Ce mémoire traite du problème de la gestion d'une flotte de véhicules. Une démarche structurée qui intègre l'analyse du cycle de vie de la flotte est proposée. Différents facteurs et éléments à considérer pour l'évaluation des besoins sont tout d'abord présentés et permettent de déterminer les spécifications des véhicules ainsi que la composition de la flotte selon le profil de la demande en transport. Pour le processus d'acquisition de véhicules, une approche axée en majeure partie sur l'analyse du coût du cycle de vie est utilisée pour la sélection des véhicules. Plusieurs modèles sont également proposés afin d'optimiser l'exploitation, la maintenance et la mise en place d'un système décisionnel de renouvellement de la flotte. Finalement, pour l'équipement ayant atteint sa fin de vie utile, différentes stratégies d'aliénation sont suggérées afin de diminuer les impacts environnementaux. Le contenu de ce mémoire peut être utilisé par les gestionnaires de petites et de grandes flottes de véhicules ainsi que par les gestionnaires de projet de ce domaine qui s'intéressent à la gestion du cycle de vie d'une flotte de véhicules dans un contexte de développement durable. La démarche proposée est davantage inspirée du domaine public et parapublic mais peut également être adaptée et utilisée dans le secteur privé. Ce mémoire permettra donc aux gestionnaires de connaître les différents facteurs à prendre à considération et les meilleurs outils à utiliser pour la prise de décision, et ce, dans le but d'optimiser les différents processus de gestion du cycle de vie d'une flotte de véhicules. / This thesis addresses issues related to the management of a fleet of vehicles. A structured approach integrating the analysis of fleet life cycle is proposed. Various factors and considerations for the requirements assessment are first introduced and used to determine the vehicles specifications and the fleet composition. For the vehicle acquisition process, an approach primarily driven by the life cycle cost analysis is used for the selection of vehicles. Several models are also proposed in order to optimize the exploitation, maintenance and development of a decision-making system for fleet renewal. Finally, for equipment that has reached its useful life, different disposition strategies are suggested in order to reduce environmental impacts. The contents of this thesis can be used by managers of small and large vehicle fleets as well as project managers who work in such field and that are interested in life cycle management of a vehicle fleet in a context of sustainable development. The suggested approach is further inspired by the public and para-public sector but can also be adapted and used in the private sector context. This thesis will allow managers to understand the different factors to take into consideration and the best tools to use for decision making, in order to optimize the various processes of life cycle management of a fleet of vehicles.

Le processus de dimensionnement des structures et des systèmes mécaniques comportent de plusieurs étapes, allant de la définition des conditions et des besoins tout au long du cycle de vie, en vue de la spécification de la capacité et de la résistance requises pour accomplir les missions escomptées. La fiabilité figure parmi les objectifs les plus importants pour les fabricants, en plus de l'aspect économique, facteur clé, qui influence largement le processus de conception. Dans ce contexte, la conception doit être élaborée afin de définir le meilleur compromis entre la fiabilité et le coût. Ce qui implique une étude précise et détaillée de tout le cycle de vie du produit, de la naissance jusqu'à la mise au rebus. Cette étude couvre les différentes phases du cycle de vie du produit, en intégrant la nécessité de démontrer la fiabilité du produit avant de commencer la production en série, sous des contraintes de coût et de délais. Ce travail vise à donner des éléments de réponse aux trois questions suivantes : * Comment peut-on démontrer la fiabilité du produit à partir de quelques essais ? Parmi les quatre approches considérées, la méthode de composition des incertitudes montre sa robustesse pour démontrer la fiabilité du produit, sans pour autant conduire à un surdimensionnement excessif. * Quel est le critère permettant une conception robuste sous des charges répétitives pour un système non dégradable ? Dans la phase utile du cycle de vie du produit, la défaillance est principalement due à la variabilité des charges appliquées lorsque la résistance n'est pas dégradée. Le modèle d'interférence contrainte-résistance considère la probabilité de défaillance comme cible de conception. Cependant, pour le cas des charges répétitives, ce critère est sensible au nombre d'applications de ces charges. Pour cela, la conception basée sur le hasard est proposée comme outil robuste pour la conception des composants intrinsèquement fiables. * Quelle est l'approche générale permettant de traiter les mécanismes de dégradation ? Dans la phase de vieillissement, la modélisation de la dégradation est obligatoire pour plusieurs raisons, telles que la maîtrise des risques industriels et la gestion du cycle de vie. La fonction de hasard fournit un indicateur approprié pour la prévision de l'état de dégradation et par conséquent, l'estimation de la durée de vie résiduelle.

