Étude de cas no 3

Réduction d'accidents sur la bretelle reliant l'autoroute 401 et l'autoroute 416 en utilisant la technologie d'arrosage automatique fixe (FAST)

Aperçu

Au cours du premier hiver d'utilisation de la bretelle de raccordement entre les autoroutes 401 et 416, près de Prescott (Ontario), plusieurs accidents attribuables à de mauvaises conditions météorologiques sont survenus à cet endroit. Le ministère des Transports de l'Ontario (MTO), qui étudiait depuis quelques temps différentes méthodes pour améliorer la sécurité routière lors des tempêtes hivernales, y a vu une bonne occasion de réduire considérablement les risques de givrage de la structure. À l'automne 2000, le MTO a installé un système faisant appel à la technologie d'arrosage automatique fixe (FAST) et un Système avancé d'information météoroutière (SAIMR). Ensemble, ces deux systèmes permettent l'épandage d'un produit chimique anti-glaçant avant toute formation de glace. Depuis que les systèmes sont en place, on n'a rapporté aucun accident attribuable aux conditions météorologiques hivernales à cet endroit. n.

Contexte

Les recherches et l'expérience ont démontré qu'un traitement proactif de la chaussée d'un pont ou d'une route avec un produit chimique anti-glaçant ou un abrasif peut réduire de façon appréciable le nombre d'accidents causés par une perte de traction sur la chaussée glacée.
Aujourd'hui, nous disposons d'une technologie pour épandre des produits chimiques déglaçants de façon proactive au moment opportun, c'est à dire avant la formation de glace. Cette technologie est connue sous le nom de technologie d'arrosage automatique fixe, ou FAST. Un système FAST surveille en permanence les conditions qui entourent la chaussée d'un pont ou d'une route et pulvérise un produit chimique anti-glaçant sur la chaussée juste avant que celle ci ne givre. Le système poursuit la pulvérisation jusqu'à ce que la quantité de produit chimique appliqué soit suffisante pour régler le problème de givrage. Parmi les avantages de l'automatisation du système, mentionnons : la réponse immédiate, l'accroissement de la sécurité routière, la diminution du gaspillage de produits chimiques et la réduction des dommages causés aux structures par les sels de voirie.

La construction de la bretelle surélevée donnant accès à l'autoroute 416 à partir de l'autoroute 401 s'est achevée en septembre 1999. En raison de la proximité du fleuve Saint-Laurent, le revêtement de la bretelle est exposé à des vents particulièrement humides. Comme sur de nombreux ponts, le tablier a tendance à givrer plus rapidement que les sections de route adjacentes. Souvent, les automobilistes se dirigeant à grande vitesse vers la bretelle dans le sens ouest-est passaient d'une chaussée non glacée à une chaussée glacée. Durant l'année précédant l'installation du système FAST, on a enregistré quatorze accidents liés aux conditions hivernales sur la bretelle. Comme le centre de la zone d'entretien responsable de cette bretelle se situait à quelque distance de là, les équipes d'entretien hivernal ne pouvaient être au courant de la formation de glace à cet endroit à moins de s'y rendre. Le ministère des Transports de l'Ontario (MTO) désirait à la fois améliorer le temps de réponse dans les cas de givrage et éliminer les déplacements superflus des équipes d'entretien. Depuis plusieurs années, le ministère étudiait la faisabilité de l'utilisation du système FAST en Ontario; considérant le climat, le nombre d'accidents et l'éloignement du site, on a décidé de mettre en œuvre un projet pilote à cet endroit.

Description des pratiques d'entretien hivernal

FAST

La technologie d'arrosage automatique fixe (FAST) a d'abord été élaborée en Europe pour traiter de conditions hivernales telles qu'on en retrouve sur la bretelle reliant les autoroutes 401 et 416. Il s'agit d'une technologie relativement nouvelle en Amérique du Nord. Bien que la conception du système soit fondée sur des principes relativement simples, la technologie de fonctionnement est complexe. Le système intègre des capteurs de conditions météorologiques et de chaussée très perfectionnés et un algorithme d'intelligence artificielle qui détermine le moment où il faut activer l'arrosage. Le système est de conception relativement simple, sauf en ce qui concerne l'emplacement des gicleurs. Pour bien arroser l'ensemble de la chaussée, l'appareil doit être conçu en fonction de la portée, du profil en travers et de la pente transversale du pont et tenir compte des caractéristiques des schémas de dispersion du produit anti-glaçant par les véhicules.

