S’adapter au changement climatique, construire les infrastructures de demain, modéliser le territoire et l’environnement, prévenir les risques ?

Découvrez sur tous ces sujets quelques grands projets pilotes menés par des organismes du ministère (CERTU, CSTB, École des Ponts ParisTech, ENSG, IGN, IFSTTAR, SETRA) parties prenantes du pôle scientifique et technique Paris-Est :

Vers des bâtiments à énergie positive

Les ressources énergétiques s’amenuisent et leur coût augmente. Le ministère soutient et conduit avec le CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment) des expériences pilotes pour augmenter l’efficacité énergétique des bâtiments.

La demeure des carrières, une maison basse consommation

BASF, Logirep et le CSTB se sont associés dans un partenariat autour de la rénovation et la modernisation de logements sociaux, en particulier à l’occasion du chantier de réhabilitation de la Demeure des Carrières, à Fontenay-sous-Bois (Val-de-Marne).

Ce bâtiment "Génération E" (E comme Environnement, Economie, Energie et Equilibre) comporte 8 logements destinés à des foyers très modestes. L’architecture du bâtiment, typique d’une maison bourgeoise du début du 20e siècle, a été entièrement préservée notamment dans sa dimension décorative : moulures, corniches, marquise...

Grâce à des équipements et matériaux innovants, la consommation en énergie primaire (chauffage et ventilation) a été divisée par 8. Elle est aujourd’hui inférieure à 50 kWh/m2 de surface habitable par an, contre environ 400 KWh/m2 avant rénovation.

Quelques éléments techniques

• Création d’une isolation thermique extérieure de 20 centimètres d’épaisseur afin d’obtenir une meilleure efficacité thermique
• Installation de plaques de doublage plâtre intégrant des matériaux à changement de phase, dont le principe est de temporiser les variations de chaleur au-delà de son point de fusion (26°C) par liquéfaction de microcapsules de cire intégrées au plâtre
• Pose de bloc baie composite intégrant des menuiseries extérieures bois à double vitrage peu émissif et lame d’argon diminuant considérablement les ponts thermiques
• Réfection de la charpente et l’isolation interne de la couverture traditionnelle en zinc et brisis d’ardoise au moyen de caissons
• Installation d’une chaudière collective à condensation gaz distribuant le chauffage par plancher basse température et production d’eau chaude sanitaire collective.
• Création d’une ventilation mécanique contrôlée double flux à récupération de chaleur individuelle
• Mise en oeuvre d’éclairages basse consommation dans les parties communes.

Les locataires reçoivent des conseils pour bien utiliser les équipements mis à leur disposition et pour respecter les caractéristiques innovantes du bâtiment.

Pendant deux ans, les consommations d’énergie pour le chauffage, l’eau chaude et l’électricité sont mesurées. Pendant cette même période, des sociologues vérifient que les performances techniques se conjuguent bien avec un bon niveau de confort pour les habitants.

Dégâts causés aux bâtiments par la sécheresse : connaître les mécanismes pour anticiper

Par sa participation au projet ARGIC sur la connaissance et la modélisation des mécanismes qui provoquent les dégâts aux habitations en période de sécheresse, le ministère travaille à développer des moyens d’adaptation au changement climatique.

La sécheresse en France : un coût considérable

Bien que moins spectaculaires que les inondations, les dégâts engendrés par la sécheresse sur les constructions constituent le second poste d’indemnisation au titre des catastrophes naturelles après les inondations, avec un montant total de 3,3 G€ pour la période 1989-2002 (environ 40% du total). Le coût de la sécheresse de 2003 est certainement plus élevé. L’enjeu financier du problème est donc considérable.

Les dommages engendrés aux habitations

Ces phénomènes résultent de la capacité de certaines argiles dites plastiques à se rétracter sous l’effet d’une diminution de teneur en eau due à l’évaporation d’eau à la surface du sol ou à l’action des arbres proches des habitations (qui peuvent pomper jusqu’à 300 litres par jour). Du fait de déformations localisées, la rétraction du sol peut causer dans les habitations l’apparition de fissures centimétriques inclinées à 45°, en particulier aux coins des fenêtres qui constituent des points de faiblesse de la structure. Le coût de réparation des dégâts peut très rapidement dépasser celui de la construction elle-même.

