Démarche de diagnostic par approche fonctionnelle
Pour conduire un diagnostic d'un ouvrage de génie civil par une approche fonctionnelle, on procède à quatre étapes principales résumées à la figure suivante [VILLEMEUR,88], [LEROY,92].
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L'analyse fonctionnelle
L'analyse fonctionnelle identifie les interactions au sein du système et avec les milieux extérieurs, et recherche les fonctions réalisées par le système et ses composants.
Elle consiste à définir le système (composants, matériaux) et son environnement (autres systèmes, milieux extérieurs en interaction), à examiner les processus de conception et de réalisation et les modes d'exploitation. Après avoir précisé ce sur quoi on travaille et à quel niveau de précision, on identifie de façon systématique les fonctions remplies par le système et ses composants.
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Modélisation de la sûreté de fonctionnement
La modélisation de la sûreté de fonctionnement d'un système a pour objectif d'identifier les risques potentiels du point de vue des fonctions à remplir. Il s'agit de rechercher toutes les causes de défaillance et tous les mécanismes pouvant affecter son fonctionnement.
De nombreuses méthodes existent (AMDE, Arbres des Conséquences, Arbres d'Evénements...) et l'art du spécialiste consiste à choisir la méthode la mieux adaptée aux objectifs de l'étude.
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Mesure de la sûreté de fonctionnement
Cette étape tire profit de la modélisation précédente et caractérise par des mesures la sûreté de fonctionnement du système.
Les mesures de la sûreté de fonctionnement sont le plus souvent quantitatives et proviennent du traitement mathématique du modèle et des données statistiques relatives aux défaillances. On parle alors d'analyse quantitative [LEROY,92]. Lorsque les données disponibles sont insuffisamment nombreuses ou précises, une analyse qualitative appuyée par une forte expertise peut alors être réalisée [ZWINGELSTEIN,95].
Ces analyses sont ensuite généralement testées et validées par des simulations et des études de sensibilité, qui visent à examiner l'impact sur le résultat final, des incertitudes sur les données et sur les hypothèses retenues pour la modélisation.
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Synthèse et conclusions
La synthèse d'une étude d'analyse de risques met en évidence les défaillances et leurs combinaisons qui compromettent la sûreté de fonctionnement du système, ainsi que les composants les plus critiques.
Il est alors possible de proposer des évolutions techniques susceptibles d'améliorer la sûreté de fonctionnement. Cette phase s'accompagne généralement d'une vérification et d'une validation des résultats par les experts du domaine.

Analyse système
Principes de l'analyse système
L'analyse système est l'étape préliminaire fondamentale avant l'application d'une méthode de la Sûreté de Fonctionnement. Elle permet la compréhension et la description synthétique du fonctionnement du système étudié et elle établit de façon formelle et exhaustive les relations fonctionnelles à l'intérieur et à l'extérieur du système. L'analyse système comprend trois phases :
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la définition des limites du système et des échelles de l'étude ;
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la description du contenu du système, comprenant les sous-systèmes et environnements, et des interactions internes à ce système ;
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la modélisation du fonctionnement global du système par une méthode spécifique d'analyse fonctionnelle.
Il existe de nombreuses méthodes d'analyse fonctionnelle adaptées à l'industrie, aux services ou aux organisations : Reliasep, FAST, DEN, SADT..., mais aucune méthode spécifique n'a été développée pour le génie civil. L'examen des différentes méthodes d'analyse fonctionnelle montre que celles issues de l'analyse de la valeur sont d'application générale et sont bien adaptées aux systèmes mécaniques. Parmi celles-ci, la méthode APTE (APplication aux Techniques d'Entreprise) est bien adaptée aux systèmes mécaniques et peut être utilisée pour les systèmes de génie civil, comme l'on montrait les applications récentes aux dispositifs constructifs du bâtiment [LAI, 00] ou aux ouvrages hydrauliques [PEY, 03].
L'analyse fonctionnelle est menée en deux étapes résumées dans la figure suivante et développée dans la suite du chapitre.

Analyse fonctionnelle externe
L'analyse fonctionnelle externe est une approche systémique, dans laquelle le système étudié est considéré comme une « boîte noire » dont on étudie les interactions avec l'environnement. Il est donc nécessaire de définir précisément le système qui va être examiné, ses limites et les milieux extérieurs en interaction.
