mecoltra méthodologie de conception des locaux de travail

Préventica – 2004, Strasbourg 2et 3 juin 2004 1

MECOLTRA

Méthodologie de conception des locaux de travail

Outil d’aide à l’élaboration du programme

S. SALSI*, J.R. FONTAINE*, V. PLANEAU*, C. TERRIER** *INRS, Centre de Lorraine, Avenue de Bourgogne, BP 27, 54501 VANDOEUVRE Cedex **INRS, Centre de PARIS, 30 rue Olivier Noyer, 75680 PARIS Cedex 14

Résumé : L’INRS développe une méthodologie de conception des locaux de travail dont l’objectif d’aider les maîtres d’ouvrage à élaborer le programme de leur projet industriel. Cette méthodologie, appelée MECOLTRA, permet d'identifier et de prévenir les risques d'accident liés à la circulation des véhicules, des personnes et des matières et les risques physiques (bruit, thermique) ou chimiques associés à la mise en œuvre du procédé industriel. Elle permet également d'optimiser l'éclairage naturel des locaux industriels et de chiffrer les dépenses thermiques en faisant un bilan global des effets de l’apport solaire, de celui du procédé et de la ventilation. Dans MECOLTRA, l'évaluation des risques est réalisée à l'aide d'une méthode de scores ne prenant en compte que les éléments irréversibles d'un projet de conception, c'est-à-dire l'implantation, l'acoustique, la ventilation, le confort thermique et l'éclairage naturel.

1. Introduction

L’INRS développe un projet dont l’objectif général est d’élaborer une méthodologie de conception des locaux de travail (MECOLTRA) permettant d’identifier et de prévenir :

� les risques d’accident associés à la circulation de véhicules, de personnes, et des matières,

� les risques physiques (bruit, thermique) ou chimiques associés à la mise en œuvre du procédé industriel,

et d’optimiser l’éclairage naturel. L’outil MECOLTRA permet de sensibiliser les acteurs (maîtres d’ouvrage, programmistes) sur l’intérêt d’intégrer la prévention très en amont dans leur projet. Cet outil s’applique dès la phase d’élaboration du programme ou cahier des charges du projet industriel ; il propose des voies de solution intégrant la hiérarchisation des principes de prévention.

L’outil méthodologique se focalise sur les éléments importants et irréversibles de la conception : implantation du procédé, l’éclairage naturel, la ventilation, le confort thermique, le bruit. Il analyse en premier lieu le procédé, par le biais de l’étude d’implantation, il identifie ensuite les risques potentiels et enfin il propose des solutions permettant de les réduire. C’est un outil simple, d’une mise en œuvre rapide ; il devrait permettre d’éviter les grosses erreurs de conception vis-à-vis des risques identifiés.

MECOLTRA est un outil informatique qui de réalise des études de faisabilité du programme. Pour ce faire, différents scénarios d'implantation des bâtiments, du procédé et d'organisation


des flux sont envisagés et évalués sur les aspects techniques, économiques et de prévention. Il met en évidence les contraintes de fonctionnement et les moyens de prévention à développer. Un scénario final est ensuite retenu servant de base à la rédaction du programme.

2. Présentation générale des concepts et méthodes de

MECOLTRA

2.1. Méthodologie générale

Dans MECOLTRA, l'évaluation des risques potentiels, dans un projet de conception, sert de principe directeur à l'élaboration du programme ou du cahier des charges. Cette évaluation est réalisée à l'aide d'une méthode de scores.

Le score est un indicateur numérique qui permet d'évaluer la qualité, du point de vue de l'hygiène et de la sécurité, du programme ou du cahier des charges au cours de son élaboration. Il caractérise l'accroissement du risque auquel sont exposés les salariés travaillant dans un atelier spécifié par rapport à un atelier optimisé sur le plan de la prévention. MECOLTRA utilise cinq types de score, relatifs à chaque discipline concernée (implantation, acoustique, ventilation, thermique et éclairage naturel). Le score facilite l'interactivité et la recherche de compromis entre les différentes contraintes de prévention. Il permet en particulier d'identifier l'impact de toute modification du cahier des charges sur les scores des autres disciplines, par exemple l'influence d'un traitement acoustique d'un local sur le score correspondant à l’éclairage naturel.

L'élaboration du programme d’un projet de conception s’effectue en deux phases comme suit :

Phase 1 : Identification des risques associés au procédé et évaluation des besoins en énergétique et en éclairage naturel des bâtiments.

