Dimensionnement d'Une Éolienne en BFUP_VF

3

Conception et dimensionnement d’une éolienne en BFUP Projet de construction, Génie civil, MA2, 2013

Étudiants : ..........................Ha-Phong Nguyen Hamza Sehaqui Professeurs : ......................... Eugen Brühwiler Emmanuel Denarié

Faculté environnement naturel, architectural et construit

MCS

MAINTENANCE CONSTRUCTION SÉCURITÉ

INSTITUT D’INGÉNERIE CIVILE

Projet de construction Génie civil, MA2

Conception d’une éolienne en BFUP

Hamza Sehaqui Ha-Phong Nguyen

Remerciement Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet de construction de génie civil. Notre choix s’est porté sur la conception et le dimensionnement d’un mât d’éolienne en Béton Fibré à Ultrahaute Performance (BFUP). Nous avons opté pour ce choix tout d’abord par rapport à l’importance et le rôle clé des énergies renouvelables dans le contexte énergétique actuel et futur. L’éolien est un pilier sur lequel la Suisse devra s’appuyer pour son approvisionnement en énergie renouvelable. De plus, ce projet nous a notamment permis de mettre en pratique les notions acquises lors du cours « Matériaux et Structures ». Nous tenons à adresser tout d’abord nos remerciements les plus profonds et les plus sincères au Professeur Eugen Brühwiler, pour l’opportunité qui nous a accordé pour réaliser ce projet. Nous remercions également le Professeur Emmanuel Denarié qui s’est rendu disponible pendant toute la période de ce projet et qui fût une source d’information qui nous a été très utile pour mener à bien notre projet.

EPFL

- Page I / V -

2012 - 2013




Table des matières 1. Introduction ......................................................................................................................... 1 2. Objectif du projet ................................................................................................................ 2 3. Revue litéraire ..................................................................................................................... 3 3.1. Béton fibré ultra performant ......................................................................................... 3 3.1.1. Composition du BFUP ........................................................................................... 3 3.1.2. Comportement du BFUP........................................................................................ 3 3.2. Généralités sur les éoliennes......................................................................................... 5 3.2.1. Historique ............................................................................................................... 5 3.2.2. Définitions et types ................................................................................................ 6 3.2.3. Terminologies et fonctionnement .......................................................................... 7 3.3. Le mât ........................................................................................................................... 8 3.3.1. Rôle du mât ............................................................................................................ 8 3.3.2. Matériaux employés pour le mât.......................................................................... 10 4. Mât en BFUP ..................................................................................................................... 11 4.1. Solution 1 .................................................................................................................... 11 4.1.1. Description générale ............................................................................................ 11 4.1.2. Elément du mât .................................................................................................... 11 4.1.3. Phasage de construction ....................................................................................... 13 4.1.4. Précontrainte ........................................................................................................ 14 4.2. Solution 2 .................................................................................................................... 19 5. Choix de l’emplacement.................................................................................................... 21 5.1. Généralité.................................................................................................................... 21 5.2. Carte des vents ............................................................................................................ 21 5.3. Exposition et turbulence ............................................................................................. 22 5.4. Protection de la nature et du paysage ......................................................................... 23 5.5. Sites construits à protéger et voies de communication historiques : .......................... 23 5.6. Choix final du site....................................................................................................... 24 6. Dimensionnement du mât.................................................................................................. 26 6.1. Démarche .................................................................................................................... 26 6.2. Paramètres des matériaux utilisés ............................................................................... 26 6.3. Principe de dimensionnement ..................................................................................... 29 6.4. Charges agissant sur la tour ........................................................................................ 29 6.4.1. Charges variables ................................................................................................. 30 6.4.2. Charge permanente .............................................................................................. 31 6.4.3. Charges dynamique engendré sur le mât ............................................................. 32

EPFL

- Page II / V -

2012 - 2013




6.4.4. Combinaison des charges ..................................................................................... 33 6.4.5. Récapitulation des forces agissant sur le mât ...................................................... 33 6.5. Modèle RFEM du mât ................................................................................................ 34 6.6. Dimensionnement dynamique du mât ........................................................................ 36 6.7. Dimensionnement à l’ELU et l’ELS .......................................................................... 40 6.8. Vérification à l’ELS.................................................................................................... 44 6.8.1. Vérification des déformations .............................................................................. 44 6.8.2. Dimensionnement de la précontrainte ................................................................. 45 6.8.3. Vérification des résistances en section ................................................................ 46 6.9. Vérification à l’ELU ................................................................................................... 48 6.10. Géométrie finale ....................................................................................................... 50 6.11. Dimensionnement à la fatigue .................................................................................. 52 7. Dimensionnement des fondations ..................................................................................... 54 7.1. Méthode de dimensionnement .................................................................................... 54 7.2. Dimensionnement de la semelle ................................................................................. 56 8. Comparaison du mât en BFUP avec l’acier ...................................................................... 58 9. Conclusion et suggestions ................................................................................................. 60 10. Bibliographie ..................................................................................................................... 61 11. Annexes ............................................................................................................................. 62

Liste des figures Figure 1-1 Augmentation de la taille des éoliennes commerciales avec le temps selon L'IPCC, 2011 ............................................................................................................................................ 1 Figure 3-1 Relation entre la contrainte et la déformation du BFUP non fibré, selon Fehling et al., 2004 ...................................................................................................................................... 4 Figure 3-2 Relation entre la contrainte flexionnel et le déplacement pour un BFUP selon Fehling, Bunje, & Leutbecher, 2004 .......................................................................................... 4 Figure 3-3 L'éolienne de Charles Brush, Cleveland, 1988 ......................................................... 5 Figure 3-4 Les dix premières capacités mondiales d’énergie éolienne selon le Rapport mondial 2010 sur l’énergie éoliennes......................................................................................... 6 Figure 3-5 Constituants d'une éolienne ...................................................................................... 7 Figure 3-6 Portance sur le profil d'une pale d'éolienne .............................................................. 7 Figure 3-7 Augmentation de la vitesse du vent avec la hauteur................................................. 9 Figure 3-8 Puissance produite en fonction de la hauteur des éoliennes pour une surface identique, selon Brughuis, 2004 ................................................................................................. 9 Figure 4-1 Géométrie d’une éolienne bi-effilée ....................................................................... 12 Figure 4-2 Assemblage des segments des voussoirs ................................................................ 13 Figure 4-3 Section type et de base ........................................................................................... 14 Figure 4-4 Coupe en plan entre deux sections type ................................................................. 15 Figure 4-5 Section type composé de quatre anneaux ............................................................... 16 Figure 4-6 Coupe verticale de la liaison entre deux sections types ......................................... 16 EPFL