Le processus de dimensionnement des structures et des systèmes mécaniques comportent plusieurs étapes, allant de la définition des conditions et des besoins tout au long du cycle de vie, en vue de la spécification de la capacité et de la résistance requises pour accomplir les missions escomptées. La fiabilité figure parmi les objectifs les plus importants pour les fabricants, en plus de l'aspect économique, facteur clé qui influence largement le processus de conception. Dans ce contexte, la conception doit être élaborée afin de définir le meilleur compromis entre la fiabilité et le coût. Ce qui implique une étude précise et détaillée de tout le cycle de vie du produit, de la naissance jusqu'à la mise au rebus. Cette étude couvre les différentes phases du cycle de vie du produit, en intégrant la nécessité de démontrer la fiabilité du produit avant de commencer la production en série sous des contraintes de coût et de délais. Ce travail vise à donner des éléments de réponse aux trois questions suivantes : Comment peut-on démontrer la fiabilité du produit à partir de quelques essais ? Quel est le critère permettant une conception robuste sous des charges répétitives pour un système non dégradable ? Quelle est l'approche générale permettant de traiter les mécanismes de dégradation ?

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / La combinaison d'un ratio élevé résistance-poids, une haute résistance à la corrosion, une bonne recyclabilité et une facilité de fabrication font des alliages d'aluminium, un excellent candidat pour des constructions durables et esthétiques. Son utilisation dans les infrastructures implique un entretien relativement faible tout au long de leur cycle de vie et est particulièrement adaptée pour les environnements froids et corrosifs, comme le Canada. Bien que l'utilisation de l'aluminium dans les ponts remonte à 1933, le pont d'Arvida au Québec, est le premier pont autoroutier entièrement en aluminium, inauguré en 1950. D'après les expériences passées, il est évident que ce pont nécessite un relativement faible entretien à ce jour, tandis que le remplacement du tablier en béton a été l'une des principales sources de problèmes d'entretien. Malgré sa bonne performance à ce jour, aucune analyse approfondie n'a été réalisée sur ce pont qui pourrait fournir des informations utiles sur les performances des alliages d'aluminium dans les constructions de ponts. L'objectif principal de cette recherche est d'évaluer la performance du pont Arvida sur deux aspects spécifiques : son intégrité structurale et sa performance à long terme d'un point de vue économique. Dans le cadre de cet objectif, une analyse structurale numérique a été réalisée sur le pont à l'aide du logiciel d'ingénierie *SAFI Bridge Structural Engineering*, et sa performance a été évaluée selon les critères de conception actuels de la norme CSA S6-19. Les résultats de cette analyse ont montré que la structure actuelle du pont Arvida ne serait pas en mesure de supporter les charges de circulation modernes recommandées par la norme canadienne. En fait, cela explique la limitation de poids actuelle imposée à ce pont par les autorités. Pour évaluer davantage la performance économique à long terme de ce pont, une analyse du coût du cycle de vie a été réalisée sur la structure existante en utilisant les coûts passés fournis par le ministère des Transports du Québec ainsi que des coûts futurs projetés. Traditionnellement, les coûts initiaux des matériaux ont été les facteurs décisifs pour la sélection des matériaux de construction. Cependant, ces dernières années, les coûts d'entretien des infrastructures existantes ont considérablement augmenté, ce qui a nécessité une approche alternative pour la sélection des matériaux. À cet égard, l'analyse du coût du cycle de vie (ACCV) des infrastructures permet une comparaison équitable entre différentes alternatives, car elle prend en compte non seulement les coûts initiaux de construction, mais aussi les coûts d'entretien, les coûts de retards des utilisateurs, les coûts de démolition et tous les autres coûts qui peuvent survenir pendant la durée de vie de la structure. L'ACCV du pont Arvida montre que les coûts d'entretien associés à la réhabilitation du tablier de béton gouvernent le coût total d'acquisition du pont. De toute évidence, le tablier en béton annule tous les avantages de la structure en aluminium à faible entretien. Afin de mettre et confirmer les avantages à long terme d'un tablier en aluminium sur le pont existant, une autre ACCV a également été réalisée avec un