Au cours de cette phase, l’utilisateur décrit son projet à l'aide du module "implantation". L’analyse du procédé le conduit à définir différents secteurs à implanter (fabrication, circulation, ambiances physique ou chimique défavorables, support à la fabrication, transport,..). Pour ces différents secteurs, l'utilisateur définit des contraintes de proximité ou d’éloignement ainsi que des flux. Le module propose alors à l'utilisateur une implantation qui satisfait au mieux les contraintes et optimise les flux. Un score est affecté à la configuration ainsi définie. L’opérateur peut ensuite modifier la disposition des secteurs et le score "implantation" lui qualifie les déplacements effectués.

L’utilisateur soumet ensuite le projet à l’analyse des modules Acoustique, Ventilation et Eclairage naturel1 et, à l'aide de leurs scores respectifs, identifie les risques potentiels associés à la mise en œuvre du procédé et évalue les besoins en éclairage naturel des différents secteurs ou locaux. L’ambiance thermique, résultant à la fois du bâtiment, de l’éclairage naturel, du procédé et des dispositifs de ventilation mis en place, est examinée en fin d’analyse. Le score thermique est conceptuellement légèrement différent des autres, puisqu’il représente les besoins énergétiques nécessaires à l’obtention du confort thermique des occupants.


Les scores calculés lors de cette phase constituent les scores de base du projet, ils correspondent à des locaux non-traités sur le plan de la prévention. De plus, ils servent de référence à l’analyse détaillée des solutions correctives prévues à la phase 2.

Phase 2 : Analyse et prise en compte des solutions de prévention

A ce stade de l’analyse du projet, l’utilisateur choisi le type de correction qu’il souhaite traiter en priorité : réduction des risques liés au bruit ou à la pollution atmosphérique ou optimisation de l’éclairage naturel. Pour ce faire, l’utilisateur indique au module de calcul correspondant (Acoustique, Ventilation ou Eclairage) l’ambiance (sonore ou lumineuse) ou le niveau de pollution devant être affecté aux différents secteurs ou locaux. Le module concerné lui propose alors différentes solutions de prévention, d’efficacité différente, à prendre en compte (dimensions et implantation des prises de jour, mise en place d’un encoffrement, d’un captage localisé, cloisonnement d’un secteur, rapprochement ou éloignement de deux secteurs,…). Une fois la solution choisie, les 5 scores relatifs aux différentes disciplines sont évalués. Ces scores renseignent l’utilisateur sur l’efficacité de la solution corrective retenue et sur l’impact de celle-ci sur les autres scores.

Au terme de cette première boucle d’analyse, si l’utilisateur considère qu’un des scores est trop dégradé ou s’il souhaite modifier une mesure corrective ou en appliquer une nouvelle, il recommence l’étape 2, et ainsi de suite. L’utilisateur arrête les itérations lorsqu'il juge les solutions proposées par les différents modules et l’ensemble des scores correspondants satisfaisants.

2.2 Description sommaire du module Implantation

L’'implantation d’un projet industriel s'effectue en cinq étapes :

Etape 1 : Définition des entités ou secteurs à implanter (ateliers, partie d'atelier, machine, équipement, ...).

Etape 2 : Classification des secteurs en 4 catégories (processus de fabrication, circulation de véhicules, risques physiques ou chimiques défavorables, support de fabrication).

Etape 3 : Tableau des relations fonctionnelles de proximité ou d'éloignement des secteurs et flux de matières.

En utilisant les 5 niveaux définis dans le logiciel (cf. figure 1) pour préciser les contraintes de proximité entre les différents secteurs précisés lors de l’étape 2, les contraintes liées à chacun des secteurs sont introduites dans le logiciel (cf. figure 2).

A Proximité absolument nécessaire

E Proximité très importante

I Proximité importante

X Éloignement très important

Z Éloignement absolument nécessaire

Figure 1 : Niveaux de relations de proximité entre secteurs


Figure 2 : Introduction des contraintes de proximité entre les secteurs

Etape 4 : Projet d'implantation fonctionnelle des secteurs déterminé par le logiciel (cf. figure 3)

Le logiciel fournit un schéma d’implantation fonctionnel indépendant des surfaces des secteurs ainsi que les scores partiels des différents secteurs.

Figure 3 : Implantation fonctionnelle déterminée par le logiciel


Etape 5 : Projet d'implantation générale des secteurs fourni par le logiciel.

En prenant en compte les surfaces, scores partiels et surfaces des secteurs (cf. figure 4), le logiciel fournit automatiquement un projet d’implantation générale. Celui-ci peut ensuite être modifié manuellement par l’utilisateur via l’interface graphique, le logiciel indiquant à chaque étape l’évolution du score « implantation » correspondante (cf. figure 5).