- Page III / V -

2012 - 2013




Figure 4-7 Mise en plan d'une coupe verticale entre deux anneaux intermédiaire .................. 17 Figure 4-8 Vue en plan d'un bossage intermédiaire ................................................................. 17 Figure 4-9 Assemblage d'élément pour constituer un voussoir complet .................................. 18 Figure 4-10 Précontrainte orthoradiale à l'aide de l'ancrage X développé par Freyssinet ....... 18 Figure 4-11 Géométrie retenue pour la solution 2 ................................................................... 19 Figure 4-12 Transport des segments pour le mât ..................................................................... 19 Figure 4-13 Principe de la précontrainte pour la solution 2 ..................................................... 20 Figure 5-1 Vitesse moyenne annuelle du vent à 50 m du sol ................................................... 21 Figure 5-2 : Zone de turbulence ............................................................................................... 22 Figure 5-3 : Surface habitée et zones forestières...................................................................... 22 Figure 5-4 : Zones de protection de la nature et du paysage .................................................... 23 Figure 5-5 : Zone des sites construits à protéger et des voies de communication historiques . 24 Figure 5-6 : Zones propices à l'implantation d'éoliennes ......................................................... 24 Figure 5-7 : Zone choisie pour l'implantation du parc éolien .................................................. 25 Figure 5-8 Photo montage de l'éolienne à Provence ................................................................ 25 Figure 6-1 Comportement du BSI en traction selon Jung04 .................................................... 27 Figure 6-2 Charge direct du vent en fonction de l'altitude ....................................................... 31 Figure 6-3 Comparaison de l'éolienne SeaTitan avec les autres éoliennes traditionnelles ...... 32 Figure 6-4 Bilan des forces appliquées à la tour ...................................................................... 33 Figure 6-5 Division du mât en vingt sections .......................................................................... 34 Figure 6-6 Vue complète du mât et son maillage..................................................................... 35 Figure 6-7 Fondation du mât .................................................................................................... 35 Figure 6-8 Fréquence d'excitation 1P et 3P .............................................................................. 36 Figure 6-9 Gauche: réponses en traction comparées d'un BFUP, écrouissant en traction, d'un béton et d'un béton fibré; Droite: réponses en traction comparées d'un BFUP écrouissant en traction et de barre d'armature passives en acier. ..................................................................... 37 Figure 6-10 Déformation (x64) du mât selon les dix premiers modes de vibration ............... 39 Figure 6-11 Fréquence propre et d’excitation du mât .............................................................. 40 Figure 6-12 Méthode pour la vérification à l’ELS ................................................................... 41 Figure 6-13 Méthode pour la vérification à l’ELU .................................................................. 42 Figure 6-14 Force de précontrainte .......................................................................................... 46 Figure 6-15 Fréquence propre et d’excitation du mât pour la géométrie finale ....................... 52 Figure 7-1 Cas de chargement de la semelle ............................................................................ 54 Figure 7-2 Réaction d'appui selon l'axe global Z ..................................................................... 56 Figure 7-3 Répartition des réactions d'appuis selon l'axe global Z .......................................... 56 Figure 7-4 Réaction d'appui selon l'axe global X..................................................................... 57 Figure 11-1 Valeur de référence de la pression dynamique du vent ........................................ 62 Figure 11-2 SeaTitan™ 10MW wind turbine ............................................................................ 64

Liste des tableaux Tableau 3-1 Composition typique d'un BFUP selon Vande Voort et al., 2008 ......................... 3 Tableau 6-1 Composition par m3 du BSI ................................................................................. 27 Tableau 6-2 Propriétés mécaniques moyennes du BSI utilisé pour le mât .............................. 27 Tableau 6-3 Caractéristiques des torons de précontrainte ........................................................ 28 Tableau 6-4 Hauteur du gradient zg et exposant de la rugosité du sol αr ................................. 30 Tableau 6-5 Valeurs de chargements à l'ELU .......................................................................... 33 Tableau 6-6 Paramètres pour définir la géométrie retenue du mât après l’analyse dynamique .................................................................................................................................................. 38 EPFL

- Page IV / V -

2012 - 2013




Tableau 6-7 Dix premières fréquences propres du mât............................................................ 38 Tableau 6-8 Géométrie retenue à l’ELS pour les déformations ............................................... 45 Tableau 6-9 Caractéristique des câbles de précontrainte ......................................................... 46 Tableau 6-10 1ère itération à l'ELS ........................................................................................... 47 Tableau 6-11 Sections définitives retenus à l'ELS .................................................................. 48 Tableau 6-12 Vérification des sections pour l’ELU avec les épaisseurs obtenue pour l’ELS . 48 Tableau 6-13 1ère itération à l’ELU ........................................................................................ 49 Tableau 6-14 2ème itération à l'ELU ....................................................................................... 50 Tableau 6-15 Géométrie finale du mât ..................................................................................... 50 Tableau 6-16 Déformation du mât à l’ELS et à l’ELU ............................................................ 51 Tableau 6-17 Dix première fréquences propres du mât ........................................................... 52 Tableau 7-1 Capacité portante du terrain et propriétés du béton de la semelle........................ 54 Tableau 7-2 Force axiale, moment renversant et excentricité .................................................. 56 Tableau 7-3 Efforts de cisaillement des appuis ........................................................................ 57 Tableau 7-4 Dimensions de la semelle ..................................................................................... 57 Tableau 8-1 Caractéristiques de l'acier S355 ........................................................................... 58 Tableau 8-2 Epaisseurs obtenues à l'ELS et l'ELU pour le mât en acier ................................. 58 Tableau 8-3 Comparaison des coûts pour le mât en BFUP et en acier .................................... 59

EPFL

- Page V / V -

2012 - 2013




1. Introduction S’éclairer. Se chauffer. Ecouter la radio. Regarder la télévision. Utiliser son téléphone. Prendre la voiture ou voyager en avion. Des actions de tous les jours qui grâce à un effort construit à travers l’histoire, procurent confort et satisfaction. Ces actions, ces objets n’existeraient pas sans une ressource indispensable : l’énergie. Aujourd’hui, une grande partie de l’approvisionnement de l’homme en énergie viennent des énergies fossiles et de l’énergie nucléaire. Ces types d’énergies présentent un danger imminent menaçant l’existence de l’être humain sur terre : leurs émissions excessives de CO2, leur épuisement accéléré, et surtout les accidents qu’elles engendrent (accident de Fukushima, guerres en relation avec le pétrole). Face à cela, une décision de sortir progressivement du nucléaire en Suisse a été prise, ce qui confrontera la Suisse à des défis majeurs. Une issue est l’énergie renouvelable, une énergie propre et non-polluante contrairement aux combustibles. La loi a alors fixé dans le domaine des énergies renouvelables en Suisse des références nouvelles : d’ici à 2030, la production annuelle d’électricité provenant des énergies renouvelables devrait augmenter de 5400 GWh par rapport à la production de l’an 2000. L’énergie éolienne devrait contribuer pour au moins 10% (environ 600 GWh) à la production énergétique. Depuis la publication de cette loi, l’éolien reçoit de plus en plus d’importance dans la recherche et le développement. C’est une valeur sûre car il est fiable, économique et écologique. Les éoliennes sont donc en pleine expansion. Le faite que leur exploitation peut s’avérer très rentables dans les régions ventées, des sommes importantes sont investies dans leur fabrication et leur installation. Leur fonctionnement devient de plus en plus fiable et leur taille devient de plus en plus impressionnante. La Figure 1-1 montre l’évolution de la taille moyenne des éoliennes commerciales avec le temps.