Le produit anti-glaçant est pulvérisé par des gicleurs encastrés dans la chaussée. Le ministère a décidé d'adapter les gicleurs à la chaussée plutôt que de les installer latéralement sur le mur de parapet de la bretelle. L'angle de pulvérisation du produit chimique est faible, ce qui élimine tout risque de nuire aux véhicules qui circulent sur la chaussée. Le produit chimique est entreposé dans une station de pompage située à proximité de la bretelle, où se trouvent aussi l'ordinateur, l'équipement mécanique et hydraulique et les composantes électroniques du système. Pour conserver l'aspect esthétique du design original, on a installé les canalisations et le câblage sur la surface extérieure du mur de parapet et sous le tablier.

Deux systèmes servent à détecter les conditions pouvant mener à la formation de glace et à activer l'arrosage. On a d'abord un Système avancé d'information météoroutier (SAIMR), installé près de la bretelle, qui surveille les conditions atmosphériques entourant la bretelle et fournit à l'ordinateur des données sur la température de l'air, la vitesse et la direction du vent, l'humidité relative et le point de rosée estimatif. Un deuxième système de détection, enfoncé dans la chaussée, fournit à l'ordinateur des renseignements sur la température de la chaussée, l'humidité et la présence de produit anti-glaçant à la surface de la chaussée.

L'ordinateur est équipé d'un logiciel qui enregistre toutes les données fournies par les capteurs. Si les capteurs indiquent la présence d'humidité, une chaussée gelée et une insuffisance de produit chimique, l'ordinateur active les gicleurs qui pulvérisent le produit anti-glaçant sur la chaussée. Le système de pulvérisation fonctionnera à nouveau si les détecteurs de produit chimique indiquent que la quantité de produit anti-glaçant dans l'eau de surface est insuffisante pour prévenir le givrage.
Le produit chimique nécessaire est acheté et livré sur place à intervalles déterminés par la quantité de produit utilisé et la capacité du réservoir. La quantité utilisée varie d'une saison à l'autre, suivant la rigueur de l'hiver, et d'un endroit à l'autre, selon les conditions climatiques locales.

Il faut bien comprendre que les systèmes FAST ne peuvent remplacer les chasse-neige; la neige accumulée doit toujours être enlevée au moyen des méthodes classiques. Le produit chimique anti-glaçant empêche tout de même la neige de coller à la chaussée et rend ainsi le travail du chasse-neige plus efficace. Les gicleurs encastrés sont à l'abri des déneigeuses et, s'ils sont enfouis sous une lame de neige, ils peuvent quand même pulvériser le produit, celui-ci étant sous pression suffisante pour traverser la neige. Si les capteurs de chaussée ne détectent aucun produit chimique après un cycle d'arrosage, ils présument qu'un blocage a eu lieu et remettent le système en marche.

Les fabricants des systèmes FAST offrent la possibilité d'employer une variété de produits chimiques anti-glaçants. Le MTO a choisi d'utiliser l'acétate de potassium dans le système installé sur la bretelle reliant les autoroutes 401 et 416.

L'acétate de potassium est un anti-glaçant chimique liquide employé sur les routes et les pistes d'aéroport en raison de son point de congélation peu élevé et des risques limités qu'il présente pour l'environnement et les avions. La façon la plus efficace de l'employer est de l'épandre uniformément sur la chaussée avant les précipitations givrantes. Un deuxième épandage peut s'avérer nécessaire lorsque la neige et la glace commencent à coller à la chaussée. Selon le fabricant, voici les avantages de l'acétate de potassium par rapport aux autres produits chimiques :

• excellent rendement
• excellentes caractéristiques déglaçantes et anti-glaçantes
• durable, il nécessite peu d'applications
• n'attaque ni l'acier, ni le béton
• inflammable
• non toxique pour les végétaux et les animaux
• bas point de congélation
  (-60 ºC);
• faible demande biologique en oxygène (DBO) dans l'eau

Le système a été installé en septembre 2000 et les derniers éléments ont été mis en service à la mi-octobre de la même année. Le système FAST couvre une superficie de 1 784,5 m² sur la bretelle et de 190 m2 sur les rampes d'accès, soit un total de 1 974,5 m². Il est nécessaire de traiter les rampes d'accès afin de réduire la contamination due à la dispersion du chlorure de sodium provenant des autoroutes adjacentes.

