Les études de conception

La conception des ouvrages d’art consiste à réaliser des études progressives et itératives visant à la définition des ouvrages répondant au mieux au programme élaboré par le maître d’ouvrage, dans le respect des normes et règles de l’art.

Cette approche nécessite de faire la synthèse des différentes données ou exigences de toutes natures : données fonctionnelles, données de site, exigences de conception, exigences en situation durable ou en cours d’exécution, en situations accidentelles, sismiques ou d’évènements climatiques exceptionnels, exigences de respect de l’environnement, exigences de protection contre le bruit, exigences de qualité architecturale, de coût et de délais, d’entretien et de gestion ou de durabilité.

Cette analyse nécessite de rassembler des compétences pluridisciplinaires (études géotechnique, hydraulique, structurale, architecturale, environnementale,…), généralement pilotées par un chef de projet ingénieur d’études.

Par référence à l’instruction technique sur l’élaboration des projets d’investissement et de gestion du réseau routier national et à la loi MOP, il est habituel de réaliser les phases d’étude suivantes :

  • EPOA (AVP) – Etudes préalables d’ouvrages d’Art consistant à recenser et analyser les données et exigences du programme et à définir les solutions y satisfaisant en vue de les comparer par une analyse multicritère et de retenir une ou deux solutions pour les études ultérieures (choix du parti).
  • POA (PRO) – Projet d’ouvrage d’Art consistant à étudier finement la ou les solutions retenues afin de dimensionner, justifier et dessiner l’ouvrage (tablier, appuis, fondations, superstructures) dans un détail suffisant pour estimer de manière fiable le coût de l’ouvrage.
  • DCE (ACT) : Dossier de consultation des entreprises. Cette étape consiste à définir les termes de contractualisation du marché de travaux et notamment à établir les pièces écrites techniques (CCTP, BPU, DE) et à contribuer à la rédaction des pièces administratives.
  • JO (ACT) : Assistance au jugement des offres : L’analyse technique des offres des entreprises vise à s’assurer de la conformité de l’offre au marché, à examiner les variantes et propositions techniques et apporter une assistance au maître d’œuvre en vue de l’attribution du marché. Cette phase peut comprendre l’assistance à la mise au point du marché.
  • CEE (VISA) : Le contrôle des études d’exécution consiste à contrôler les documents du projet d’exécution produits par l’entreprise (ou son bureau d’études). Cette mission consiste à examiner les plans, notes d’hypothèses et notes de calculs des ouvrages définitifs et provisoires pour assister le maître d’œuvre à viser ces documents.

D’autres modalités de conduite de projet sont possibles (conception réalisation, concours,…) mais elles recouvrent sensiblement les mêmes étapes d’études.

Ces différentes missions d’études sont réalisées en parallèle de missions qui peuvent également être remplies par le Cerema :

  • Recueil de données et études particulières : géotechnique, hydraulique principalement ;
  • Contrôle extérieur matériau : béton, armatures, charpente métalliques, précontrainte, équipements, anticorrosion,…

Les études de réhabilitation des ouvrages existants

La réhabilitation et l’adaptation du patrimoine existant d’infrastructures constituent des enjeux sociétaux, économiques et environnementaux majeurs pour l’Etat et les collectivités locales. La France dispose d’un patrimoine d’infrastructures considérable dont la qualité est un facteur important de son attractivité et de sa compétitivité. Mais c’est aussi un patrimoine vieillissant qui met les gestionnaires et la communauté technique face à des choix de maintenance et de réhabilitation.

La réhabilitation des ouvrages existants

La réhabilitation d’un ouvrage existant consiste généralement en une réparation ou un renforcement de la structure. L’objectif est de préserver ou rétablir partiellement ou totalement la fonction de cette structure voire d’améliorer ses niveaux de performance, par exemple pour permettre le passage de convois exceptionnels.

Les travaux sur ouvrages existants doivent être réalisés sous contraintes d’exploitation parfois sévères, ce qui détermine le choix de la technique de réparation mais aussi ses conditions de réalisation. En outre, chaque ouvrage a une histoire plus ou moins complexe liée à sa construction, son exploitation, son exposition aux conditions environnementales. Associée à la grande variété d’ouvrages, de procédés de construction, de matériaux, de trafic, chaque pont peut être considéré comme unique.

La démarche générale d’élaboration d’une réparation structurale est longue, délicate et fait appel à un grand nombre d’intervenants. La complexité provient principalement :

  • De la difficulté à parvenir, avec un coût et un délai raisonnable, à une connaissance suffisante de l’ouvrage tant pour l’évaluer que pour définir les réparations ;
  • De l’importance de connaître dans le détail, les moyens et méthodes des entreprises ;
  • De la difficulté à arbitrer les conditions d’exploitation à maintenir lors de l’exécution des travaux.

L’adaptation des ouvrages existants

L’adaptation d’un ouvrage existant consiste à modifier son usage. Elle peut revêtir suivant les cas la même complexité de conception qu’une réhabilitation et suit généralement les mêmes étapes d’études. Une attention particulière est à apporter aux justifications de l’aménagement lorsque le fonctionnement initial est significativement modifié.

L'adaptation d'un ouvrage existant peut par exemple consister en la réalisation d'aménagements tels que :

  • Élargissement structurel d'un ouvrage ;
  • Reconfiguration de la fonctionnalité d'un ouvrage existant (par exemple, permettre le passage d'un mode doux en site propre ou mixte de type bus à haut niveau de service, tramway ou piéton cycliste) ;
  • Modification substantielle des équipements comme par exemple l’implantation d'un écran anti-bruit en rive de tablier.