Figure 1-1 Augmentation de la taille des éoliennes commerciales avec le temps selon L'IPCC, 2011

EPFL

1

2012 - 2013




2. Objectif du projet Le contexte actuele et futur de l’énergie éolienne fait que nous sommes constamment à la recherche d’une augmentation de la puissance des éoliennes. Pour garantir cela, le besoin d’agrandir les éoliennes se fait ressentir. Non seulement un travail précis doit être fournis par l’ingénieur, mais la nécessité d’utiliser des matériaux résistants et unique est primordiale. L’ingénieur structural doit donc être en mesure de proposer de nouvelle solution technique. Comme on peut s’en douter, le mât est le composant d’une éolienne qui requiert le plus de matériaux et se doit d’être minutieusement dimensionné par rapport aux charges qui agissent dessus. De nos jours, celui-ci est couramment fabriqué en acier. Néanmoins, on trouve aussi des mâts fabriqués en béton armé pour une utilisation offshore où l’environnement est plus corrosif. Il est indéniable que de plus en plus d’éolienne vont se construire dans les prochaines années. Le premier défi de cette augmentation du nombre d’éolienne est l’utilisation d’un matériau plus sophistiqué pour la fabrication de l’éolienne en vue de réduire les émissions et d’augmenter la sécurité structurale et l’aptitude au service. Le deuxième défi qui se présente à nous est l’utilisation de plus en plus complexe des éoliennes. Face à des tailles croissantes, la structure des éoliennes est confrontée à de grandes charges et est sollicité dans des environnements toujours plus difficiles. Ces différentes contraintes rendent la conception d’une éolienne plus compliquée surtout lorsque seul des matériaux traditionnel telle que le béton armé ou l’acier sont employés. Par conséquent, il est primordiale d‘étudier de nouvelles possibilités de matériaux pour la fabrication du mât. Le béton fibré ultra performant (BFUP) offre de nouvelles propriétés de résistance, de comportement mécanique et de durabilité qui peuvent se révéler plus efficace pour la conception du mât et ainsi contribuer à une avancée significative dans le domaine des éoliennes. En se basant sur les modèles de comportement développés pour les BFUP ainsi que les conditions de charge des éoliennes, l’objectif de ce projet est de concevoir en BFUP le mât d’une éolienne. Le dimensionnement du mât sera effectué pour différents types de matériaux afin de pouvoir comparer les bénéfices et les défis associés aux différentes alternatives.

EPFL

2

2012 - 2013




3. Revue litéraire La première partie de ce chapitre a pour but de rappeler les principales propriétés et le comportement des BFUP. La seconde partie traite du fonctionnement général des éoliennes et plus particulièrement du rôle du mât. Pour finir, nous expliquerons en quoi la conception des mâts en BFUP peut se révéler avantageuse. 3.1. Béton fibré ultra performant Un BFUP peut être défini comme un matériau à matrice cimentaire ultra compacte renforcé par des fibres discontinues afin d’obtenir un comportement ductile en traction. Cette ductilité permet à la structure de reprendre des charges post-fissuration. Le BFUP est aussi reconnu pour ses excellentes propriétés mécaniques et de protection. Un BFUP de composition typique montre une résistance à la compression sur cylindre de 200MPa et une résistance à la traction comprise en 10 et 15MPa à 28 jours. 3.1.1. Composition du BFUP Un BFUP est généralement composé d’un liant, de sable, de fumée de silice, de sable de quartz, de superplastifiant, d’eau et de fibres métalliques. Les quantités typiques de ces différentes composantes sont données dans le Tableau 3-1. Quantité par m3 [kg]

Composant Sable

490-1390

Ciment

610-1080

Fumée de silice

50-334

Sable de quartz

0-410

Fibres

40-250

Superplastifiant (solide) Eau

9-71 126-261

Tableau 3-1 Composition typique d'un BFUP selon Vande Voort et al., 2008

3.1.2. Comportement du BFUP •

Comportement en compression

La résistance moyenne à la compression à 28 jours des BFUP se situe entre 150-220MPa selon Fehling, E., Bunje, K., & Leutbecher, T. (2004). Sans fibre, les BFUP ont un comportement purement linéaire élastique en compression. Lorsqu’on atteint 85% de la résistance à la compression, le comportement du BFUP devient non linéaire comme le montre la Figure 3-1.

EPFL

3

2012 - 2013




Figure 3-1 Relation entre la contrainte et la déformation du BFUP non fibré, selon Fehling et al., 2004

Cette résistance élevée à la compression est due à la matrice cimentaire ultra compacte du BFUP ainsi qu’à un très faible rapport eau sur liant. Outre la ductilité qu’apporte l’ajout de fibre, ceci peut aussi contribuer à augmenter la résistance à la compression du BFUP grâce au confinement latéral de celui-ci. La cure thermique permet également d’augmenter la résistance en diminuant la porosité du BFUP. •

Comportement en traction

Selon Fehling et al. (2004), la résistance à la traction des BFUP sans fibre s’élève à 7-10MPa et celle avec l’ajout de fibre à 15MPa. L’introduction de fibre a pour principal objectif de rendre le béton ductile afin d’éviter une rupture fragile de la structure. •

Comportement flexionnel

La Figure 3-2 montre le comportement flexionnel d’un BFUP selon différentes orientations de fibres.

Figure 3-2 Relation entre la contrainte flexionnel et le déplacement pour un BFUP selon Fehling, Bunje, & Leutbecher, 2004

Avant l’apparition de la fissure, le matériel a un comportement linéaire élastique alors qu’il devient non linéaire après l’émergence de la fissure de la matrice. La contrainte flexionnelle EPFL

4

2012 - 2013




continue d’augmenter jusqu’à la contrainte maximale. Nous assistons dès lors à une diminution progressive de la contrainte jusqu’à la rupture des fibres. 3.2. Généralités sur les éoliennes 3.2.1. Historique Depuis longtemps, l’homme a compris que le vent est une source d’énergie qui pouvait être utilisé à divers usage. Sa première utilisation remonte à l’Antiquité où le vent servait à faire avancer les bateaux à voile. Ensuite, c’est au 7ème siècle en Afghanistan qu’apparaissent les premiers moulins à vent servant à produire l’énergie mécanique nécessaire pour moudre les grains. Avec le développement rapide de l’agriculture, les moulins à vent ont été transformés en éolienne afin de pomper l’eau nécessaire à l’exploitation de terres agricoles. Beaucoup considère que la première éolienne destinée à la production d’électricité est apparue au 19ème siècle avec les travaux de Brush sur le stockage d’énergie par batterie.

Figure 3-3 L'éolienne de Charles Brush, Cleveland, 1988

Un tournant de l’histoire des éoliennes fût la crise pétrolière de 1973 après laquelle de nombreux programme de recherche furent mise sur pied un peu partout dans le monde. Cela a abouti à plusieurs solutions alternative à l’éolienne à axe horizontale. On cite notamment les éoliennes à axe vertical et les tours de cheminées solaires. Vers les années 1980, l’éolienne à axe horizontal « danoise » composé de trois hélices et atteignant 60m de diamètre a été inventée et s’est révélée extrêmement efficace. En 1990, des recherches ont permis de créer des aérogénérateurs avec une capacité supérieure à 1MW. Au début des années 2000, afin de lutter contre le réchauffement climatique et d’assurer son indépendance énergétique, l’Union européenne s’est fixé comme objectif d’augmenter significativement la part d’énergie renouvelable utilisé. De nos jours, les éoliennes sont principalement utilisées pour la production de courant alternatif aux centrales nucléaires, aux barrages hydro-électriques, etc. Cependant, leurs exploitations restent limitées dans la production d’électricité mondiale. Au niveau mondial, la 5 EPFL 2012 - 2013




Chine, les Etats-Unis et l’Allemagne sont actuellement les principaux leader de cette filière comme le montre la Figure3-4.