Exemple : analyse fonctionnelle externe des barrages
Le système est composé du barrage proprement dit (structure du génie civil hors du sol), de sa semelle de fondation, de ses ouvrages annexes (évacuateur de crue, prise d'eau...) et de ses fondations (sol d'assise ou rocher impliqué dans la tenue de la structure et portant la semelle du barrage).
![Définition et limite du système (barrage poids) [PEY, 03]](../res/DDF_image4.gif)
Le système passe par différentes étapes chronologiques ou positions du cycle de vie, dont il est nécessaire de définir celles qui intéressent l'analyse. Généralement, on s'intéresse aux phases d'exploitation, qui sont influencées par le processus de conception et de réalisation.
Les milieux extérieurs sont constitués des éléments matériels, virtuels, naturels ou faisant partie d'autres systèmes, qui peuvent agir sur l'ouvrage ou subir ses actions. Ils sont déterminés en examinant l'environnement du système.
Les interactions entre le système et son environnement sont matérialisés au moyen d'un Bloc diagramme Fonctionnel dans lequel on distingue les relations de contact (représentées par des segments droits) et de flux (représentées par des arcs).
![Bloc diagramme Fonctionnel du système global (barrage) [PEY, 03]](../res/DDF_image5.gif)
Par l'analyse fonctionnelle externe, on obtient les fonctions accomplies par le système considéré dans sa globalité. Les fonctions principales sont les fonctions essentielles pour lesquelles le système a été conçu et sont obtenues à partir des Blocs diagrammes Fonctionnels en examinant les milieux extérieurs en interaction à travers le système.
Exemple : les fonctions principales d'un barrage
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stocker l'eau de la retenue,
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assurer l'évacuation des crues,
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fournir de l'eau à l'usine de production (ou d'autres systèmes extérieurs).
Les fonctions de contrainte résultent de la réaction du système face aux contraintes imposées par les milieux extérieurs et sont obtenues à partir des Blocs diagrammes Fonctionnels en examinant les interactions avec les milieux extérieurs. Une telle analyse met en évidence les fonctions de contrainte.
Exemple : les fonctions de contrainte d'un barrage
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évacuer, étancher, drainer, filtrer...
Analyse fonctionnelle interne
Après l'analyse globale du système, l'analyse fonctionnelle interne va rechercher les fonctions de chacun de ses composants. Il est nécessaire de fixer la granularité spatiale l'étude : si l'objectif est une compréhension du fonctionnement de l'ouvrage, on réalise l'analyse fonctionnelle interne à la granularité du composant ; a contrario, si l'on souhaite connaitre les défaillances à l'échelle de l'ouvrage, l'analyse fonctionnelle se focalise sur la fonction du système dans son environnement.
On procède ensuite à l'analyse structurelle, qui permet de lister tous les composants constitutifs des ouvrages, de repérer leur position physique au sein de l'ouvrage et de déterminer les interactions avec les autres composants.
Exemple : analyse structurelle d'un barrage en remblai à étanchéité interne
![Analyse structurelle d'un barrage en remblai avec drain vertical [PEY, 03]](../res/DDF_image6.gif)
Les interactions des composants entre eux et avec les milieux extérieurs sont matérialisées à travers des Blocs diagrammes Fonctionnels. On peut considérer différents types d'interactions : les contacts mécaniques, les transferts de flux (hydrauliques, hydrodynamiques, thermiques)...
![Bloc diagramme Fonctionnel relatif aux transferts de flux hydrauliques dans les barrages en remblai [PEY, 03]](../res/DDF_image7.gif)
Cette analyse permet d'obtenir les fonctions de conception des composants.
Au final de l'analyse fonctionnelle, nous disposons de l'ensemble des fonctions de conception accomplies par les composants de l'ouvrage. Elles sont rassemblées dans les tableaux d'analyse fonctionnelle.
![Fonctions de conception du noyau étanche d'un barrage en remblai [PEY, 03]](../res/DDF_tableau1.png)
Analyse des défaillances
Principes de l'analyse des modes de défaillances et de leurs effets (AMDE)
L'Analyse des Modes de Défaillances et de leurs Effets (AMDE) connait plusieurs applications en génie civil ; on cite en particulier les ouvrages hydrauliques [PEY, 06], [PEY, 03], [SER, 05] et produits constructifs du bâtiment [LAI, 00] [TAL, 06a et 07]. Elle suscite l'intérêt de plusieurs centres de recherche nationaux et internationaux du domaine du génie civil. L'état de l'art de ces approches a fait l'objet d'un rapport pour le CIB W80 « Service Life Methodologies – Prediction of Service Life for Buildings and Components » [TAL, 06b] en vue d'encourager l'application de cette méthode dans le domaine de la construction.
