L'Institut technologique du Costa Rica contribue à la sécurité des ponts et des automobilistes avec Minitab

 

Des dizaines de milliers de conducteurs traversent quotidiennement les ponts du Costa Rica, pour la plupart sans trop y penser. Cette confiance s'explique par l'action efficace menée par les pouvoirs publics afin d'en contrôler la résistance et la fiabilité. Mais comment déterminer les ressources minimales à allouer à la maintenance des ponts pour garantir une sécurité satisfaisante ?

Les professeurs et les étudiants impliqués dans le projet mené par l'Institut technologique du Costa Rica ont collecté et étudié des données issues de nombreux ponts pour établir un système d'évaluation fiable. Leur objectif est d'aider les pouvoirs publics à répondre à la question précédente à l'aide d'une analyse rigoureuse des données.

Pour l'un des ponts les plus exploités du pays, les données analysées à l'aide de Minitab Statistical Software ont permis au gouvernement d'enclencher des réparations en amont, avant que l'état du pont n'empire. L'équipe du projet est à présent en train d'affiner son système d'évaluation en étudiant les données de ponts spécifiquement choisis, en vérifiant leur fiabilité et en mettant ses résultats à disposition des pouvoirs publics.

La problématique

A suite de l'étude des données menée par l'équipe du projet, le gouvernement a décidé de travaux de réparation sur les zones du pont du fleuve Purires (ci-dessus) soumises à de fortes contraintes.

Le pont qui enjambe le fleuve Purires à Cartago, au Costa Rica, supporte le poids de 11 318 véhicules par jour. En raison du budget limité consacré chaque année à l'entretien de ces infrastructures, le gouvernement a dû déterminer si ce pont-ci exigeait une attention immédiate ou s'il était fiable pour quelques année encores.

Les membres de l'équipe ont placé des capteurs sous le pont pour mesurer le mouvement et les vibrations de la structure en acier et en béton quand les véhicules passaient dessus. Ils ont ainsi recueilli plus de 90 000 points de données qu'ils ont ensuite dû analyser afin de déterminer la fiabilité du pont et de repérer les zones de forte contrainte.

La tâche a requis plusieurs phases et de nombreuses méthodes statistiques. Il a ainsi été nécessaire de développer un modèle mathématique rendant compte de la solidité du pont à partir des données réelles, puis de créer et d'analyser des données simulées afin de prévoir différents cas de figure et pouvoir anticiper l'évolution de l'état des matériaux sur toute la longueur du pont.

La contribution de Minitab

L'équipe a utilisé Minitab pour effectuer des analyses de série chronologique à partir des données receuillies par les capteurs. Cette approche statistique a permis de caractériser la façon dont la structure en acier et en béton supportait le poids du trafic au fil du temps. "Minitab nous a permis de rechercher des valeurs aberrantes et de repérer facilement les points de contraintes" explique Federico Picado, chercheur, memebre de l'équipe du projet.

Les membres de l'équipe ont effectué des analyses de série chronologique dans Minitab pour déterminer si l'évolution des données au fil du temps suivait certains modèles mathématiques. Dans le diagramme ci-dessus, nous pouvons observer à quelle heure a eu lieu chaque déformation ou mouvement du pont.

L'équipe a également utilisé la simulation Monte Carlo pour faciliter son analyse. Cette méthode génère de grandes quantités de données simulées à l'aide de paramètres connus et d'une équation qui décrit le rapport entre les variables. Les chercheurs peuvent ainsi effectuer des prévisions dans des cas où la collecte d'une telle quantité de données réelles est trop coûteuse ou impossible.

En s'appuyant sur les données des capteurs et sur les renseignements relatifs aux propriétés mécaniques et structurelles du pont, l'équipe du projet a utilisé Minitab pour simuler des données de résistance et de charge en fonction des conditions de trafic révélées par les données des capteurs. Les membres de l'équipe ont ensuite effectué une analyse de fiabilité pour prévoir la durée de résistance du pont et déterminer la probabilité de défaillance. Une analyse de fiabilité impose de sélectionner la loi statistique la plus adaptée aux données. A cet égard l'aide de Minitab a été précieuse puisque l'équipe a pu vérifier la normalité des données.

Le diagramme de probabilité ci-dessus représente les données de la première simulation.

En s'appuyant sur les résultats de son analyse de fiabilité initiale, l'équipe a généré des données distribuées normalement pour un second scénario de trafic et effectué une nouvelle analyse de fiabilité. Elle a ensuite comparé les résultats des deux scénarios pour déterminer si les facteurs de contrainte excédaient les capacités du pont en matière de charge et de résistance.

Les histogrammes permettent d'évaluer la forme de la représentations graphique des données et peuvent illustrer les calculs statistiques pour confirmer des hypothèses. Le graphique ci-dessus présente les valeurs de charge et de résistance pour les deux scénarios.

Si la résistance du pont était supérieure aux facteurs de contrainte calculés, l'indice de fiabilité serait suffisamment élevé pour pouvoir considérer le pont comme sûr. Si l'indice de fiabilité était faible, cette validation et les codes de sécurité internationaux permettraient de décider immédiatement les réparations à effectuer.

Résultats

L'analyse de l'équipe a révélé que l'indice de fiabilité du pont du fleuve Purires était faible : la solidité de l'acier et du béton n'était pas suffisante pour supporter le poids du trafic prévu, et le pont pouvait représenter un danger. De fait, la structure ne répondait pas aux exigences des codes internationaux en matière de sécurité. Le gouvernement du Costa Rica s'est fondé sur ces conclusions pour mettre en oeuvre des travaux de réparation.

"Notre analyse dans Minitab nous a permis de conclure que les camions qui traversent le pont provoquent de grandes déformations" explique Picado. En effet, deux mois après l'analyse, l'une des poutres en acier du pont s'est effondrée. "Heureusement, il n'y a eu aucun blessé. Nous étions contents d'apprendre que nos prévisions étaient précises et avaient permis de déclencher une intervention tout à fait justifiée".

Les réparations du pont sur le fleuve Purires sont aujourd'hui en cours. Quant à l'équipe projet, sa méthode sera appliquée à d'autres ponts du Costa Rica et s'attellera à affiner le processus d'estimation de la résistance des ponts à l'aide de simulations Monte Carlo et d'analyses de fiabilité. Le fait d'anticiper des défaillances potentielles garantit la sécurité des citoyens du Costa Rica et permet de réduire les coûts des réparations, les risques pour la sécurité étant détectés avant qu'un accident ne survienne.

 

ORGANISATION

Institut technologique du Costa Rica

PRESENTATION

  • Université spécialisée dans l'ingénierie et la science
  • Située à Cartago, au Costa Rica
  • Créée en 1971
  • Plus de 9 000 étudiants

PROBLEMATIQUE

Comment le gouvernement du Costa Rica peut-il contrôler l'état des ponts et entretenir ces derniers pour protéger les automobilistes du pays ?

PRODUITS UTILISES

Minitab® Statistical Software

Résultats

  • Mise en évidence de la détérioration de la structure, permettant d'entreprendre des réparations avant que le problème n'empire
  • Elaboration d'une méthode d'évaluation de l'état des ponts simulant les facteurs de contrainte et permettant de prévoir les taux de défaillance
  • Amélioration de la sécurité pour les automobilistes du Costa Rica et économies de plusieurs milliers de dollars pour les contribuables avec une allocation optimisée des ressources liées à la maintenance des ponts
 

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