Figure 3-4 Les dix premières capacités mondiales d’énergie éolienne selon le Rapport mondial 2010 sur l’énergie éoliennes

3.2.2. Définitions et types Les éoliennes sont des structures qui permettent de transformer l’énergie du vent en énergie mécanique. Ce sont des ouvrages particuliers car ils concernent à la fois l’ingénieur mécanicien pour les pales, et l’ingénieur structural pour l’étude du mât. Plusieurs types d’éoliennes existent actuellement sur le marché. Parmi elles, on peut citer les éoliennes à axe vertical tel que les éoliennes de Darrieus ou de Savonius et les éoliennes à axe horizontal composées de trois pâles. Le nombre de pâle est toujours un nombre impair afin d’assurer la stabilité de l’éolienne. Nous pouvons aussi classer les éoliennes selon leur hauteur, leur lieu d’implantation ou leur diamètre du rotor. Dans notre projet, nous avons choisi de considérer une éolienne à axe horizontale composée de trois pales et qui est la plus répandu sur le marché actuellement.

EPFL

6

2012 - 2013




3.2.3. Terminologies et fonctionnement La Figure 3-5 représente les différentes composantes d’une éolienne classique.

Figure 3-5 Constituants d'une éolienne

Les pales de l’éolienne sont mises en mouvement grâce à la force du vent. Lorsque le vent arrive sur le bord d’attaque de la pale, cela crée une dépression sur l’extrados (le dessus) et une surpression sur l’intrados. Sachant que l’écoulement de l’air doit rester constant entre l’avant et l’arrière de la pale et que la longueur à parcourir par le flux d’air est plus importante sur l’extrados, la vitesse d’écoulement de l’air est plus importante sur l’extrados. La dépression et la surpression forment ainsi la portance qui est perpendiculaire à la direction du vent.

Figure 3-6 Portance sur le profil d'une pale d'éolienne

EPFL

7

2012 - 2013




Le générateur sert à transformer l’énergie éolienne en énergie électrique. Il est composé d’un rotor sur lequel sont fixées les pales et d’une nacelle où on y trouve le système de génération d’électricité et de contrôle de vitesse des pales. Le fonctionnement optimal d’une éolienne a lieu lorsque le vent est perpendiculaire au plan formé par les pales. Comme la direction et l’intensité du vent sont extrêmement variables, les éoliennes sont munies d’un moteur qui permet de diriger les pales afin de contrôler leur vitesse de rotation. Celle-ci est plus faible lorsque la face large des pales est parallèle à la direction du vent. En effet, si la vitesse de rotation des pales devient excessive, deux phénomènes peuvent intervenir. D’une part il s’agit de contraintes de traction démesurée qui ont lieu dans le mât et qui peuvent engendrer sa rupture. D’autre part, la fréquence d’excitation des pales peut coïncider avec la fréquence propre du mât ce qui entrainerait la vibration de l’éolienne pouvant aboutir à sa destruction. C’est pour cette raison que les éoliennes sont munies d’un disque de freinage en plus du moteur Dans ce qui suit, nous allons nous focaliser sur le mât de l’éolienne qui constitue la partie centrale de notre projet. 3.3. Le mât 3.3.1. Rôle du mât La tour, aussi appelé mât, est l’élément le plus imposant et le plus visible d’une éolienne. Il permet d’élever le rotor à une certaine hauteur du sol afin de capter le vent et permettre sa mise en mouvement. Les études actuelles et futures en vue d’améliorer et d’optimiser le mât sont d’une importance non négligeable. En effet, plus la hauteur du mât est grande, plus la quantité d’énergie éolienne emmagasinée est importante. En effet, la puissance du vent contenue dans une section cylindrique est donnée par la formule suivante. 1 𝑃!"#é!"#$% = 𝜌𝑆𝑉 ! 2 La puissance récupérée par l’éolienne est donc proportionnelle à la vitesse du vent à la puissance trois ce qui démontre l’importance de la hauteur du mât. De plus, comme le montre la Figure 3-7, la vitesse du vent augmente avec la hauteur.

EPFL

8

2012 - 2013




Figure 3-7 Augmentation de la vitesse du vent avec la hauteur

Une étude a montré que pour un profil normal de vent défini selon la Commission Electrotechnique Internationale, une augmentation de la hauteur du moyeu de 80m à 100m s’accompagne d’une hausse de 4.6% de la vitesse du vent et de 14% de la puissance produite. En passant de 80m à 120m, l’accroissement de la vitesse s’élève à 8% et la puissance à 28%. La solution pour produire plus de puissance est donc de construire des éoliennes plus hautes. D’un point de vue économique, les éoliennes à grande hauteur sont aussi plus avantageuses. Selon une étude menée par Brughuis (2004), pour une même surface donnée, les éoliennes de grande taille produisent davantage de puissance avec un nombre d’éoliennes inférieur comme le montre la Figure.

Figure 3-8 Puissance produite en fonction de la hauteur des éoliennes pour une surface identique, selon Brughuis, 2004

Brughuis a aussi remarqué que cet accroissement de puissance n’engendrait pas de coûts supplémentaires pour la connexion au réseau électrique. Cette solution se révélant même avantageuse par rapport au choix de treize éoliennes d’une puissance unitaire de 1.5MW. En effet, des économies sont faites au niveau des coûts d’entretien et de transport qui représente environ 20% du prix total d’une éolienne. Nous pouvons donc affirmer que les recherches en EPFL

9

2012 - 2013




vue d’améliorer le mât vont fortement contribuer à réduire le coût des éoliennes tout en augmentant leur puissance. 3.3.2. Matériaux employés pour le mât Cette partie a pour but de présenter les matériaux courants dans la fabrication des mâts. On trouve actuellement sur le marché des mâts fabriqués en acier, en béton et voire même en acier et béton. •

Mât en acier

A ce jour, les mâts tubulaires en acier sont les plus utilisés grâce à leurs excellentes résistances. De plus, l’acier est un matériau ductile ce qui permet d’avoir de grande déformation avant l’apparition de la rupture. L’utilisation de l’acier pour le mât se révèle efficace grâce à la possibilité de varier l’épaisseur et ainsi d’obtenir une section tubulaire effilé. Cependant, l’acier n’a pas que des avantages. Il a aussi plusieurs inconvénients notamment son transport. Un mât en acier est composé de plusieurs sections tubulaires empilées les unes sur les autres et qui sont ensuite soudées ou boulonnées. La fabrication du mât en acier se passe en usine et doit donc être transporté sur le site du projet ce qui peut limiter leur diamètre et donc constituer une limitation de la hauteur du moyeu. Le transport du mât peut donc engendrer des coûts plus ou moins important selon la distance à parcourir. Un autre inconvénient de l’acier est sa vulnérabilité à la fatigue. La résistance à la fatigue d’un matériau dépend de sa capacité à supporter la différence de contrainte pour un cycle. Plus l’épaisseur du mât sera faible, plus les variations de contraintes seront faibles et donc moins le mât sera sensible à la fatigue. •