L'AMDE, développée et normalisée dans le domaine industriel [DEP ,80], [IEC, 85] et [AFN, 86], est une méthode inductive d'analyse des défaillances potentielles d'un système. Elle considère, systématiquement, l'un après l'autre, chaque couple {fonction ; composant} du système et analyse ses modes de défaillance. Les résultats des analyses AMDE sont présentés sous forme de tableaux, spécialement conçus pour le type de système étudié et pouvant avoir des formats sensiblement différents d'un domaine à un autre [FAU, 04], [ISD, 90]. Dans l'industrie, les études AMDE répondent à une logique de production, dans laquelle on essaie d'éliminer prioritairement les défaillances liées aux phases de fabrication : les défauts de conception et de réalisation et les écarts par rapport aux normes et règles d'hygiène et sécurité.
En génie civil, l'AMDE a nécessité des adaptations pour pouvoir être appliquée au domaine des ouvrages d'art et du bâtiment. La démarche de l'AMDE mise en œuvre en génie civil comprend deux phases. L'AMDE Processus s'intéresse à l'ouvrage à la fin de sa construction et recherche les modes de défaillance potentiels liés aux défauts de conception et de réalisation. L'AMDE Produit s'applique ensuite sur un ouvrage qui sera de qualité variable en fonction de sa fabrication et met en évidence, outre les défaillances liées à l'exploitation de l'ouvrage, l'influence du processus de conception et réalisation sur son comportement futur.

AMDE Processus
L'AMDE Processus consiste à rechercher au moyen d'un tableau et pour chaque composant de l'ouvrage, les principales opérations du processus de conception et de réalisation, les modes de défaillance de ces opérations et les effets des modes de défaillance.

AMDE Produit
On recherche avec l'AMDE Produit les différents modes de défaillance des sous-systèmes en service, liés au processus de conception et réalisation, mais aussi aux aléas pouvant apparaître lors de son exploitation. Les résultats sont présentés sous forme d'un tableau indiquant :
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les composants du système ;
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les fonctions des composants, obtenues à partir de l'analyse fonctionnelle ;
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les modes de défaillance des composants, correspondant aux défaillances et/ou aux dégradations d'une fonction ;
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les causes possibles de la défaillance, recherchées à partir des Blocs diagrammes Fonctionnels et trouvant leur origine dans les différents flux (charges, hydraulique, hydrodynamique et thermique), les contacts avec les milieux extérieurs ou les composants environnants, l'état intrinsèque du composant ou encore le processus de conception ou de réalisation du composant ;
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les effets possibles de la défaillance, recherchés de façon déductive.
En synthèse de l'AMDE (Processus et Produit), on dispose des modes de défaillance du système, de leurs causes, de leurs effets et éventuellement des enchaînements de modes de défaillance.
Dans la pratique, deux formats de tableaux d'AMDE Produit sont utilisés :
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une analyse par « composant » : l'objectif est d'identifier les modes de défaillance affectant les composants du système étudié. Le tableau inclus alors les colonnes « composant », « fonction », « mode », « cause » et « conséquence ». Ce format a été utilisé pour les ouvrages hydrauliques et un exemple est présenté § 3.2.2 ;
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une analyse par « fonction » : l'objectif est d'identifier les modes de défaillances générant des diminutions de performance des fonctions du système étudié. Le tableau inclus alors les colonnes « fonction », « composant », « étape », « mode », « cause » et « conséquence ». Un exemple est présenté ci-après.
Exemple : Analyse des modes de défaillances et de leurs effets d'un mur en béton
Cet exemple montre l'application de l'AMDE à un mur en béton, mise en œuvre à la granularité du mur. La fonction du mur considérée ici est sa fonction de résistance mécanique, dont on envisage les différents modes de défaillance : ségrégation, défaut d'enrobage, carbonatation, fissuration, etc. Les causes des modes de défaillance sont recherchées dans le processus de conception/réalisation et obtenues par une AMDE Processus (mise en œuvre du béton), dans l'environnement de causes du système (humidité, pluie) ou dans l'état intrinsèque du système (corrosion, sels gonflants, éclatement de la structure). Les effets des modes de défaillance sont liés à la perte de résistance mécanique : fissuration, déplacements irréversibles... pouvant conduire jusqu'à l'état-limite ultime de perte de stabilité.