Le projet de recherche ARGIC

Dans le cadre du projet ARGIC (analyse du retrait-gonflement et de ses incidences sur les constructions) conduit par conduit par le BRGM avec l’École des Ponts ParisTech, l’IFSTTAR, Météo-France et leurs partenaires, financé par l’ANR (Agence nationale de la recherche), le ministère étudie :

• la caractérisation des propriétés des sols sensibles au retrait-gonflement, au laboratoire et in-situ, avec trois sites expérimentaux ;
• la modélisation des mécanismes de propagation de la sécheresse dans les sols ;
• l’interaction entre le sol et la structure afin de mieux prévoir et réparer les désordres aux constructions, avec l’aide d’un bâtiment expérimental en grandeur réelle.

Les échanges d’eau résultant de l’évaporation dépendent de l’action cumulée dans le temps des conditions climatiques : radiations solaires, précipitations, variations d’humidité relatives, de température, du vent et, bien sûr, effets des arbres. Un autre aspect du problème concerne les interactions mécaniques entre le sol, déformable, et le bâtiment, beaucoup plus rigide.

Vers une nouvelle gestion des eaux pluviales urbaines

Le ministère finance des recherches visant à décrire avec précision les phénomènes de ruissellement en milieu urbain et leurs impacts. Ceci permet de mettre en évidence les choix urbanistiques qui minimisent les dégâts causés aux habitation et à l’environnement.

Chaque année des milliers d’hectares de sols naturels sont imperméabilisés en France pour répondre à la demande de développement urbain. Cette transformation induit une augmentation des volumes et des débits ruisselés lors des événements pluvieux. Il se produit alors non seulement une augmentation du risque d’inondation mais aussi une augmentation de la charge de pollution rejetée dans le milieu naturel.

Il s’agit donc d’imaginer, dans le tissu urbain, les lieux où il est possible de stocker ou d’infiltrer les eaux pluviales en s’efforçant que les équipements conçus s’intègrent parfaitement dans l’aménagement.

• Le ministère (École des Ponts ParisTech), avec l’aide de partenaires, travaille à la modélisation du phénomène : ruissellement à l’échelle d’une parcelle et conséquence sur le système d’assainissement, impact des solutions urbanistiques envisagées pour diminuer le débit des eaux.
• Il conçoit un outil d’aide à la décision pour faciliter la négociation entre les différents acteurs urbains sur la mise en oeuvre d’une gestion urbaine durable de l’eau.
• Il évalue les possibilités offertes par le croisement des expertises citoyennes et scientifiques pour favoriser la participation des associations à la décision publique.

Pour en savoir plus : enpc.fr/cereve

Recyclage de matériaux dans les infrastructures routières

L’IFSTTAR conduit des recherches dont l’objectif est l’économie en matériaux naturels non renouvelables, le développement de techniques de recyclage, l’utilisation de matériaux non conventionnels de sous-produits industriels, la réduction des déchets pour la construction et l’entretien d’ouvrages.

A partir d’une large collecte de données à l’échelle du territoire l’IFSTTAR a constitué un état des connaissances de produits utilisables dans les infrastructures routières, OFRIR (Observatoire français du recyclage dans les infrastructures routières).

Les maîtres d’oeuvre, maîtres d’ouvrage et entreprises en charge de construire ou d’entretenir les différents réseaux d’infrastructures routières disposent ainsi d’éléments d’aide à la réflexion ainsi que d’une présentation géographique précise à l’échelle communale des gisements disponibles et des chantiers répertoriés.

Pour en savoir plus : ofrir.lcpc.fr

Maintenance des routes : moins de transports de matériaux grâce aux granulats artificiels

Pour diminuer l’impact environnemental des travaux routiers et améliorer la sécurité de l’usager, le ministère a élaboré un substitut en béton aux granulats de bauxite calcinée, qui permettent de conférer une adhérence maximale aux chaussées.

Les granulats assurent le relief de la couche de roulement qui permet aux pneus d’adhérer à la chaussée. Pour certaines zones accidentogènes, on utilise des granulats à très haute adhérence, en bauxite calcinée. Mais ces granulats sont importés de Chine ou du Brésil et se raréfient.