Mât en béton

Les mâts en béton sont moins répandus que ceux en acier. En général, ils sont composés de plusieurs pièces préfabriquées et assemblées sur le chantier. L’avantage principal de ce matériau est qu’il peut être précontraint ce qui permet d’obtenir des épaisseurs plus mince que par rapport à un mât en béton armé. Le béton précontraint est dimensionné de sorte qu’il ne se fissure pas et est généralement soumis à des contraintes de compression constante à l’ELS. Cela améliore considérablement la résistance à la fatigue du béton. Cependant, l’épaisseur reste plus importante que par rapport à un mât en acier ce qui nécessite des fondations plus importante et donc plus coûteuse. De plus, en cas de séisme, les forces qui en découlent sont plus grandes pour des structures plus massives. Avant de s’intéresser au mat en BFUP, on rajoutera qu’il est aussi possible d’avoir un mât hybride, c’est à dire composer d’acier et de béton.

EPFL

10

2012 - 2013




4. Mât en BFUP Comme nous l’avons rappelé au chapitre 3.2, le BFUP a une résistance élevée à la compression. Cela va permettre d’utiliser davantage la précontrainte et ainsi amplifier les avantages qui en découle. L’utilisation massive de précontrainte permettra ainsi de diminuer la quantité de BFUP utilisé. Selon Vande Voort et al., 2008, l’épaisseur du mât en BFUP est proche de celle en acier. Dans le contexte environnemental actuel, les constructions durables sont de plus en plus recherché. La réduction de la quantité de matériel utilisé s’inscrit parfaitement dans ce cadre. De nombreuses études ont montré que le BFUP présentait d’excellentes performances en matière de durabilité. En sachant que la durée de vie moyenne d’une turbine est de vingt ans, si le mât en BFUP est bien entretenu, on pourra simplement remplacer la turbine en conservant le mât. Comparativement, la durée de vie d’un mât en acier correspond à la durée de vie d’une turbine. Dans ce chapitre, nous présenterons deux conceptions possibles de mât en BFUP. 4.1. Solution 1 4.1.1. Description générale Le mât a une structure tubulaire effilé comme la plupart des mâts actuels. Cette forme présente plusieurs avantages : • • • •

L’effilage permet de réduire la quantité de matériel nécessaire avec l’augmentation de la hauteur ce qui conduit à de meilleures propriétés dynamiques ; La section circulaire permet un chargement provenant de toutes les directions ; Bonnes propriétés aérodynamiques ; Réduction des surfaces et des bords.

L’effilage peut être simple ou double. Dans le cas d’un effilage double, nous envisageons d’effiler de manière plus marquante la zone inférieure du mât pour répondre au mieux aux exigences de résistance et de rigidité de cette zone. 4.1.2. Elément du mât Le mât est divisé en trois parties distinctes comme le montre la Figure 4-1. Chaque zone peut être caractérisée par des résistances, des rigidités, des méthodes de fabrication et de construction différentes.

EPFL

11

2012 - 2013




Figure 4-1 Géométrie d’une éolienne bi-effilée

Zone 1 : Dans cette zone, nous pouvons envisager des éléments en béton préfabriqué ou du béton in-situ. L’épaisseur du mât devra être suffisante pour garantir la résistance. Un surdimensionnement de cette zone permettrait même d’augmenter la stabilité de l’éolienne puisqu’une masse additionnelle dans cette zone n’influence que peu la fréquence naturelle de la structure. Zone 2 : Dans cette zone, le but sera de réduire au minimum le poids afin d’offrir une solution économiquement avantageuse. Des éléments préfabriqués en BFUP seront également utilisés pour cette zone. Le poids du mât est influencé par la densité du béton utilisé et par l’épaisseur du mât. L’épaisseur minimum est gouvernée par le béton d’enrobage des armatures. Cependant, nous pouvons envisager d’utiliser des armatures non corrosives en acier inoxydable (5x plus cher) ce qui va permettre de réduire l’épaisseur nécessaire du béton d’enrobage. En combinant une quantité limitée d’armature avec l’utilisation de fibres, nous pourrons obtenir des épaisseurs réduites. Zone 3 : Dans cette zone, nous utiliserons également des éléments préfabriqués d’épaisseur minimum. Cette zone doit également supporter la turbine. La jonction entre le mât et la EPFL

12

2012 - 2013




turbine sera faite d’une partie en acier qui contiendra la couronne d’orientation et un accès à la nacelle. Nous avons décidé d’utiliser des éléments préfabriqués en BFUP pour les trois zones. Chaque anneau sera constituer d’un unique ou de plusieurs segments assemblé afin de constituer l’anneau complet. Cela dépendra du diamètre, de la hauteur et des contraintes liés au transport des segments. La Figure 4-2 montre l’assemblage d’un mât constitué d’anneaux monolithique, composés de deux ou trois segments.

Figure 4-2 Assemblage des segments des voussoirs

4.1.3. Phasage de construction Les segments livrés sont assemblés pour constituer des sections de quatre anneaux (voussoir). Ces anneaux sont précontraint au minimum juste pour permettre leur stabilité lors de la mise en place (précontrainte locale longitudinale). Une fois le segment constitué des quatre EPFL

13

2012 - 2013




anneaux placé, il est précontraint avec la section précédente pour assurer la liaison et la stabilité entre deux sections de quatre couronnes (précontrainte locale longitudinale). Une fois que toutes les sections sont empilées, une précontrainte globale est appliqué longitudinalement sur toute la hauteur du mât. On précisera que la section de la zone 1 peut être constitué d’un nombre différent de voussoir selon la hauteur recherché du mât. Cette section sera précontrainte avec la fondation à l’aide de boulon et tendons.

Figure 4-3 Section type et de base

4.1.4. Précontrainte Le mât est verticalement précontraint en appliquant uniformément des forces de précontrainte sur toute la circonférence. Cela va créer une contrainte verticale de compression uniformément répartie sur toute la circonférence ce qui va permettre d’éviter l’apparition d’efforts de traction dans le mât. Cela permettra également au mât de résister aux contraintes de cisaillement. La précontrainte sert aussi à rassembler les anneaux et ainsi constituer une structure monolithique. EPFL

14

2012 - 2013




Dans cette solution 1, nous décidons de ne pas utiliser d’armature mais uniquement de la précontrainte. Nous choisissons d’employer une précontrainte externe non-adhérente en raison de sa simplicité d’installation. Le terme externe signifie qu’il nous faudra placer les câbles de précontraintes à l’extérieur de la section ce qui évitera de prévoir des conduits dans les sections. La force de précontrainte est transmise à la section grâce à une plaque d’ancrage (Figure 4-4). Un ancrage est nécessaire à chaque extrémité du câble de précontrainte. Les câbles de précontraintes (ou boulon) sont placés circulairement sur un support placé à l’intérieur de la section comme le montre la Figure 4-4.