tablier en aluminium hypothétique. La comparaison des résultats conclue que l'alternative du tablier en aluminium peut réduire significativement les coûts d'entretien malgré des coûts initiaux élevés, et ainsi l'utilisation de l'aluminium dans la construction de ponts peut être bénéfique sur une durée de vie plus longue. / The combination of high strength-to-weight ratio, excellent durability, corrosion resistance, recyclability, and formability make aluminum alloys an excellent candidate for both sustainable and aesthetically pleasing constructions. More importantly, the application of aluminum alloys can be beneficial in civil infrastructure due to their relatively low maintenance over the life cycle, especially for cold and corroding environments, such as Canada. Although the use of aluminum in bridge applications has started dating back to 1933, the Arvida Bridge in Quebec, Canada is the first all-aluminum arch deck type bridge that was built in 1950. From past experiences, it has been evident that this bridge has so far required relatively low maintenance while replacement of the concrete deck has been one of the primary sources of maintenance issues. Despite its good performance till date, an in-depth analysis has not been undertaken on this bridge that can provide useful insights on the performance of aluminum alloys in bridge constructions. The overarching goal of this research is to assess the performance of the Arvida bridge over two specific aspects: its structural integrity and its long-term performance from an economic standpoint. With this objective, a numerical structural analysis has been performed on the bridge in the *SAFI Bridge Structural Engineering* software and its performance has been evaluated under the current design criteria recommended by the Canadian Standard Association for highway bridges (CSA S6-19). The outcomes from this analysis pointed that the current Arvida bridge structure would not be able to carry the modern traffic loads recommended by the Canadian standard. In fact, this explains the current weight limitation on this bridge that has been imposed by the authority. To further evaluate the long-term economic performance of this bridge, life-cycle cost analysis (LCCA) that allows a fair comparison between different alternatives and projects since it takes into account not only the initial costs of construction but also the maintenance costs, user delays, demolition costs and any other costs that can occur in the life span of the structure. To estimate the total life cycle cost of the Arvida bridge, the past construction and maintenance costs have been extracted from the information provided by the *Ministère des Transports du Québec (MTQ)* while the future costs that can incur until the end of design life of the bridge have been estimated. The results of the LCCA shows that the maintenance costs corresponding to the concrete deck rehabilitation governs the overall costs. Clearly, the concrete deck dismisses all the advantages of the low-maintenance aluminum structure. In order to highlight the long-term benefit of low maintenance aluminum deck on the existing bridge, an alternative LCCA has also been performed with a hypothetical aluminum deck. The comparison of the results of the LCCA on these two options (i.e., existing concrete deck and alternative aluminum deck) has implied that an aluminum deck alternative can significantly reduce the maintenance costs despite having higher initial cost, and thus, the use of aluminum in bridge construction can be beneficial for a longer life span.

L'optimisation vise à trouver le meilleur compromis entre les différentes exigences contradictoires, telles que les performances, le coût et la durabilité. Toutefois, la conception des structures doit être placée dans un contexte incertain. Traditionnellement, les incertitudes sont considérées par l'application des coefficients partiels de sécurité. Cependant, l'utilisation de ces coefficients ne garantit pas une conception optimale pour le niveau de fiabilité souhaité. L'optimisation fiabiliste est développée pour établir le meilleur compromis entre la réduction des coûts et l'assurance de la fiabilité, par la considération des incertitudes. Dans ce mémoire, une nouvelle approche de l'optimisation fiabiliste est proposée afin de tenir compte de l'interaction des différents modes de défaillance et de l'évolution de la fiabilité en fonction de l'âge de la structure. La meilleure solution est recherché par la minimisation de la fonction du coût total contenant les coûts de maintenance.