L’IFSTTAR, en collaboration avec le groupe Colas, a développé des granulats artificiels à base de mortiers à hautes performances (composés de sable, de ciment, d’eau et d’adjuvants) concassés, pouvant se substituer aux granulats de bauxite. Ces granulats peuvent être élaborés à peu près partout en France, ce qui devrait permettre de continuer à assurer la sécurité des usagers de la route en réduisant le coût environnemental et économique de la ressource en granulats spéciaux.

Des chaussées urbaines... démontables !

Deux chaussées démontables : c’est ce qui a été réalisé dans le cadre d’expériences pilotes conduites par plusieurs organismes du réseau scientifique et technique du ministère et coordonnées par l’IFSTTAR en 2007/2008.

Outre la gêne pour les riverains et les usagers de la chaussée, les travaux sur la chaussée sont coûteux, causent de forts gaspillages de matériaux nobles et laissent des traces qui transforment la chaussée en un patchwork peu esthétique.

La démarche a consisté à inventer une chaussée démontable, réalisant le meilleur compromis fonctionnel, technique et économique intégrant l’acceptation sociale, réduisant les coûts d’exploitation et de maintenance pour l’ensemble des maîtres d’ouvrage, optimisant les investissements dans le cadre de la requalification des espaces urbains, d’une vision environnementale et de développement durable.

Le défi a été relevé à Saint-Aubin-lès-Elbeuf (76) et à Nantes (44).

Pour en savoir plus :
heberge.lcpc.fr/cud
saint-aubin-les-elbeuf.fr/

Promouvoir les ponts en bois

Construire en bois est économe en matières premières et donc plus respectueux de l’environnement que la construction classique. Le ministère encourage l’usage de ce matériau pour les ouvrages d’art.

Le bois, ressource naturelle renouvelable, à l’aspect chaleureux, s’intègre bien dans l’environnement et offre également l’avantage d’une grande facilité du point de vue du montage. La pérennité des structures en bois repose sur la qualité de l’entretien et sur le choix initial de bonnes dispositions constructives qui protègent ce matériau sensible, d’origine organique.

Le Sétra (Service d’études sur les transports les routes et leurs aménagements), dans un objectif d’extension du domaine d’emploi de cette technique, étudie la conception d’un ouvrage de type pont mixte à ossature en bois pour répondre aux besoins courants, depuis des travées courtes jusqu’à des franchissements de voirie autoroutière. Le guide qui en résultera a pour ambition d’éclairer les maîtres d’ouvrage dans leurs choix de ce matériau durable.

Pour en savoir plus : Guide technique : Les ponts en bois - Comment assurer leur durabilité’
sur le site dtrf.setra.developpement-durable.gouv.fr

De nouveaux concepts pour les infrastructures du futur

Afin de répondre aux grandes évolutions de notre société, (changement des modes de transports, rareté des ressources en matériaux, préoccupations écologiques...), le ministère mène des recherches en matière d’adaptation de nos infrastructures.

Le projet européen NR2C

L’IFSTTAR a participé au projet européen NR2C (New Road Construction Concepts) qui a développé de nouveaux concepts pour les infrastructures à l’horizon 2040 dans les domaines de l’urbain, de l’interurbain et des ouvrages d’art.

Une maquette en grandeur nature

Dans ce cadre, une structure innovante de 10 m de long a été assemblée, qui préfigure une solution crédible pour les ponts de demain. Cette structure prototype utilise au mieux les performances de divers matériaux (bois, tissus composites collés et béton fibrés à ultra-hautes performances), dans des conditions beaucoup moins consommatrices de matières premières non renouvelables que les solutions classiques.

Les essais de chargement de cette maquette à grande échelle ont démontré la validité d’une telle conception pour de futures dalles de pont associant au mieux les performances de matériaux légers et durables, en satisfaisant aux fonctionnalités d’un ouvrage routier, et ont mis en évidence les aspects devant faire encore l’objet d’optimisations.