Figure 4-4 Coupe en plan entre deux sections type

La précontrainte externe nous permet aussi de réduire au minimum l’épaisseur des sections puisque les câbles de précontraintes (ou boulons) sont disposés à l’extérieur. L’inconvénient de cette méthode est que les câbles sont exposés au risque de corrosion. Pour y remédier, nous proposons de protéger les systèmes de précontrainte contre la corrosion. L’avantage de disposer les câbles de précontrainte (ou boulons) à l’extérieur est qu’ils sont facilement accessibles et peuvent être remplacé en cas de dommage. La précontrainte non-adhérant augmente la résistance à la fatigue lors de chargement dynamique car les câbles (boulons) sont soumis à des efforts uniformément répartis contrairement à une précontrainte adhérente où les contraintes sont plus localisées. De plus, les pertes dues au frottement sont inexistantes. Dans ce qui suit, nous allons expliquer plus en détail les type de précontrainte employé. Comme nous l’avons mentionnée lors du phasage de construction, le choix de ne pas utiliser d’armature doit être compensé par l’utilisation du BFUP et massive de précontrainte. Pour cela, nous emploierons trois types de précontrainte. 1. Précontrainte globale longitudinale ; 2. Précontrainte locale longitudinale ; 3. Précontrainte locale orthoradiale. Nous allons détailler la section type composée de quatre voussoirs montrés à la Figure 4-5.

EPFL

15

2012 - 2013




Figure 4-5 Section type composé de quatre anneaux

Intéressons-nous d’abord à la liaison entre deux sections composées de quatre voussoirs (trait bleu de la Figure 4-5). Une conception possible de la liaison est montrée à la Figure 4-6.

Figure 4-6 Coupe verticale de la liaison entre deux sections types

Le bloc d’ancrage qui permet de transférer l’effort au béton est placé circulairement autour de la section. Lorsqu’on empile deux sections type composées de quatre voussoirs, de longs boulons seront immédiatement installés entre l’anneau supérieur et inférieur (Figure 4-6) et précontraints. On disposera aussi des câbles précontraints qui traverseront les quatre voussoirs (précontraint longitudinal globale) pour relier l’anneau supérieur et inférieur d’une section type. EPFL

16

2012 - 2013




Les deux voussoirs intermédiaires contiendront des bossages de déviation (appui intermédiaire) pour les câbles précontraints comme le montre la Figure 4-7.

Figure 4-7 Mise en plan d'une coupe verticale entre deux anneaux intermédiaire

Ces appuis intermédiaires vont augmenter la stabilité de la structure mais aussi contribuer à la sécurité dans le cas où un câble de précontraint se rompt durant la fabrication. Un détail possible de ces bossages est montré à la Figure 4-8.

Figure 4-8 Vue en plan d'un bossage intermédiaire

Comme nous l’avons expliqué précédemment, chaque voussoir peut être composé de deux ou trois segments. L’assemblage des segments pour constituer un anneau entier est montré à la Figure 4-9.

EPFL

17

2012 - 2013




Figure 4-9 Assemblage d'élément pour constituer un voussoir complet

En même temps, nous mettrons en place la précontrainte locale orthoradiale à l’aide de l’ancrage X Freyssinet.

Figure 4-10 Précontrainte orthoradiale à l'aide de l'ancrage X développé par Freyssinet

« Les ancrages 1X15 (195 kN) et 2MX15 (390 kN) sont utilisés avec des câbles monotorons de 15 mm. L’effort au droit de l’ancrage, après blocage, s’obtient en prenant en compte une rentrée de clavettes de 6 mm. Au voisinage de l’ancrage X, le tracé du toron doit présenter un rayon de courbure d’au moins 2,0 m. La mise en tension se fait au moyen du vérin monotoron à trou central ».

EPFL

18

2012 - 2013




4.2. Solution 2 La première alternative consistait à mettre une précontrainte à l’extérieur de la section du mât. Pour cette deuxième alternative, des armatures seront placées à l’intérieur du BFUP et le mât aura une section qui varie linéairement de la base jusqu’au sommet du mât (Figure 4-11).

Figure 4-11 Géométrie retenue pour la solution 2

Des segments d’une longueur de 10 m seront assemblés pour former le mât. Après la préparation de ces derniers à l’usine. Des camions spécial seront chargés de faire le transport jusqu’au lieu voulu et aucune permissions particulière n’est demandée pour ce type de transport (Figure 4-12)

Figure 4-12 Transport des segments pour le mât

Chaque segment d’une forme d’un quart de cercle sera assemblé avec 3 autres pour former un anneau. Une grue sera nécessaire tout au long du montage des différents éléments de l’éolienne. Les anneaux sont alors placés l’un au-dessus de l’autre jusqu’à ce qu’on atteint le sommet. EPFL

19

2012 - 2013




La structure est donc composée, en plus de cage d’armature, de vingt voussoirs de 10 m de hauts assemblés par des câbles précontraints par post-tension, dont une partie adhérentes et une autre partie non adhérente. La Figure 4-13 illustre ce propos.

Câble non adhérent précontraint par post-tension Fixation Câble adhérent précontraint par post-tension

Figure 4-13 Principe de la précontrainte pour la solution 2

EPFL

20

2012 - 2013




5. Choix de l’emplacement 5.1. Généralité La première étape de ce projet consiste à trouver le bon emplacement où implanter nos éoliennes. En générale, ce choix dépend de la taille, de la puissance, et du nombre d’unités. Ils nécessitent la présence d’un vent régulier ainsi que diverses conditions, à savoir : • •

• • • •

La vitesse moyenne annuelle du vent à 50 m de hauteur sur le site visé doit être supérieure à 4 m/s, soit environ 15 km/h ; Le site ne doit pas se trouver dans une zone de protection de la nature et des paysages, il faut aussi faire attention à l’impact négatif des éoliennes sur les oiseaux et chauves-souris ; La distance vis-à-vis des habitations les plus proches doit être d’au moins 150 à 300 m, ceci est dû aux effets sonores et visuels indésirables ; Les éoliennes doivent pouvoir être raccordées au réseau électrique, selon la puissance prévue ; Les questions d’aménagement du territoire doivent être réglées (commune, canton) ; Le site doit être accessible avec des camions de très grande taille.

5.2. Carte des vents Tout d’abord, nous allons analyser une carte des vents (Figure 5-1), pour avoir une idée sur les emplacements qui présente une bonne exposition au vent. En effet, la plus grande partie de l’efficacité d’une éolienne dépend de la vitesse et la fréquence des vents présents, la puissance délivrée par une éolienne augmente avec le cube de la vitesse, en d’autres termes, si le vent double, la puissance augmente d’un facteur 3, 2*2*2=8 ! C’est pourquoi nous chercherons d’abord des zones soumises à des vents forts et réguliers.