![Extrait de l'AMDE d'un mur en béton [TAL, 06a]](../res/DDF_tableau3.png)
La colonne « Etape » du Tableau 1.3 permet de repérer plus facilement les enchaînements de modes de dégradation. Par exemple, le phénomène de « corrosion de l'armature de peau externe » à l'étape 2 entraîne le phénomène de « fissuration de la structure » à l'étape 3. L'étape « 0 » correspond à des phénomènes se déroulant lors de la phase de réalisation du mur en béton alors que les étapes « 1 » à « 6 » correspondent à des phénomènes intervenant lors de la vie en œuvre de ce mur.
Les principaux avantages et limites de l'AMDE sont les suivants :
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l'exhaustivité des résultats (modes de défaillance, causes, effets) : ceci constitue le principal avantage de la méthode, qui est liée à la démarche systématique d'identification des défaillances ; elle est représentative de l'état de connaissance, à un instant donné, du fonctionnement et des défaillances du système ;
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le corolaire de cet avantage est qu'il est assujetti à la connaissance structurelle et fonctionnelle du système étudié, et donc à la qualité de l'analyse fonctionnelle préalable réalisée sur le système ; il est donc nécessaire d'apporter un soin particulier à l'analyse fonctionnelle ;
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la démarche AMDE permet de générer une base d'information pour définir, améliorer, corriger et valider une conception, un procédé ou un moyen, tout au long de la vie du système, depuis la conception jusqu'à sa fin de vie ;
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les phénomènes combinatoires ou dynamiques sont difficiles à prendre en compte ; c'est la raison pour laquelle l'AMDE est généralement suivie d'une méthode permettant de modéliser les scénarios de défaillance.
Analyse Préliminaire de Danger
L'APD est utilisée dans les premières phases de conception d'un système et constitue un premier outil d'identification des risques potentiels. Elle est mise en œuvre en préliminaire d'une étude de sûreté de fonctionnement plus fine, telle une analyse AMDE.
L'identification des dangers est effectuée à partir de la connaissance et de l'expérience des experts. L'approche peut être déductive (recherche des causes d'une défaillance) ou inductive (recherche des effets d'une défaillance), selon que l'analyse est réalisée avec l'accident potentiel ou avec l'élément dangereux. [VILLEMEUR,88]
L'APD consiste à rechercher les entités dangereuses, les situations dangereuses et les accidents potentiels en découlant. Les résultats obtenus sont présentés dans un tableau.

Construction des scénarios de défaillance
Lorsque les modes de défaillance ont été identifiés, les méthodes pour la modélisation des scénarios de défaillance permettent de construire les enchaînements de mode de défaillance (scénarios) pouvant conduire à la défaillance globale du système. Parmi les différentes méthodes de modélisation des scénarios de défaillance, cette section détaille les deux principales les plus utilisées dans l'industrie et le génie civil :
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la méthode de l'arbre d'événement, qui permet de décrire les scénarios de conséquences découlant d'un événement redouté ;
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la méthode de l'arbre des causes qui aboutit à la description détaillée d'un scénario d'événements conduisant à un événement redouté.
Méthode de l'Arbre d'Evénement (ou Méthode de l'Arbre des Conséquences)
La méthode de l'arbre d'événement trouve ses applications dans les études de sûreté de fonctionnement des systèmes à fonctionnement approximativement binaire (marche ou défaillant), discret (les événements ou les évolutions sont ponctuels dans le temps) et à évolution chronologique. La séquence des événements de l'arbre se déroule de façon inductive, à partir de l'événement initiateur jusqu'aux événements finaux. L'objectif de la méthode de l'arbre d'événement est de décrire les scénarios de fonctionnement du système à partir d'un événement initiateur.
Les arbres d'événement sont conventionnellement construits horizontalement à partir de la gauche, à partir de l'événement initiateur. Le développement de l'arbre se fait chronologiquement de façon inductive, en étudiant le comportement (fonctionnement ou dysfonctionnement) de chaque composant du système. Le fonctionnement ou le dysfonctionnement d'un composant correspond alors à un événement et un scénario est formé de plusieurs événements qui se combinent. Les arbres d'événement permettent de déterminer l'enchaînement des événements jusqu'à l'événement final.