Pour en savoir plus : http://nr2c.fehrl.org/

Détection des ruptures de câble en temps réel sur les ouvrages d’art

Grâce au système CASC, élaboré par l’IFSTTAR, les gestionnaires d’ouvrage sont avertis en temps réel des ruptures apparues dans la structure et peuvent prendre les décisions de conservation adéquates.

Le système CASC contribue à la détection et à la localisation des ruptures de fils se produisant dans les câbles des ouvrages d’art (multi-torons, haubans, câbles de précontrainte).

Une répartition régulière de capteurs CASC le long du câble permet de détecter et d’enregistrer l’onde élastique qui se produit et se propage lors de ruptures. Chaque capteur intègre un accéléromètre et une électronique intelligente (traitement de signal, processeur, datation à la micro-seconde, etc.) et communique via le WiFi avec un superviseur. Le gestionnaire de l’ouvrage peut être averti en temps réel des ruptures détectées et donc de l’état de l’ouvrage et prendre les décisions de conservation adéquates.

La nouvelle génération de ce système simplifie son usage et sa mise en ?uvre et intègre un potentiel orienté " traitement de signal " conséquent. 

Plus d’informations :

• lcpc.fr/fr/presentation/organigramme/div_macoa/
• lcpc.fr/fr/presentation/organigramme/div_mi/index.php

Contacts :

Qualité des transports guidés grâce à une maintenance raisonnée

Pour répondre à la demande des exploitants ferroviaires, l’IFSTTAR a mis au point des solutions basées sur la modélisation de l’état des infrastructures en phase statistique et des contraintes mécaniques expliquant la dégradation du rail. Les transports ferroviaires doivent proposer une haute qualité de service et une sécurité accrue des circulations tout en maintenant un coût du cycle de vie raisonnable. L’emploi de systèmes d’inspection couplés à des méthodes d’analyse et de diagnostic pertinents permet une politique de maintenance avancée, basée sur l’état réel et observé des dégradations.

3 volets pour un outil d’aide au diagnostic et à la maintenance conditionnelle d’un système complexe :

• Modèle de dégradation : La modélisation mathématique de l’état physique du système permet de suivre l’évolution de ses différents composants au cours du temps. Ce modèle traite les dégradations sous une forme probabiliste.

• Modèle de maintenance : Dans un second temps, il convient de déterminer la procédure de diagnostic mise en place pour le suivi des composants. En fonction des résultats de la campagne de diagnostic, chaque référentiel de maintenance préconise la mise en oeuvre d’une action adaptée à la situation. Lorsqu’une action de maintenance est effectuée, l’état du système doit alors être remis à jour.

• Optimisation : Le diagnostic et la maintenance du système étant caractérisés et chaque action ayant un coût donné, la dernière phase consiste alors à déterminer les valeurs de paramètres optimisant une fonction de coût, mixant disponibilité du système, sécurité, gains financiers, qualité de service.

Application au cas d’un rail

Modèle de dégradation : Partant d’un état neuf et en connaissant le contexte d’exploitation de la voie (fréquence, charge, courbe, profil...), le modèle permet de déterminer, au cours du temps, la probabilité que le système soit toujours sans défaut. Dans le cas contraire, il est alors nécessaire de déterminer, parmi une liste de défauts prédéfinie, dans quel état de détérioration se trouve le système.

Modèle de maintenance : La modélisation porte sur les auscultations périodiques (par les véhicules ultrason, les parcoureurs à pieds...) et sur le comportement d’organes de surveillance fonctionnant en permanence, tels que les circuits de voie Les actions de maintenance peuvent être le renouvellement du rail ou son meulage.

Pour en savoir plus : inrets-ltn

Modélisation 3D des villes

L’IGN travaille à des outils de reconstruction automatique des modèles 3D de bâtiments et de villes à partir d’images aériennes ou satellites. Le but est de disposer d’une description volumique des bâtiments, à l’échelle d’une ville entière. Cette représentation virtuelle, tout à fait réaliste des milieux urbains, permet de mettre en oeuvre ensuite des applications de simulation et de représenter des scénarios d’aménagement urbain.

Bati3D® : une solution opérationnelle pour modéliser les villes.