Figure 5-1 Vitesse moyenne annuelle du vent à 50 m du sol

EPFL

21

2012 - 2013




Comme nous l’avons cité dans le paragraphe précédent, la vitesse annuelle du vent à 50 m de hauteur sur le site visé doit être supérieure à 4 m/s. Donc les parties de la carte des vents qui sont à exclurent pour l’implantation d’éolienne sont les deux premières couleurs de la légende (vert clair). 5.3. Exposition et turbulence Les éoliennes devraient toujours être placées le plus loin possible des arbres et des bâtiments afin de minimiser les effets de turbulence et maximiser l’exposition au vent. Ainsi, le mât doit être placé suffisamment loin face au vent, afin d’éviter la zones de turbulence autour des bâtiments environnants (Figure 5-2).

Figure 5-2 : Zone de turbulence

La Figure 5-3 représente les surfaces habitées ainsi que les zones forestières, durant notre choix du site, nous essayerons d’éviter ces zones tout en respectant le fait que la distance visà-vis des habitations les plus proches doit être d’au moins 150 à 300 m.

Figure 5-3 : Surface habitée et zones forestières

EPFL

22

2012 - 2013




5.4. Protection de la nature et du paysage La protection de la nature et du paysage constitue une dimension importante lors de la planification d’un projet éolien. Malgré que certaines régions de Suisse bénéficient d’un bon potentiel éolien, l’exploitation de cette énergie est interdite dans des endroits pour des raisons de protection de la nature et du paysage. Ceci englobe aussi la protection des eaux souterraines, des lacs, des rivières, des oiseaux et des chauves-souris. Les zones bannies sont ainsi représentées dans la Figure 5-4.

Figure 5-4 : Zones de protection de la nature et du paysage

5.5. Sites construits à protéger et voies de communication historiques : Finalement, nous devons veiller à ce que les sites construits à protéger et les voies de communications historiques soient exclues de la zone d’implantation d’éoliennes. La Figure 5-5 montre l’emplacement de ces derniers.

EPFL

23

2012 - 2013




Figure 5-5 : Zone des sites construits à protéger et des voies de communication historiques

5.6. Choix final du site Après la superposition de toutes les contraintes sur la carte, nous pouvons ainsi voir les zones propices à l’implantation de parcs éoliens (Figure 5-6) notre choix s’est finalement porté sur un site se trouvant dans la commune de Provence (zone entourée en rouge). Ce choix est surtout motivé par le fait que ce site est éloigné des zones d’habitation denses et présente une forte exposition au vent.

Figure 5-6 : Zones propices à l'implantation d'éoliennes

EPFL

24

2012 - 2013




En effet, nous pouvons voir dans la Figure 5-7 que la vitesse annuelle moyenne du vent dans le site choisi (zone hachurée en rouge) à 50 m au-dessus du sol est comprise entre 5.5 à 7.4 m/s, ce qui représente une forte exposition au vent. De plus, l’habitation la plus proche (point bleu dans la Figure 5-7) est distante d’environ 600 m, le site est donc bien loin des zones d’habitation.

Figure 5-7 : Zone choisie pour l'implantation du parc éolien

Le site présente aussi une bonne accessibilité des installations prévue pour les éoliennes vu les routes présentes sur ce site. La Figure 5-8 permet de visualiser l’emprise d’une éolienne sur le site de Provence.

Figure 5-8 Photo montage de l'éolienne à Provence

EPFL

25

2012 - 2013




6. Dimensionnement du mât 6.1. Démarche Après avoir étudié plusieurs alternatives, nous avons choisi de continuer à travailler avec la solution 1 en considérant un effilage simple. La section circulaire est la plus avantageuse car le vent peut souffler dans toutes les directions. Le coefficient de pénétration dans l’air cx vaut dans ce cas 0.5 alors qu’il serait trois fois plus grand pour une section rectangulaire. Le dimensionnement du mât d’une éolienne en BFUP est quelque chose que nous n’avons jamais vu au cours durant notre cursus de génie civil. La première étape fût donc de chercher de la bibliographie et des références dans ce domaine. A travers nos recherches, nous avons pu trouver certaines études similaires et ainsi analyser les étapes de dimensionnement d’éolienne. La particularité de notre projet est qu’il s’agit d’un mât en BFUP d’une hauteur très importante. Jusqu’ici, la plupart des études que nous avons trouvées s’intéressaient au dimensionnement de mât en béton de petite envergure. Une chose clairement définie depuis le début du projet avec notre tuteur est que nous souhaitons étudier une hauteur d’éolienne de 200m. Nous allons commencer par explorer et calculer les différentes charges qui s’appliquent sur notre mât. Nous devons ensuite émettre certaines hypothèses pour le dimensionnement des fondations. En effet, l’interaction entre la structure et le sol influencera sur la fréquence propre de la tour. Une fois que les hypothèses concernant les fondations émises, nous pourrons alors créer un modèle du mât à l’aide d’un logiciel d’élément fini « RFEM ». A l’aide de ce logiciel, nous pourrons déterminer la fréquence propre de notre mât. L’objectif étant d’éviter que le mât ne rentre en résonnance, nous pourrons modifier sa fréquence propre en optimisant le diamètre et l’épaisseur du mât. Nous introduirons dans le logiciel le matériau que nous voudrons utiliser pour le mât. Une description du choix du type de BFUP sera faite dans les chapitres qui suivent. Une fois que nous aurons optimisé la géométrie de notre mât, nous pourrons procéder à l’analyse structurale. Nous vérifierons les états limite ultime (résistance du béton, résistance à la fatigue, etc.) et de service (déplacement maximum du mât). Plusieurs itérations seront peutêtre nécessaires dans le cas où les critères définis ne sont pas satisfaits. 6.2. Paramètres des matériaux utilisés Le BFUP que nous avons choisi pour le dimensionnement de notre mât est le BSI (Béton Spécial Industriel) développé et commercialisé par EIFFAGE en collaboration avec le producteur de ciment SIKA. Il s’agit d’un matériau réalisé à partir du malaxage d’un mélange de poudres réactives, d’adjuvants liquides et de fibres métalliques droite (ff,y=1200MPa, df=0.3mm, lf=20mm). Le Tableau 6-1 donne la composition du BSI.

EPFL

26

2012 - 2013



Ingrédient

Quantité

Ciment

1114 kg/m3

Fumée de silice

169 kg/m3

Agrégats fin (0-6mm)

1072 kg/m3

Eau

195 kg/m3

Super-fluidifiant

44.6 kg/m3

Fibres

195 kg/m3

Masse volumique

2789.6 kg/m3

Rapport eau/ciment

0.22

Rapport eau/liant

0.19

Quantité de fibres Vf

2.5 %vol.


Tableau 6-1 Composition par m3 du BSI

Les propriétés mécaniques du BSI sont présentées dans le Tableau 6-2. Résistance en compression [MPa] fUc

190

Résistance en traction [MPa] fUte = fUt 9 Module d’Young [GPa] EUt=EUc

65

Energie de rupture [J/m2]

>15000

Tableau 6-2 Propriétés mécaniques moyennes du BSI utilisé pour le mât

Nous constatons que le BFUP présente des caractéristiques impressionnantes comme sa résistance en traction ce qui rend le rend extrêmement compétitif. La Figure 6-1 montre le comportement en traction du BSI mesuré par « Jung04 ».