Figure 4 : tableau récapitulatif des propriétés géométriques des secteurs

Figure 5 : Implantation générale déterminée par le logiciel


2.3. Description sommaire du module Eclairage naturel existant

Le module de calcul des scores en éclairage naturel permet de déterminer les surfaces des prises de jour à mettre en œuvre (sur les parois définies par l'utilisateur) vérifiant au mieux sur une année les éclairements recommandés des différents secteurs d’activités définis par le module Implantation. Le local est considéré par l’outil comme un volume parallélépipédique vide. Le sol est découpé en zones d’activités. A chacune d’elles sont associées une activité professionnelle et une contrainte d’éclairement minimal et moyen. Les façades sont découpées en zones d’apport de lumière selon le découpage au sol, le long des parois.

Le module de calcul se réfère à un fichier de données contenant :

� les caractéristiques géométriques du local et des secteurs d’activité (zones du plan utile) ainsi que sa localisation,

� le type de matériau verrier des prises de jour, � le type d’environnement ou de prospect, � les contraintes d’éclairement des différentes zones d’activité.

A la fin des calculs, s'ouvre une fenêtre graphique permettant de visualiser le local (cf. figure 6), le positionnement des différents plans utiles, l'implantation des ouvertures ainsi que les scores locaux et global. La configuration affichée à l'ouverture de la fenêtre correspond à la configuration donnant le meilleur score global.

Figure 6 : Visualisation des résultats de calcul.

Protection solaire nécessaire

Aucune protection solaire nécessaire

Score de la zone d’activité


Les différents éléments de cet affichage sont :

- la direction du nord,

- les zones d’activités,

- au centre de chaque zone, le score de la zone et, entre parenthèses, le pourcentage de temps pendant lequel l'uniformité est supérieure au valeurs demandées,

- en bleu, les ouvertures ne nécessitant pas de protection solaire et en cyan celles pour lesquelles il faut en prévoir une (les ouvertures en toiture ne sont pas concernées par cette différentiation; elles apparaissent toujours en bleu).

Ce module de calcul trie les différentes configurations dans le but de fournir à l'utilisateur une palette de configurations intéressantes. Pour chaque zone d'activité, le score calculé traduit le respect des contraintes d'éclairement minimal. A partir des scores par zone d'activité, un score global pour l'année et pour la configuration est donné. Ce score global diminuera avec le respect des contraintes par zone (cf. figure 7).

Figure 7 : Liste des meilleures configurations.

2.4. Description du module Acoustique – Méthode du calcul des scores L’objectif de ce module de calcul est de définir un score permettant de révéler la présence d’un risque bruit dans un projet de conception, et d’identifier les situations nécessitant un traitement acoustique particulier.

A partir des définitions fonctionnelles réalisées à l’aide du module Implantation, l’ensemble des secteurs constituant le projet sont identifiés, positionnés sur le site et dimensionnés. A


chacun de ces secteurs sont affectés une ambiance sonore recommandée et une ambiance sonore produite par les activités exercées dans ce secteur. Pour les ambiances sonores recommandées, il faut distinguer :

� les secteurs comportant des postes de travail de type tertiaire nécessitant un certain confort acoustique,

� les secteurs comportant des postes de travail de production nécessitant une exposition sonore compatible avec la santé des travailleurs.

Les ambiances sonores produites par l’activité, sont de trois types :

� les activités peu bruyantes, inférieures à 60 dB (A), � les activités bruyantes, comprises entre 60 et 90 dB(A), � les activités très bruyantes, supérieures à 90 dB(A).

Ce classement des ambiances sonores recommandées et produites permet d’affecter un score bruit élémentaire, à chaque secteur pour chacune des activités de l’entreprise en utilisant la table de correspondance ci-dessous. Ce score est représentatif de l’impact d’un secteur sur tous les autres secteurs y compris lui-même et correspond à l’écart entre le niveau d’ambiance créé par l’activité et le niveau d’ambiance sonore recommandé.