Les données BATI3D® fournissent aujourd’hui un socle de base pour la représentation virtuelle des villes. Chaque bâtiment est reconstruit automatiquement en 3D, à partir d’une base de données 2D existante. Cette opération nécessite d’intégrer automatisation, données exogènes et interventions humaines.

A partir d’images aériennes optiques, on procède à la détection et l’extraction automatiques des éléments structurants. Puis l’outil permet de reconstruire les façades des bâtiments et d’aboutir ainsi à une représentation 3D de la ville, l’IGN met au point et développe, pour les prises de vues aériennes, ses propres caméras numériques.

Stéréopolis : une solution de recherche pour l’acquisition de données terrestres

La plate-forme de numérisation terrestre mobile Stéréopolis est destinée à l’acquisition automatique d’imagerie 3D géo-référencée dans les canyons urbains. Il s’agit d’un véhicule équipé d’un ensemble de caméras et de lasers à balayage qui, en parcourant les rues d’un territoire, permet d’en réaliser une reconstitution 3D avec les détails de mobilier, voirie, édifices remarquables, etc.

Cette plate-forme pourrait également, dans l’avenir, permettre d’accueillir d’autres types de capteurs, par exemple des caméras infra-rouge thermiques pour des applications de bilan d’isolation thermique sur des façades.

En savoir plus : IGN

Bientôt l’ensemble du littoral français en 3D !

L’IGN (Institut géographique national) et le SHOM (Service hydrographique et océanographique de la marine) se sont associés pour réaliser une cartographie du littoral, dans le le cadre du projet Litto3D. Il s’agit d’une modélisation fine du relief, sur une bande allant de 10 m au-dessous à 10 m au-dessus du niveau de la mer.

Le projet Litto3D est un outil pour permettre la gestion optimale du littoral dans de nombreux domaines publics :

• la protection du littoral, évolution du trait de côte sous l’effet de l’érosion, protection du domaine côtier notamment des parcs naturels marins, protection de la faune et de la flore ;
• la prévention des risques, inondations, pollution, catastrophes naturelles ;
• l’aménagement portuaire, touristique ou industriel ;
• l’exploitation des ressources vivantes et minérales ;
• les besoins militaires.

La première phase du projet Litto3D© consiste à valoriser et diffuser les données existantes. À partir de ces informations, une base de données historiques, Histolitt, est constituée.

La deuxième phase consiste à construire un modèle altimétrique sur l’ensemble des côtes. Un démonstrateur a été réalisé sur une zone restreinte. Une première mission de laser aéroporté (topographique et bathymétrique) a été effectuée. Des levées hydrographiques (sondeur multi-faisceaux) ont été réalisées en complément, qui ont permis de produire un modèle numérique altimétrique continu entre la terre et la mer, de précision décimétrique et de résolution métrique.

L’approfondissement et la généralisation de ces techniques à l’ensemble des côtes de France et des départements d’outre-mer permettra de constituer un modèle altimétrique dense et précis. Combinée au modèle de marée du SHOM, cette information constitue la composante géométrique du référentiel géographique du littoral.

Les fonds sous-marins du golfe du Morbihan sont accessibles sur internet ! Tentez une découverte sous-marine du littoral de cette région sur le site du géoportail

Voir les bruits qui nous entourent...

Le logiciel de cartographie acoustique Mithra-SIG a été conçu pour calculer la carte de bruit d’une commune entière en une seule fois. Il intègre le bruit routier, ferroviaire et industriel. Il permet de calculer et de visualiser des cartes horizontales 2D et des cartes 3D de récepteurs sur façades. Il permet aussi de calculer le niveau de bruit ambiant pour un récepteur particulier. Grâce à cet outil, on peut facilement estimer le nombre d’habitants et de logements touchés pour chaque niveau de bruit. 

La collaboration du CSTB avec la ville de Cannes a permis de réaliser une maquette 3D de la ville pour aider le processus de conception des futurs projets architecturaux, urbains ou d’infrastructures de transport et apprécier leur insertion dans le site (nuisances sonores, incidences sur le trafic, pollution...) 

Pour une navigation virtuelle dans la ville, rendez-vous sur : ville de Cannes

Modélisation de la qualité de l’air

Grâce à la modélisation, il est possible d’apprécier l’impact des politiques d’aménagement du territoire et leur effet sur la concentration des polluants atmosphériques liés aux activités humaines.