Les structures de génie civil, en particulier les ponts en béton armé, doivent être conçues et gérées pour assurer les besoins de transport et de communication dans la société. Il est indispensable de garantir un fonctionnement convenable et sécuritaire de ces structures, puisque les défaillances peuvent conduire à des perturbations du transport, des pertes catastrophiques de concessions et des pertes de vies humaines, avec des impacts économiques, sociétaux et environnementaux graves, à court et à long termes. Les gestionnaires entreprennent diverses activités pour maintenir la performance et le fonctionnement adéquat à long terme, tout en satisfaisant les contraintes financières et sécuritaires. Idéalement, ils peuvent recourir à des techniques d'optimisation pour établir les compromis entre la réduction du coût du cycle de vie (LCC) et la maximisation de la durée de vie. Cela nécessite le développement de l’analyse du cycle de vie, de l’analyse de fiabilité et de l'optimisation structurale.Les approches actuelles pour la conception et la gestion des structures s’appuyant sur l’analyse du coût de cycle de vie, montrent les besoins suivants : (1) une approche intégrée et systématique pour modéliser de façon cohérente les processus de dégradation, les charges de trafic, le vieillissement et les conséquences directes et indirectes de la défaillance, (2) une considération complète des dépendances économiques, structurales et stochastiques entre les différents éléments de l’ouvrage, (3) une approche permettant de modéliser efficacement un système structural formé de plusieurs éléments interdépendants, (4) une évaluation des conséquences de la dégradation et de la redistribution des charges entre les éléments en tenant compte de la redondance du système et de la configuration de l’ouvrage, (5) une méthode d'optimisation de la conception et de la maintenance qui préserve l’exigence de fiabilité tout en considérant la robustesse de la décision. L'objectif global de cette thèse est de fournir des procédures améliorées qui peuvent être appliquées à la conception et à la gestion fiabilistes et robustes des ouvrages en béton armé, en réduisant les coûts supportés par les gestionnaires et les utilisateurs, tout en tenant compte des dépendances entre les éléments. Dans la première partie de cette thèse, une synthèse bibliographique concernant les procédures de la conception et de la maintenance basée sur des calculs fiabilistes est présentée, et les différents composants du LCC sont développés. Ensuite, une approche est proposée pour la conception des ouvrages en tenant compte du coût aux usagers et en intégrant dans la fonction du coût de cycle de vie. Le modèle couplé corrosion-fatigue est aussi considéré dans l’optimisation de la conception. La planification de la maintenance des ouvrages est ensuite développée, en considérant les différents types d'interaction entre les éléments, en particulier les dépendances économiques, structurales et stochastiques. Ce modèle utilise l'analyse de l'arbre de défaillance et les probabilités conditionnelles pour tenir compte des dépendances dans la planification de la maintenance. Les conséquences de la dégradation et de la redistribution des charges sont prises en compte dans l'approche proposée. Par ailleurs, une méthode pratique de calcul de la fiabilité d'un système formé de plusieurs composantes interdépendantes est proposée, à travers un facteur de redondance calculé par la modélisation mécanique. Enfin, une nouvelle procédure d'optimisation est proposée, permettant de tenir compte des incertitudes dans le système et la capacité structurale de s'adapter aux variabilités intrinsèques. La procédure proposée tient compte des incertitudes et de la variabilité dans une formulation cohérente, validée au moyen des applications numériques. (...) / Civil engineering structures, particularly reinforced concrete bridges, should be designed and managed to ensure the society needs. It is crucial to assure that these structures function properly and safely as damage during the service life can lead to transport disturbance, catastrophic loss of property, causalities, as well as severe economic, social, and environmental impacts, in addition to long term consequences. Decision-makers adopt various activities to maintain adequate long-term performance and functionality while satisfying financial constraints. Ideally, they may employ optimization techniques to identify the trade-offs between minimizing the life-cycle cost (LCC) and maximizing the expected service life. This requires the development of three challenging chores: life cycle analysis, reliability analysis and structural optimization. The current approaches for the design and management of structures through a Life-cycle cost analysis (LCCA) highlight the following needs: (1) an integrated and systematic approach to model coherently the deterioration processes, the increasing traffic loads, the aging and the direct and indirect consequences of failure, (2) a mutual consideration of economic, structural and stochastic dependencies between the elements of a structural system, (3) an adequate approach for the deterioration dependencies and load redistribution between the elements, (4) an improvement of system reliability computation as a function of the structural redundancy and configuration that can take into account the dependencies between the elements, (5) a consideration of design and maintenance optimization procedures that focus coherently on the robustness of the management decision and on the satisfaction of reliability requirements.The overall objective of this study is to provide improved LCCA and procedures that can be applied to select optimal and robust design and maintenance decisions regarding new and existing reinforced concrete structures, by minimizing both manager and user costs, while providing the required safety along the structure lifetime, taking into account the most severe degradation processes and the dependencies between structural elements. In the first part of this thesis, a literature review concerning the current probabilistic design and maintenance procedures is presented, and the LCC components are discussed. Then, a new approach is developed to evaluate the user delay costs on a reinforced concrete bridge structure, based on direct and indirect costs related to degradation and failure, and to integrate it to the life cycle cost function, in order to allow for probabilistic design. In addition,the coupled corrosion-fatigue model is considered in the design optimization. Afterward, a structural maintenance planning approach is developed to consider the three types of interactions, namely economic, structural and stochastic dependencies. The proposed model uses fault tree analysis and conditional probabilities to reflect the dependencies in the maintenance planning. The consequences of degradation are evaluated and a method is proposed to account for the load redistribution. Moreover, a practical formulation for quantifying the reliability of a system formed of interrelated components is proposed, by the mean of a redundancy factor that can be computed by finite element analysis. Finally, a new optimization procedure is proposed, by taking into account the uncertainties in the analysis, and the structural ability to adapt to variability, unforeseen actions or deterioration mechanisms. The proposed procedure takes account of uncertainties andvariability in one consistent formulation, which is shown through numerical applications. (...)

