 % remonte même avant 1945. La Fédération Européenne de l’Industrie de la Construction (FIEC, données 2023) indique qu’environ 30 % des activités de construction sont liées à l’entretien et à la réparation des structures, ce qui représente environ 500 milliards d’euros par an en Europe. L’évaluation et la réparation adéquates des structures prennent de plus en plus d’importance, car l’extension de la durée de vie des structures, avec ou sans mesures de réparation ou de modernisation, contribue de manière significative à l’objectif mondial de gestion durable de l’environnement bâti. La solution la plus durable pour les structures existantes – à condition qu’elles continuent de répondre aux exigences en matière de sécurité et de gestion économique – est de les exploiter aussi longtemps que possible plutôt que de les démolir et de les reconstruire, à moins que des impératifs de sécurité, de rentabilité ou d’exploitation ne l’exigent.
Cependant, l’évaluation des structures existantes se heurte encore à des préjugés et à des défis. Il est souvent admis que les structures ayant dépassé leur durée de vie initialement prévue posent un problème en termes d’exploitation. Or, cette durée de vie prévue est une estimation théorique durant laquelle la norme suppose que la structure peut remplir sa fonction sans nécessiter de maintenance ou de réparation significative. Compte tenu des exigences actuelles en matière de durabilité dans la conception, cette durée de vie prévue est une sous-estimation prudente de la durée de vie effective de la structure du point de vue de la sécurité. La durée de vie réelle est déterminée par le moment où la charge (l’offre, S) dépasse la résistance (la demande, R).
Cette durée de vie réelle n’est pas un chiffre exact mais est sujette à des incertitudes résultant des variations de densité du béton, de l’enrobage, de l’exposition au CO2 ou aux chlorures, de la composition du béton, etc., et peut donc être décrite de manière probabiliste (cf. fig. 1). En raison des incertitudes, la durée de vie réelle est très variable et, conventionnellement, une valeur conservatrice pour la dépassivation de l’acier d’armature est présupposée dans la conception afin d’éviter les problèmes de corrosion. La durée de vie attendue (moyenne) – lorsqu’elle est conçue correctement – est nettement supérieure à la durée de vie prédéterminée.
Souvent, la détermination de la durée de vie des structures commence par examiner la corrosion induite par la carbonatation et les chlorures, en raison de la nature répandue de ces problèmes. Cependant, d’autres phénomènes de dégradation, tels que la fatigue, la résistance au gel/dégel, la réaction alcali-silice, l’attaque acide, etc., peuvent également jouer un rôle déterminant dans la durée de vie d’une structure.
Au cours des dernières décennies, de nombreuses techniques de calcul ont été développées pour, par exemple, déterminer la période d’initiation de la corrosion dans le béton par pénétration de chlorures ou carbonatation. Cette période est liée à la disparition de la couche passivante d’oxyde de fer sur l’armature en raison de la pénétration de chlorures ou de la carbonatation (dépassivation) (cf. fig. 2). Elle est généralement quantifiée en déterminant le temps nécessaire pour atteindre une teneur critique en chlorures à proximité de l’armature ou pour que le front de carbonatation atteigne l’armature. Cette phase d’initiation n’est pas directement nuisible pour la structure en béton, mais marque le début du processus de corrosion. Le fib Bulletin 34 [2], ainsi que le récent fib Model Code 2020 [3], proposent des directives techniques pour déterminer la durée de vie liée à l’initiation de la corrosion. Selon la composition du béton, le design de la section en béton et l’exécution des travaux, la période d’initiation de la corrosion peut différer considérablement de la valeur théorique prévue.
Ces dernières décennies, des modèles internationaux ont également été développés pour la phase de propagation de la corrosion, par exemple, ceux de Vereecken et al. [4] et le fib Model Code 2020 [3]. Durant cette phase de propagation, l’armature est affectée, ce qui peut entraîner des fissures dans le béton, des éclatements, et une diminution de la capacité portante de la structure, pouvant aller, dans des cas extrêmes, jusqu’à l’effondrement de l’élément ou de la structure (cf. fig. 2). Si ces modèles sont complétés par des données de mesure, il est possible d’estimer l’évolution de la corrosion dans le temps, même lorsque des signes de corrosion sont déjà visibles. Cela peut ensuite être pris en compte pour évaluer la résistance et son évolution au fil du temps, afin de déterminer le moment où la durée de vie prend fin du point de vue structurel.
En plus de la modélisation des dommages, des directives techniques ont été développées depuis 2010 pour évaluer la résistance selon une approche proche de celle utilisée pour les vérifications lors de la conception, avec des facteurs partiels. Cependant, le format de sécurité utilisé pour la conception des nouvelles structures doit être ajusté sur deux points : le niveau de sécurité à appliquer et les facteurs de sécurité (facteurs partiels).