La qualité du modèle de sûreté de fonctionnement obtenu pour le système, à partir d'un arbre d'événement, dépend de la qualité de l'analyse fonctionnelle préalable. Pour s'assurer de l'exhaustivité des défaillances, il est recommandé de réaliser une AMDE avant la mise en œuvre de la méthode de l'arbre d'événement.
Lors d'une analyse quantitative des risques, on évalue la probabilité d'apparition de chaque événement de l'arbre et la probabilité d'apparition d'un scénario est alors égale au produit des probabilités d'apparition des événements constituant ce scénario. La méthode de l'arbre d'événement permet de suivre le déroulement d'un scénario et d'évaluer l'influence des barrières mises en œuvre sur la fréquence d'apparition du scénario et sur les conséquences.

Méthode de l'Arbre des Causes (ou Méthode de l'Arbre de Défaillance)
La méthode de l'arbre des causes est une méthode déductive : on part de l'événement indésirable situé au sommet de l'arbre et on déduit l'ensemble des combinaisons de causes du scénario afin d'expliquer la défaillance qui est apparue. Chaque cause est reliée en cascade à l'aide de symboles correspondant à des opérateurs logiques (et, ou, si, ...). L'élaboration des arbres des causes a souvent été considérée comme un art pratiqué par l'analyste, et à ce titre, cela conduit à des difficultés pour s'assurer de l'exhaustivité des modes de défaillance [VIL, 88].
La démarche de l'arbre des causes comprend une phase de recueil d'information et une phase de construction de l'arbre.
Recueil d'information
La détermination des causes de défaillance ayant contribué à l'occurrence d'une défaillance dans la méthode de l'Arbre des Causes se base généralement sur le retour d'expérience. Le recueil des causes peut être réalisé directement par des entretiens et des interviews auprès d'experts du domaine.
L'utilisation de la méthode AMDE constitue également une démarche intéressante.
Construction de l'arbre des causes
Par convention, un arbre de causes est souvent présenté verticalement, la défaillance finale étudiée étant située en haut de l'arbre (Top Event). La première phase de la construction de l'arbre des causes consiste à définir la défaillance.
La deuxième phase consiste à remonter progressivement jusqu'aux causes d'origines. On cherche à chaque pas de construction à répondre à la question « qu'a-t-il fallu pour que ... ? ». On vérifie ensuite qu'on répond « non » à la question « y a-t-il d'autres causes ? » et à la question « la défaillance que l'on cherche à expliquer aurait-elle cependant eu lieu si l'une des causes n'avait pas été réalisée ? ».
La construction de l'arbre s'arrête lorsqu'on a atteint les causes d'origine qui ne sont plus liées au système étudié (circonstances extérieures, hasards...). En pratique, on arrête l'analyse lorsque les causes mises en évidence sont cohérentes avec les solutions possibles en ingénierie.
Exemple : un parement métallique vissé sur des lisses en bois.
Cet exemple étudie par la méthode de l'arbre des causes la chute d'un parement métallique fixé sur des lisses en bois, pouvant être expliquée par des causes liées à des sollicitations extérieures exceptionnelles, un vieillissement non surveillé du système ou un défaut de réalisation.

Les principaux intérêts de cette méthode sont les suivants :
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elle est simple à mettre en œuvre et intuitive ;
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elle favorise le caractère expert de la recherche des causes ;
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elle favorise la recherche et l'évaluation des mesures de prévention ou de protection destinées à éviter le retour de l'événement ou de ses conséquences fâcheuses.
Les principales limites de cette méthode sont les suivantes :
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elle ne permet pas une représentation chronologique des événements ;
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il s'agit d'une méthode binaire, c'est-à-dire que les événements se produisent ou ne se produisent pas ; il n'y a pas de stade intermédiaire ;
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l'arbre des causes ne permet pas de distinguer la différence entre des combinaisons en « OU » et des combinaisons en « ET » entre les différents événements ;
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la recherche des causes ne présente pas de caractère systématique et ne garantit donc pas l'exhaustivité des défaillances. Elle doit donc s'appuyer sur une forte expertise et un retour d'expérience bien documenté.