Ambiances sonores liées à l’activité d’un secteur Score bruit élémentaire

peu bruyante

bruyante

très bruyante

bureau 0 30 45 Ambiances recommandées pour un secteur atelier 0 0 15

Figure 8 : Grille de correspondance des scores élémentaires bruit Une table à double entrée (cf. figure 8) peut alors être établie pour exprimer l’écart entre l’ambiance recommandée pour le secteur ‘i’ et l’ambiance sonore liée aux activités du secteur ‘j’. De plus, afin de tenir compte des personnes qui travailleront ou circuleront dans les différents secteurs, les scores élémentaires sont pondérés par un coefficient tenant compte de l’effectif de passage ou de l’effectif affecté à chaque secteur ainsi qu’un taux de fréquentation. Les possibilités de réduction des scores élémentaires prises en compte à ce stade de la conception sont classées en deux catégories: • traitement acoustique lourd gain score 30 • traitement acoustique léger gain score 15 Lorsqu’un secteur est traité sur le plan acoustique (traitement lourd ou léger), tous les éléments du tableau le concernant sont diminués du gain score correspondant au traitement appliqué. L’application des différentes possibilités de réduction ne peut en aucun cas rendre


un score élémentaire négatif. Tous les scores élémentaires de la table à double entrée doivent être supérieurs ou égaux à zéro. Le score bruit global du projet de conception est obtenu en sommant tous les scores élémentaires de la table à double entrée. Compte tenu de la convention adoptée le score global de conception doit être le plus petit possible. Un capotage sera assimilé à un traitement acoustique léger quelle que soit l’activité encoffrée. Par contre, le recours à des processus particuliers de traitement acoustique d’une activité (dalle flottante, encoffrement global, chambre close spéciale, …) est considéré comme un traitement acoustique lourd. Un traitement acoustique peut également correspondre par exemple à une séparation physique entre certains secteurs :

• lorsque certains secteurs sont séparés en les plaçant dans deux bâtiments distincts, on

utilise le gain score correspondant au traitement acoustique lourd (30), • lorsque la séparation physique correspond uniquement à une cloison simple, on utilise le

gain score correspondant au traitement acoustique léger (15). Toutefois, ce gain est pondéré par un coefficient qui tient compte de la distance séparant les secteurs.

Tous les secteurs se trouvant séparés physiquement du secteur traité se voient attribuer chacun un gain score identique. La répartition des activités dans les bâtiments peut donc être optimisée en exploitant le diagramme des relations fonctionnelles et le score bruit. L’étude du score bruit et de son évolution en fonction des différents scénarios testés permet de révéler la présence d’un risque bruit dans un projet de conception, et d’identifier les situations nécessitant un traitement acoustique particulier. 2.4. Modules Ventilation et Thermique - Calcul des scores ventilation et

Thermique

En ventilation et en thermique, le score élémentaire est calculé pour un ensemble de secteurs regroupés dans un même volume fermé, délimité par les parois extérieures et internes (les secteurs communiquent entre eux et ne sont pas séparés par des parois ). Le score final du projet, non arrêté à ce jour, peut être la somme des scores élémentaires, pondérés ou non par le volume, le nombre de personnes, etc. 2.5.1. Données complémentaires pour le calcul des scores en ventilation et thermique –

descriptif des activités Les secteurs ayant été définis, il s’agit de renseigner chaque secteur sur :

� l’existence ou non d’un polluant, irritant, nocif-toxique ou très toxique. Dans ce dernier cas, la méthode n’est pas utilisable, une expertise est recommandée,

� la présence ou non de source thermique, un choix de puissance thermique dissipée dans le secteur est proposé, allant de très faible à très élevée avec la possibilité de spécifier une valeur connue. La puissance affectée au secteur est fonction de l’existence ou non de sources, du nombre de machines, du taux d’utilisation et du choix de la puissance,


� lorsque polluant et source thermique coexistent, il est nécessaire d’indiquer si les sources sont confondues ou non.

2.5.2. Calcul du score élémentaire en ventilation Le score élémentaire découle du descriptif des activités préalablement réalisé, et des stratégies de prévention adoptées. A chaque secteur est affecté un score de base qui est fonction de son activité et des activités des autres secteurs. Ce score est corrigé en fonction des options de prévention retenues, le score final prenant en compte la fréquentation de chaque secteur.

2.5.3. Les scores de base Ils dépendent des activités des secteurs, en effet, l’activité d’un secteur affecte tous les autres secteurs, y compris lui-même Les valeurs adoptées s’échelonnent de 0 à 100 ; par exemple, le score de base est égal à :

� 100 par source thermique et polluant nocif-toxique, sources distinctes, � 80 par source thermique et polluant irritant, sources distinctes, � 40 par source thermique et polluant irritant, sources confondues, � 40 par seule présence de source thermique ou seule présence de polluant irritant, � …. � 20 si aucune nuisance dans le secteur considéré

Par exemple, si une source thermique est présente dans un secteur, on affecte un score de base de 40 à ce secteur et 40 aux secteurs adjacents. En revanche, si dans un secteur il n’y a aucune nuisance, un score de base de 20 est attribué à celui-ci et 0 aux secteurs adjacents (l’activité du secteur concerné n’a pas d’influence sur les autres secteurs ).