Coûts

Le tableau ci-dessous donne un aperçu du coût prévu pour un système complet entièrement installé sur le site selon un plan conceptuel du fournisseur. Le cas étudié étant un projet pilote, il comporte des coûts inférieurs à ceux d'une installation normale. Les contrats subséquents devraient normalement coûter plus cher que celui-ci.

Conception, construction, gestion du projet et mise en service

Le coût total de l'installation, y compris la conception, la construction, la gestion du projet et la mise en service du système SAIMR, du système d'arrosage et des installations d'entreposage du produit chimique est d'environ 300 000 $ ou 153 $/ m².

Coûts d'exploitation annuels

Les coûts d'exploitation annuels comprennent le coût du produit chimique, celui du suivi et des rapports mensuels, de l'inspection du site, de l'entretien et des services publics. Une partie des coûts d'exploitation (p. ex. le produit chimique et les services publics) varient suivant la rigueur et la nature de l'hiver. Le montant déboursé annuellement pour le produit chimique, par exemple, a varié de 12 000 à 15 000 dollars en trois ans. Les coûts d'exploitation annuels s'élèvent approximativement à 30 000 $.

Avantages

Le MTO ne retire aucun avantage direct sous forme de réduction des dépenses, puisque la mise en œuvre des systèmes FAST coûte beaucoup plus cher que la technologie classique de déglaçage et l'emploi de camions d'épandage. Toutefois, les avantages pour la société et l'environnement sont appréciables. Voici une estimation de la valeur des avantages de l'installation du système FAST à cet endroit. Ces avantages n'ont pas été réellement observés, mais sont présumés en fonction des hypothèses élaborées par Environnement Canada dans le cadre de son Abrégé des indicateurs de coûts et avantages ¹.

Réduction des accidents

En se fondant sur l'expérience de l'année précédente, on estime avoir évité 14 accidents durant la première année d'utilisation. Depuis la mise en service, aucun autre accident attribuable aux conditions météorologiques hivernales n'a eu lieu.

Dans un rapport sur la sécurité routière (MTO, 2000), on estime que 0,31 % des accidents sont mortels, 23,8 % entraînent des blessures et 62,6 % provoquent des dommages matériels (À cause de la géométrie de la bretelle, on présume que tous les accidents entraînent des dommages matériels). On estime à 1 600 000 $ le coût d'un accident mortel, à 28 600 $ celui d'un accident avec blessé et à 5 700 $ celui d'un accident avec dommages matériels .

En se fondant sur les 14 accidents évités la première année, on peut calculer comme suit les avantages pour la société au cours de cette période :

Décès: 0 x $1,600,000 = ...................................................... $0
Blessures: 3 x $28,600 =............................................$85,800
Dommages: 14 x $5,700 = ....................................... $79,800
___________________________________________
Total: ...........................................................................$165,000

Réduction de la responsabilité

Étant donné la hausse du nombre de décisions judiciaires à l'encontre des administrations routières, les propriétaires de réseaux routiers peuvent s'exposer actuellement à des poursuites pour des montants atteignant parfois des millions de dollars. Il est difficile d'établir un estimé pour la réduction de ces coûts.

Avantages environnementaux

L'anti-glaçage avec l'acétate de potassium a permis de réduire de 100 pour cent le rejet de chlorures qui accompagne les méthodes classiques d'anti-glaçage utilisant les sels de voirie. Si on utilise le taux d'épandage des sels de voirie adopté par le MTO (130 kg/km de chaussée à deux voies), la bretelle aurait reçu de 1 à 2 tonnes de sel par année, suivant la rigueur et la nature des conditions météorologiques. La modification des pratiques d'entretien hivernal a donc réduit la charge de chlorures dans l'environnement de 600 à 1 200 kg par année² . Il est difficile de chiffrer les avantages environnementaux résultants de cette réduction de chlorures.

Réduction de la corrosion³

L'acétate de potassium est moins corrosif que le chlorure de sodium. Cette caractéristique permettra de réduire la corrosion du béton et de l'acier du tablier et ainsi d'augmenter la durée de vie de la bretelle. On peut donc prévoir une diminution du nombre d'interventions d'entretien nécessaires au cours du cycle de vie de la structure.