Polluants atmosphériques et normes sanitaires

Les polluants atmosphériques se trouvent sous forme gazeuse (ozone, oxyde d’azote...) ou particulaire (PM10, masse totale de particules de diamètre inférieur à 10 µm). Ils sont dans leur grande majorité anthropiques, c’est à dire produits par des activités humaines. Ainsi, les grands zones urbaines et les grands sites industriels sont les principales sources de polluants atmosphériques. Des normes sanitaires fixent des seuils maximums de concentration : l’objectif pour l’ozone, par exemple, est de ne pas dépasser 120 µg/m3 en moyenne sur 8 heures.

Le processus de formation de certains polluants atmosphériques étant très complexe, les mesures de lutte contre la pollution nécessitent une grande vigilance. S’il est impossible de supprimer totalement cette pollution, car les centres urbains et industriels sont nécessaires à l’activité économique et à notre mode de vie, il est possible de minorer les nuisances par des politiques d’urbanisme et d’aménagement du territoire.

Comprendre et prévoir la diffusion des polluants dans l’atmosphère

Le CEREA (Centre d’enseignement et de recherche en environnement atmosphérique) a mis au point un modèle chimie-transports qui simule de façon déterministe les processus physico-chimiques gouvernant la dispersion des polluants dans l’atmosphère, à partir des données d’émissions et des données météorologiques. Ces travaux sont réalisés grâce à la plate-forme de calcul Polyphemus. La modélisation pour la prévision de la qualité de l’air permet de représenter et de surveiller les concentrations des polluants atmosphériques. Elle deviendra à terme une aide à la décision pour les choix en matière d’aménagement et la lutte contre la pollution.

Prévention des éboulements à La Réunion

La route littorale au nord de l’île de La Réunion, vitale pour l’activité de l’île, est située en bordure d’une falaise qui présente des risques d’effondrement réguliers. Grâce à un travail de photographie très poussé, mené par des experts du ministère, il a été possible de déterminer l’évolution probable de la falaise et de mettre en place une stratégie pour décaler la route et la protéger des éboulements à venir.

La falaise qui domine la route littorale, sur 12 km entre Saint-Denis et La Possession, est connue pour produire de nombreuses chutes de pierres et pour s’effondrer de façon plus nette tous les 25 ans environ. La protection de la route contre les chutes de pierres et de rochers est assurée par près de 700 000 m2 de filets métalliques, qui empêchent les blocs de rebondir loin de la falaise.

Un accident naturel majeur qui risque de causer la paralysie de l’île

Le 26 mars 2006, à 6 h du matin, l’île de La Réunion a été touchée par un éboulement de grande masse de la falaise littorale. Bilan : deux morts sous les rochers et près d’un mois de fermeture d’une route essentielle pour la vie de l’île.

Des experts de l’IFSTTAR et du réseau technique du ministère sont intervenus au coté de la DDE pour aider dans l’urgence à résoudre cette crise. Il s’agissait tout d’abord d’évaluer l’état de danger de la falaise après l’éboulement et de décider des mesures techniques à appliquer pour rouvrir au plus tôt la route. Dans un second temps, leur mission consistait à évaluer la possibilité de prévenir de tels glissements à l’avenir ou tout au moins de maîtriser leurs effets.

L’analyse du risque le long de la falaise grâce à la photographie

En 2005, la DDE avait chargé l’’IFSTTAR, associé aux CETE (Centres d’études techniques de l’équipement) de Lyon et d’Aix-en-Provence et au BRGM, d’une étude pluriannuelle sur les éboulements de grande masse de la falaise. Les experts ont sillonné la falaise, à pied et en hélicoptère, analysé des photos aériennes et pris des milliers de photos qui ont été utiles pour retrouver l’état de la falaise avant l’éboulement de 2006. Ce travail a permis de définir, enfin, une méthodologie d’analyse du risque le long de la falaise et d’évaluer le volume des éboulements possibles. Ces analyses ont servi de base au calcul du décalage de la future route vers la mer pour la protéger définitivement des effets des chutes de blocs et des éboulements en grande masse.