2.5.4. Les stratégies de prévention et les corrections appliquées Les stratégies sont relatives à la ventilation générale et au captage localisé. Les corrections sur les scores s’appliquent sur chaque score de base des secteurs, et résultent des choix effectués sur la ventilation générale, sur les captages localisés et sur la compensation mécanique. La ventilation générale concerne tout le volume étudié et s’applique donc à tous les secteurs le constituant. Les options possibles sont les suivantes :

� aucune installation de ventilation générale ou ventilation naturelle, dans ce cas le score n’est pas corrigé,

� installation de ventilation générale mécanisée avec débit minimum légal en supposant une absence de pollution spécifique (débit fonction du type de local), une correction de 10 est appliquée au score de base propre au secteur,

� installation de ventilation générale simple (aspiration ou soufflage), � installation d’une ventilation générale avec compensation mécanique.


Dans les deux derniers cas, il est nécessaire de choisir un débit s’échelonnant de faible à élevé (3 niveaux) ou de spécifier une valeur connue de ce débit. Le débit de ventilation est alors calculé en appliquant un certain taux de renouvellement horaire suivant la présence ou non dans le volume de polluants ou de sources thermiques. Le captage localisé est propre à chaque secteur. Dans ce cas, l’opérateur peut choisir d’installer un captage localisé sur une source thermique et/ou un polluant d’un secteur particulier. Il doit en outre spécifier le nombre de captage à installer, renseigner sur la surface du captage ( 3 options, S ≤ 1 m2, 1 m2 < S ≤ 3 m2, S > 3 m2), sur le taux d’utilisation (4 options) et sur un niveau en débit (4 options de faible à très élevé). Il indique également si le débit mis en jeu est compensé mécaniquement et, lorsque les deux sources sont distinctes, si le captage s’applique à la source thermique, au polluant ou l’ensemble source thermique - polluant. Le débit de ventilation par captage localisé est calculé en fonction des options retenues pour chaque secteur. Une correction supplémentaire à celle déterminée lors de l’utilisation d’une ventilation générale est appliquée aux scores de base, en fonction du débit de captage localisé. La correction est comprise entre 30 et 50 selon la relation : correction = 30 + Qcaptage/10000 avec une correction maximale de 50. Lorsque les deux sources (thermique et pollution chimique) sont distinctes et les deux captages définis, la correction totale prend en compte les deux corrections par captage localisé. Enfin, dès qu’une option de compensation mécanique est prise, que ce soit en ventilation générale ou en ventilation localisée, une correction supplémentaire s’applique aux scores ; en fonction du débit de ventilation du local. Le débit de ventilation du local est la somme du débit de ventilation générale et des débits par captage localisé. La correction prise en compte est : 2,5 + 0,33 Qventilation/Vlocal, avec une correction maximale de 15.

2.5.5. Calcul des scores élémentaires en thermique Les scores en thermique permettent uniquement de quantifier l’influence d’options sélectionnées dans les autres modules ( Acoustique, Eclairage, Ventilation ). Ils sont basés sur un bilan thermique simplifié effectué en hiver et en été, pour lesquels les ponts thermiques et les échanges avec les volumes adjacents sont négligés. Ils correspondent aux apports ou aux pertes exprimées en kw nécessaires à maintenir le local à la température interne spécifiée. Les calculs sont effectués en prenant une température interne de 18°C pour l’hiver et de 24°C en été. Les températures externes et le rayonnement solaire sont fonction de la localisation géographique. Les scores résultent des apports ou pertes par transmission à travers les parois, des échanges par renouvellement d’air et de la charge interne. Le score d’été tient compte en plus des apports solaires par les vitrages. La transmission à travers les parois différencie les surfaces opaques en toiture des surfaces opaques verticales et les surfaces vitrées en toiture de celles sur les parois verticales. Les échanges par renouvellement d’air prennent en compte les débits de ventilation déterminés dans le module Ventilation. La charge thermique est fixée par l’opérateur.


Pour le score d’été, les apports supplémentaire par rayonnement solaire sont déterminés pour les parois vitrées, en fonction de leur orientation ( toiture, expositions nord, sud, est et ouest ), du type de vitrage sélectionné, ainsi que d’une éventuelle protection solaire ( 3 options : sans, écran interne, écran externe).

3. Conclusion Les développements de MECOLTRA se termineront dans le courant de l’année 2005. Ensuite, dans le but de valider cet outil, des analyses de projets réels de conception seront réalisées. La diffusion, par l’INRS, de ce logiciel peut être envisagée à partir de 2006.

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