Actuellement, on estime qu'il faut réparer 1,5 %1 de la chaussée des ponts chaque année, en raison des dommages causés par les sels de voirie. Or, le coût des réparations ponctuelles effectuées sur les ponts est estimé à 763 $ le mètre carré. Si les sels ne causent aucun dommage au cours des 15 années suivant la construction, puis que des dommages se produisent à un taux de 1,5 % par année pendant les 15 années suivantes, jusqu'au moment prévu pour la restauration complète, on peut estimer le coût de réparation des dommages attribuables aux sels à 317 000 $, en dollars de 2004. L'économie réalisée, annualisée sur une période de 30 ans, représente environ 10 666 $ par année.

Cette estimation est basée sur la durée de vie des ponts construits dans les années 70, qui était de 30 ans. On ne connaît pas la durée de vie des structures récentes, ni le moment où il faudra les restaurer. Depuis 30 ans, les technologies associées au béton, à l'armature et au revêtement d'asphalte ont évolué et rendu ces matériaux plus résistants aux attaques des sels de voirie.

Réduction des retards de circulation

La bretelle comporte une voie de circulation et deux larges accotements asphaltés. Tout accident grave sur la structure exige la fermeture complète de la bretelle et une déviation de la circulation, ce qui provoque des retards et allonge le temps de déplacement des automobilistes. Comme le débit journalier moyen d'une année est de 3 000 véhicules, on peut en déduire un débit horaire journalier de près de 175 véhicules⁴ . Si chaque accident provoque des problèmes de circulation pendant 3 heures, il en résulte un retard de 524 personnes-heures. En estimant à 27 $/heure/travailleur le coût des salaires perdus en raison des retards serait de 14 148 $ par accident. En se fondant sur les 14 accidents évités la première année, on peut estimer les avantages à 198 072 $.

Évaluation des coûts-avantages

Le tableau qui suit résume la valeur des coûts et des avantages décrits ci dessus. On arrive à un rapport coûts-avantages d'environ 1,13 : 1. Il a suffi d'un an pour rentabiliser l'investissement consacré à l'installation du système FAST sur la bretelle reliant les autoroutes 401 et 416. Les avantages énumérés ci-dessous représentent une sous-estimation, puisqu'ils excluent la valeur qu'on pourrait attribuer aux avantages environnementaux et à la réduction de la responsabilité. Le rapport coûts-avantages s'en trouve donc lui aussi sous-estimé.

Conclusions

L'installation du système FAST sur la bretelle reliant les autoroutes 401 et 416 s'est soldée par une réduction de 100 % du nombre d'accidents. En outre, elle a permis de cesser toute utilisation de sels de voirie contenant des chlorures à cet endroit, ce qui comporte des avantages pour l'environnement et augmente la durée de vie de la structure. L'analyse coûts-avantages démontre une rentabilisation de l'investissement dès la première année d'exploitation. Reconnaissant ces avantages, le ministère des Transports a entrepris des projets visant à installer des systèmes semblables ailleurs dans la province.

¹ Abrégé des indicateurs de coûts et avantages - Environnement Canada, Direction de l'analyse économique et réglementaire. 2002.
² Un kilogramme de sel de voirie (NaCl) produit une charge de chlorures (Cl-) de 0,6066 kilogramme..
³ On a annualisé la réduction de la corrosion sur les 30 ans de durée de vie de la bretelle.
⁴ On tient pour acquis que la circulation la plus dense se produit durant une période de 17 heures allant de 6 heures à 23 heures.

Pour de plus amples renseignements,

Personne-ressource :
Terry Nuttall
Surintendant de l'entretien
Région de l'Est
Ministère des Transports de l'Ontario Téléphone : 613-540-5167
Télécopieur : 613-547-1774
Courriel : terry.nuttall@mto.gov.on.ca

Todd Comfort
Ingénieur
Région de l'Est
Ministère des Transports de l'Ontario
Téléphone : 613-545-4795
Télécopieur : 613-547-1772
Courriel : todd.comfort@mto.gov.on.ca

Site Web :
www.mto.gov.on.ca/french/engineering/anti_ice/anti_ice.htm

Autres ressources:
Boschung America LLC - www.boschungamerica.com [en anglais]
Mark F. Pinet & Associates Limited - www.magma.ca/~mfpinet

Auteur de l'étude de cas :
McCormick Rankin Corporation / Ecoplans Limited

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