D'autres adaptations sont envisageables comme la modification du niveau de service (nombre de voies).

Dans ce contexte et dans la continuité des diagnostics préalables et des études d’évaluation structurales, le Cerema contribue à la réalisation des études à chaque stade du projet de réhabilitation jusqu’au suivi de sa mise en œuvre.

Au démarrage des études, la première étape consiste en une étude de faisabilité comparant les différents scénarios d’aménagement de l’ouvrage en vue d’une prise de décision du maître d’ouvrage. Cette première étape débouche sur la réduction du programme de l’opération. Les phases d’études suivantes sont alors sensiblement les mêmes que pour les études de conception.

Les différentes phases d’études en réhabilitation sont ainsi généralement les suivantes :

  • Détermination des objectifs de la réhabilitation et des scenarios ;
  • Mise au point du programme ;
  • Réalisation du projet ;
  • Mise au point du DCE ;
  • Jugement des offres ;
  • Mise au point du marché.

Au stade des travaux, les missions consistent à réaliser le contrôle extérieur des travaux et à assurer le contrôle des études d’exécution.

Domaine d’intervention du Cerema

Depuis de nombreuses années, le Cerema réalise des études de conception sur des ouvrages du réseau routier national (maîtrise d’ouvrage des DREAL), mais également de collectivités territoriales, à tous les phases d’études.

Ces études sont conduites en priorité sur des ouvrages à fort enjeux (technique ou financier) qui sont qualifiés d’ouvrages non courants. Il s’agit le plus souvent de grands ouvrages pour lesquels le Cerema (et à l’origine les CETE et le Sétra) ont fortement contribué au développement de la technique française de construction et de conception des ponts et des ouvrages de soutènement : grands ponts caissons en béton précontraint construits par encorbellement, à l’avancement ou poussés, grands ouvrages métalliques ou mixtes (caissons et bipoutres), dalles orthotropes, ouvrages exceptionnels en arc, bowstring ou ponts à câbles.

La conception des ouvrages plus modestes et plus courants est également complètement maîtrisée par le Cerema qui continue de développer des outils et guides relatifs aux ouvrages les plus classiques : ponts cadres et portiques, ponts dalles et dalles nervurées, ponts à poutres précontraintes, ponts à poutrelles enrobées, murs poids ou voile béton armé encastré sur semelle.

Le Cerema intervient également dans la conception expérimentale ou innovante d’ouvrages moins classiques : ponts en bois, ponts en BFUP, ponts en maçonnerie, ponts en composite.

Dans le domaine de la réhabilitation, le Cerema réalise des études sur des ouvrages complexes et stratégiques du réseau routier national (maîtrise d’ouvrage des DIR) et des collectivités territoriales. Les études peuvent concerner la réparation, le renforcement, l’élargissement, la modification des fonctionnalités ou encore la reconstruction d’ouvrages. Sur ce sujet de la réhabilitation des ouvrages existants, le Cerema contribue depuis de nombreuses années à l’établissement de méthodologies visant à aider le projeteur dans sa démarche de conception et à promouvoir des solutions innovantes.

Outre les ponts et les soutènements routiers, le Cerema intervient de manière similaire sur des passerelles piétonnes ou cyclistes et sur des ouvrages du domaine ferroviaire, fluvial ou maritime. Plus largement sa capacité d’études peut s’étendre à de nombreuses structures de génie civil.

Outils de calcul et modélisation des structures

Les études d’ouvrages d’art nécessitent d’appréhender le fonctionnement des structures par le calcul et de justifier l’intégrité de leurs éléments constitutifs (durabilité, résistance, fatigue, instabilité élastique) compte tenu du comportement complexe des matériaux (retrait, fluage, relaxation, non-linéarité, …)

A cette fin, le Cerema utilise des méthodes et techniques de calcul de structures qu’il a mises au point et mises en œuvre grâce à des outils logiciels qu’il a développés pour beaucoup.

L’ingénieur de structure maîtrise la résistance des matériaux et construit des modèles représentatifs du comportement des ouvrages par le biais de calculateurs à barres (ST1, PCP) ou de logiciels aux éléments finis (Cesar de l’Ifsttar, Code Aster, …) pour des comportements linéaires ou non linéaires en fonction du problème à étudier : ouvrages à câbles, études dynamiques des passerelles ou études sismiques, vieillissement des matériaux, …

Des outils spécialisés ont été développés par le Cerema pour répondre à des besoins plus courants :

  • Les outils de gestion ou de rédaction de marché technique :
    • Les logiciels de gestion de patrimoine
    • Les outils d’aide à la rédaction de DCE, neuf et réparation
  • Les outils de conception automatisés :
    • Les notes de calcul automatisés de dimensionnement aux Eurocodes de ponts types pour les ouvrages neufs de type cadres et portiques, ponts dalles armé ou précontraintes, ponts à poutres PRAD et poutrelles enrobées
    • Les notes de calculs automatisés aux ex règles françaises (diagnostic d’ouvrages existants)
  • Les logiciels de calcul Ouvrages d’Art :
    • Les logiciels généraux de calcul de structures
    • Les logiciels de dimensionnement des structures (Ponts mixtes, Mur, Voute, …)
    • Les logiciels de calculs spécifiques (Calcul Béton Armé, précontraint, Comportement matériaux, ..)
    • Les logiciels de calculs spécifiques (Calcul d’itinéraire de convoi, …)
  • Les outils pour l’analyse du cycle de vie des ouvrages et pour l’éco-comparaison des solutions projetées.