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Dans le cadre de ce mémoire, les méthodologies de l’analyse de cycle de vie (ACV) et de l’analyse du cycle de coûts (ACC) sont appliquées à un système d’épuration des eaux usées municipales (STEP) afin de réaliser une évaluation intégrée du profil environnemental et économique du système. Suite à la revue de la littérature des ACVs portant sur des STEPs, des limitations ont été décelées en ce qui a trait à la définition de la fonction du système lors de la première étape de la réalisation de l’ACV. Les limitations dénotées ont mené au développement d’une méthodologie reposant sur le concept de bénéfice environnemental net (BEN) afin d’y pallier. La mise en application du concept de BEN requiert de réaliser des ACVs afin d’évaluer les impacts environnementaux potentiels évités et induits par l’épuration des eaux. Les impacts évités correspondent alors à la différence d’impacts potentiels entre un scénario hypothétique de rejet des eaux usées brutes et un scénario de rejet des eaux usées épurées par la STEP. Les impacts induits correspondent aux impacts générés par le cycle de vie du système d’épuration. Il est à noter que la présentation du concept de BEN ainsi que son application à une l’étude de cas font l’objet d’une publication (Godin et coll., 2012). Les méthodologies du BEN et de l’ACC sont appliquées à l’étude de cas d’un système d’épuration constitué d’étangs aérés facultatifs. Des inventaires des charges des polluants de l’affluent et de l’effluent de la STEP sont compilés afin d’évaluer les impacts potentiels évités en considérant les charges en matières organiques, en nutriments et en métaux lourds ainsi qu’en estimant les émissions potentielles de gaz à effet de serre des rejets directs de matière organique et d’azote au milieu récepteur. Les inventaires de caractérisation des impacts du cycle de vie du système incluent la phase de construction, l’opération ainsi que l’évaluation des impacts induits par une disposition des boues par épandage sur sol agricole et sur sol forestier. L’ACVI réalisée en ayant recours à la méthode ReCiPe et en mettant de l’avant le concept de BEN permet de constater le compromis environnemental fourni par le système d’épuration. L’évaluation comparée de l’ACC et de l’ACV du cycle de vie du système permet d’évaluer la contribution relative des différents éléments du cycle de vie sous les aspects environnementaux et économiques. La comparaison des variantes de disposition des boues permet, quant à elle, de comparer les effets sur les catégories d’impacts potentiels liées à la toxicité du choix du milieu récepteur des boues. L’application de la méthodologie du BEN lors de la réalisation d’ACV portant sur des STEPs permet de définir plus clairement la fonction principale de la STEP et permet d’éviter de considérer la STEP comme une source majeure de pollution. Elle fait de plus ressortir le manque de suivi des eaux usées en ce qui a trait à l’affluent ainsi qu’aux micropolluants. / Life cycle assessment (LCA) and life cycle costing (LCC) methodologies are applied to a municipal wastewater treatment plant (WWTP) in order to conduct an integrated environmental and economic assessment of the system. A Literature review showed that the system function definition has received little attention despite its great importance in past LCA studies applied to wastewater treatment plants (WWTPs). This has led to some limitations in the interpretation of LCA results. A new methodology to perform LCA on WWTPs is proposed to avoid those limitations. It is based on net environmental benefit (NEB) evaluation and requires assessing the potential impact of releasing wastewater without and with treatment besides assessing the impact of the WWTP’s life cycle. Interested readers can find a presentation of the NEB methodology and its application to a case study of a small municipal WWTP consisting of facultative aerated lagoons in Godin et al., (2012). This thesis presents the life cycle inventories (LCI) conducted to perform the LCAs required to estimate the NEB and also shows the inventory and results of the LCC performed on the case study. LCIs include wastewater characterization (i.e. organic matter, phosphorus, nitrogen and heavy metals load), potential greenhouse gas emissions, WWTP construction and operation inventories including sludge removal and disposal. Life cycle impact assessment (LCIA) was conducted using the ReCiPe impact assessment method. LCIA and LCC results allow comparing the relative contribution to environmental potential impacts and economic cost of the life cycle steps of the WWTP. The NEB allows showing the environmental trade-offs between avoided impact due to wastewater treatment and induced impact by the WWTP’s life cycle.