État des infrastructures et innovation dans leur construction : une analyse économétrique du réseau québécois

Depuis quelques années, le gouvernement québécois prend le pas de la problématique du vieillissement de son réseau d'infrastructures en mettant en place de grandes politiques d'investissements. Le Plan Québécois des Infrastructures 2019-2029 prévoit ainsi un montant total d'investissements de près de 115,4 milliards de dollars (CAD) dont la grande majorité est réservée au maintien de l'offre de service (environ 80%). La priorité est mise sur l'accélération de la remise en état de ses infrastructures les plus vétustes (rétablissement de l'état de l'infrastructure ou remplacement dans le cas le plus extrême) mais prévoit également de plus simples rénovations ou améliorations des structures en mauvais état. Nous avons décidé de nous intéresser tout particulièrement aux 19,4 milliards qui concernent les remplacements des infrastructures au travers de l'étude d'une base des données des structures remplacées par le Ministère des Transports du Québec sur la période 1990-2019. Cet intérêt particulier pour les remplacements vient du cas d'étude idéal des passerelles Barr et Isabey-Darnley à Montréal qui sont à l'origine de la démarche de ce mémoire. Ces deux passerelles sont soumises aux mêmes contraintes extérieures et ont été remplacées à un an d'intervalle, la première par une nouvelle structure en béton armé, l'autre par une structure en Béton Fibré à Ultra Hautes Performances développé dans les laboratoires de l'École Polytechnique de Montréal. La situation de ces deux passerelles permettra à la Ville de Montréal d'étudier l'évolution de l'état des deux structures et de les comparer au fil du temps, la passerelle Barr jouant le rôle de structure de contrôle tandis que la passerelle Isabey-Darnley construite dans un matériau nouveau jouera le rôle de la structure test. C'est cette démarche de comparaison de structures similaires que nous avons essayé de reproduire dans ce mémoire. Nous nous efforcerons donc d'abord de dresser un portrait de l'état du parc d'infrastructures du Ministère des Transports du Québec et de le modéliser à l'aide de méthodes statistiques d'une part, de décrire le sous-groupe de structures remplacées ainsi que les structures qui les remplacent. Nous nous attarderons tout particulièrement sur les structures remplacées par des structures d'un type autre que leur type initial ainsi que sur les facteurs explicatifs de ces remplacements particuliers. Enfin, nous chercherons à étudier le lien entre cette décision de remplacer une structure par une structure d'un type différent et l'état de la structure qui sera caractérisé par l'Indice de Condition Générale (ICG). Le cas général sera abordé à l'aide de méthodes économétriques d'inférence causale et d'estimation d'effet de traitement en particulier via une méthode d'appariement par score de propension. Ces méthodes nous permettent de comparer des structures en contrôlant pour un vecteur de covariables défini et ainsi nous assurer de comparer des observations similaires ou réellement comparables entres-elles. Certains cas particuliers bien spécifiés seront discutés. Après constitution d'une base de données par association de plusieurs bases fournies, ou rendues disponibles, par le Ministère des Transport, les analyses descriptives de l'état du réseau sont effectuées sur 11 455 observations, parmi lesquelles nous traitons plus en détail 1636 observations de remplacement sur la période 1990-2019. Il apparaît alors que, pour le cas général, remplacer une structure par une structure d'un autre type a un effet positif sur l'état de la structure. Ce résultat est confirmé lorsque l'on s'intéresse uniquement aux remplacements des ponts acier-bois mais est opposé lorsque l'on considère uniquement les remplacements des ponts à poutres en béton armé. Ces différences de résultats entre une étude globale sur tout le réseau d'infrastructures et d'autres plus précises basées uniquement sur certains types particuliers rendent compte des difficultés que l'on peut avoir à remplacer l'expérience quasi-naturelle qui consiste à comparer les évolutions de deux structures soumises aux mêmes conditions environnementales mais qui diffèrent par leur type ou leur matériau. L'objectif de ce mémoire est donc de mettre en exergue la possibilité de mise en place de démarches d'analyse au travers de certaines méthodes économétriques et de dégager des tendances ou des pistes de réflexion au lecteur qui pourraient conduire à de futures études sur la gestion d'un parc d'infrastructures.

Abstract

In recent years, the Quebec government tries to tackle its aging infrastructure network problem by initiating major investment policies. The Quebec Infrastructures Plan 2019-2029 thus provides for a total investment of 115,4 billion (CAD), nearly 80% of which is reserved for maintaining the service offering. The priority is put on accelerating the rehabilitation of its most obsolete infrastructure (restoration of the condition of the infrastructure or replacement in the most extreme cases) but also provides for simpler renovations or improvements to structures in poor condition. We have decided to pay special attention to the 19,4 billion dedicated to infrastructure replacements through the study of a database of structures replaced by the Ministère des Transports du Québec over the period 1990-2019. This particular interest in replacements comes from the ideal case study of the Barr and Isabey-Darnley pedestrian bridges in Montreal, which are at the origin of the approach of this document. These two bridges are subject to the same external constraints and have been replaced one year apart, the first by a new reinforced concrete structure, the other by an Ultra High Performance Fiber Concrete structure developed in the laboratories of the École Polytechnique de Montréal. The ideal situation of these two bridges will allow Ville de Montréal to study the evolution of the condition of the two structures and compare them over time, with the Barr pedestrian bridge acting as a control structure and the Isabey-Darnley pedestrian bridge built in a new material playing the role of the test structure. It is this process of comparing similar structures that we have tried to reproduce in this document. We will therefore first attempt to draw up a picture of the state of the Ministère des Transports du Québec's infrastructure network and model it using statistical methods, on the one hand, and to describe the sub-group of replaced structures and the structures that replace them, on the other. We will focus in particular on structures replaced by structures of a type other than their initial one and on the factors explaining these particular replacements. Finally, we will investigate the relationship between this decision to replace a structure with a different type of structure and the condition of the structure that will be characterized by the General Condition Index (GCI). The general case will be addressed using econometric methods of causal inference and treatment effect estimation, in particular through a propensity score matching method. These methods allow us to compare structures by controlling for a chosen vector of covariates and thus ensure that we compare similar observations with each other. Some specific cases will be discussed. After setting up a database by combining several databases provided by the Ministry of Transport, descriptive analyses of the state of the network will be carried out on 11 455 observations. We will deal in more detail with 1636 replacement observations over the period 1990-2019. We find that, for the general case, replacing a structure with a different type of structure has a positive effect on its global condition. This result is confirmed when we only study the remplacements of steel-wood bridges but is opposite when we only study the ones of reinforced concrete beam bridges. These differences in results between a global study on the entire infrastructure network and more precise studies based only on specific types of infrastructure reflect the difficulties that may be encountered in replacing the quasi-natural experience of comparing the evolution of two structures that are subject to the same environmental conditions but differ in type or material. The objective of this thesis is therefore to highlight the possibility of implementing analytical approaches through certain econometric methods and to identify trends or interesting tracks to the reader that could lead to future studies on the management of an infrastructure network.