Un niveau de sécurité réduit est recommandé pour l’évaluation des structures existantes, car le niveau de sécurité fixé dans les Eurocodes pour les nouvelles constructions repose sur des considérations économiques, et les interventions sur les structures existantes sont généralement plus coûteuses que les ajustements de conception. Néanmoins, le niveau de sécurité réduit doit rester supérieur à un niveau minimum requis pour garantir la sécurité des personnes (cf. fib Bulletin 80 [5] et fib Model Code 2020 [3]). Cela a conduit à une proposition internationale concernant le niveau de sécurité pour les structures en béton existantes, comme illustré dans le Tableau 1, avec des indices de fiabilité conformes aux valeurs de référence décrites dans l’ISO 2394 [6] et le JCSS Probabilistic Model Code [7]. Ces valeurs sont utilisées pour des évaluations basées sur une période de référence d’un an, car l’évaluation des structures existantes se fait généralement chaque année pendant la dernière année de leur durée de vie résiduelle prévue. L’indice de fiabilité reflète le degré de sécurité structurelle et est lié à la probabilité de survie pendant une période donnée. Un indice de fiabilité élevé correspond à une faible probabilité de défaillance. Pour les structures existantes, les coûts pour atteindre un niveau de fiabilité plus élevé sont généralement élevés par rapport aux nouvelles structures, ce qui justifie un niveau de sécurité inférieur dans certaines conditions. Lors de l’examen des structures existantes, les indices de fiabilité du Tableau 1 peuvent donc être utilisés en fonction du coût relatif élevé des mesures de sécurité possibles. À titre d’information, les valeurs indicatives pour les nouvelles structures sont également indiquées dans le Tableau 2, sur la base d’un examen sur une période de référence de 50 ans.
Outre l’ajustement des valeurs de référence pour le niveau de sécurité, les facteurs partiels utilisés pour les calculs de vérification des structures existantes doivent également être adaptés. En effet, ceux-ci devraient être pris en compte lors de la révision des structures existantes :
Le niveau de sécurité alternatif ;
- Une période de référence différente (pour les structures existantes, l’évaluation est effectuée chaque année pendant la dernière année de leur durée de vie résiduelle prévue, en tenant compte, si nécessaire, du processus de corrosion) ;
- La durée de vie résiduelle prévue ;
- Des informations supplémentaires issues d’essais et d’observations permettant une meilleure évaluation des incertitudes liées aux propriétés des matériaux et aux charges.
- Les directives techniques expliquant comment ajuster ces facteurs partiels sont décrites dans le fib Bulletin 80 [5] et le fib Model Code 2020 [3]. Les recommandations les plus récentes à ce sujet dans le fib Model Code 2020 [3] sont clairement résumées par Caspeele & Van Den Hende [9].
En outre, des méthodes plus avancées sont développées, qui permettent, sur la base de méthodes statistiques (méthodes de mise à jour dites bayésiennes), de traduire les informations basées sur les inspections, les tests, le suivi, etc. en une prédiction plus adéquate de la durée de vie structurelle des structures (cf. Caspeele & Botte [10]). Le projet FWO-SBO lifeMACS actuellement en cours (cf. site web www.lifeMACS.be) tente notamment de promouvoir cette approche en Flandre (et au niveau international).
En résumé, nous sommes à l’aube d’une révolution dans notre domaine. De plus en plus, les possibilités d’exploitation prolongée des structures existantes au-delà de leur durée de vie théorique sont étudiées, pour autant que leur sécurité soit vérifiée et, le cas échéant, renforcée par des inspections et des essais supplémentaires. Cette évolution, extrêmement responsable d’un point de vue de durabilité, s’appuie désormais sur de nombreuses directives techniques développées ces dernières années. La révolution est en marche et prête à être adoptée par le secteur de la construction.
Références
[1] DuraCrete: Probabilistic Performance base Durability Design of Concrete Structures.
Report: General Guidelines for Durability Design and Redesign. Document BE95-1347/R15. February 2000.
[2] fib Bulletin 34: Model Code for Service life design. Technical Recommendation. 2006, ISBN 2-88394-074-6.
[3] fib Model Code for Concrete Structures 2020 (MC2020). Model Code. 2024, ISBN 978-2-88394-175-5.
[4] Vereecken, E., Botte, W., Lombaert G. & Caspeele, R. (2021) Assessment of corroded prestressed and post-tensioned concrete structures: a review. Structural Concrete. 2021;22:2556-2580.
[5] fib Bulletin 80: Partial factor methods for existing concrete structures.
Technical Recommendation. 2016, ISBN 978-2-88394-120-5.
[6] ISO 2394:2015. General principles on reliability for structures. International Organization for Standardization.
[7] JCSS probabilistic model code. Joint Committee on Structural Safety, JCSS (2001).
https://www.jcss-lc.org/jcss-probabilistic-model-code/.
[8] NBN EN 1990:2002+A1:2006 + ANB:2013 – Eurocode – Basis of structural design.[9] Caspeele, R. & Van Den Hende, K. (2023) Validation of the harmonized partial factor method for design and assessment of concrete structures as proposed for fib Model Code 2020. Structural Concrete. 2023;24(4):4368–76.
[10] Caspeele, R. & Botte, W. (2023) Bayesian assessment of existing concrete structures: exploiting the full power of combined information. In F. Biondini & D. M. Frangopol (Eds.), Life-cycle of structures and infrastructure systems : proceedings of the Eight International Symposium on Life-cycle Civil Engineering (IALCCE 2023), pp. 57–68.