Figure 6-1 Comportement du BSI en traction selon Jung04

EPFL

27

2012 - 2013




Lorsque nous avons proposé la solution 1 pour la conception de notre mât, nous avons considéré deux types de précontrainte. Afin de simplifier notre modèle, nous allons uniquement prendre en compte la précontrainte longitudinale. Le système de précontrainte que nous allons calculer par la suite est celui développé par Freyssinet. Il s’agit d’une précontrainte extérieure à l’aide de câble à torons ordinaire enfilés de façon classique dans une gaine épaisse en polyéthylène de haute densité (PEHD). Le conduit qui relie deux ancrages traverse librement le mât grâce à des fourreaux métalliques décrit au chapitre précédent et qui sont mise en place lors de la fabrication des anneaux. Ces fourreaux peuvent également servir de déviateurs. Dans notre cas, comme le mât est rectiligne, il n’est pas nécessaire des les utiliser comme déviateur. La mise en tension des torons se fait à l’aide d’un vérin monotoron ordinaire et injection de coulis de ciment. Le choix d’une précontrainte extérieure pour notre mât est justifié pour plusieurs raisons. • • •

La qualité du gainage notamment son étanchéité peut être contrôlé en tout temps ; Les frottement entre les câbles et la gaines sont faible (µ = 0,14). De plus, le coefficient de transmission élevé augmente l’efficacité de la précontrainte ; Comme le système de précontraint est à l’extérieur du béton, il peut être facilement démonté et remplacer en cas de besoin.

L’utilisation d’un véron monotoron permet également de rapprocher l’axe du câble de la paroi du mât ce qui permet d’optimiser l’espace à l’intérieur du mât. La sécurité vis à vis de la corrosion est assuré à l’aide de quatre couche de protection (gaine PEHD, coulis de ciment, gaine polyéthylène et graisse). Il est aussi important lors de la mise en place de la précontrainte de garder une surlongueur de toron permettant la prise du vérin après la première mise en tension afin de pouvoir régler ultérieurement la précontrainte durant le cycle de vie de l’éolienne. Les caractéristiques du toron que nous allons utiliser pour notre précontrainte sont résumées dans le Tableau 6-3. Type de torons

T15S

Diamètre [mm]

15.7

Section Ap [mm2]

150

Résistance à la traction fpk [N/mm2]

1860

Limite d’écoulement fp0.1k [N/mm2]

1600

Allongement sous charge maximale εuk [%]

≥3.5

Striction [%]

≥30 2

Module d’Young Ep [kN/mm ]

195

Tenacité

Essai de pliage (fil central) n≥4 Essai de traction déviée k1≥0.72 2

Résistance à la fatigue σ0=0.7 fpk, Δσπ,φ=200N/mm

2*106 alternances

Relaxation à 1000heures, 20°C, 0.7 fpk

≤2.5%

Tableau 6-3 Caractéristiques des torons de précontrainte

EPFL

28

2012 - 2013




Nous dimensionnerons la précontrainte en calculant la force de précontrainte nécessaire pour garantir la compression dans toute la section du mât pour la combinaison de charge à l’ELS. Pour l’ELU, nous admettrons des contraintes de traction restant dans le domaine élastique (contrainte de traction admissible). Une fois cette force connue, nous pourrons déterminer le nombre de câble nécessaire et les dimensions des gaines PEHD. Cette précontrainte sera modélisée par une force centrée sur le haut du mât. Le dimensionnement de la précontrainte se fera une fois que le modèle définitif sera établi. Afin de simplifier notre modèle, les ancrages de la précontrainte longitudinale ne seront pas modélisés. Cela s’inscrit dans le côté conservateur vu que la modélisation des ancrages consisterait à regrouper plusieurs anneaux (voussoir) dans une zone rigide contrôlée par un unique nœud. Dans le chapitre suivant, nous allons voir les recommandations pour le dimensionnement et les charges agissant sur notre mât. 6.3. Principe de dimensionnement Contrairement aux structures traditionnelles, il n’existe pas de norme en Suisse spécialement conçu pour le dimensionnement d’éolienne. Cependant, beaucoup de concepts reste applicable pour notre cas. Nous allons commencer par analyser les charges agissant sur notre mât. Nous pourrons ainsi déterminer les différentes combinaisons de charge que nous allons utiliser pour la vérification. Une fois les charges déterminées, nous allons dimensionner un modèle grossier de fondation afin de se faire une idée sur l’interaction entre notre structure et le sol. Une fois la modélisation de la structure terminée sur RFEM, nous débuterons le dimensionnement de la tour. Premièrement nous allons déterminer les caractéristiques géométriques de notre mât en procédant à une analyse dynamique où nous ne prenons pas en compte l’apport de la précontrainte. A l’issue de l’analyse dynamique, nous obtiendrons un premier modèle du mât. Nous procéderons ensuite à la vérification de chaque section du mât en s’assurant que la résistance de chaque section est supérieure aux contraintes auxquelles elles sont soumises. Dans cette deuxième partie, nous considérerons la précontrainte comme une force axiale agissant sur le mât et dimensionner de façon à garantir la compression dans toute les sections à l’ELS. Nous optimiserons les dimensions géométriques du mât jusqu’à ce que les capacités des sections soient supérieures aux contraintes. A la fin de cette deuxième étape, nous obtenons notre modèle définitif avec les caractéristiques géométriques finales. Nous terminerons notre étude par une vérification à la fatigue et aux déplacements de notre éolienne ainsi que par le dimensionnement des fondations pour pouvoir évaluer de la pertinence ou non de nos hypothèses concernant la modélisation des fondations. 6.4. Charges agissant sur la tour Le chapitre suivant détaille les charges que nous allons considérer pour le dimensionnement du notre mât en BFUP. Nous avons distingué deux types de charges, à savoir les charges permanentes avec le poids du mât, de la nacelle du rotor et les charges variables dont le vent directes et indirectes. EPFL

29

2012 - 2013




6.4.1. Charges variables La pression dynamique dépend de la nature du vent, de la rugosité du sol, de la forme de la surface du terrain et de la hauteur de référence. Elle est déterminée de la manière suivante selon la SIA 261. 𝑞! = 𝑐! 𝑞!! avec : qp = pression dynamique du vent ; qp0 =valeur de référence de la pression dynamique selon l’annexe. Pour notre emplacement, nous avons qp0= 1.1kN/m2 ; ch =coefficient du profil de répartition du vent qui tient compte du profil des vitesses du vent, de la hauteur sur sol z et de la rugosité du sol. Ce coefficient est donné par la formule suivante : 𝑐! = 1.6

𝑧 𝑧!

!

!!

+ 0.375

La hauteur du gradient zg et l’exposant de la rugosité du sol αr sont donnés dans le Tableau 64. Catégorie de terrain

Exemples

zg [m]

αr

II

Rive lacustre

300

0.16

IIa

Grande plaine

380

0.19

III

Localités, milieu rural

450

0.23

IV

Zone urbaines étendues

526

0.30

Tableau 6-4 Hauteur du gradient zg et exposant de la rugosité du sol αr

D’après notre choix d’emplacement décrit au chapitre 5, nous nous situons dans la catégorie de terrain IIa. Nous remarquons que la pression dynamique du vent diminue avec l’altitude en raison des frottements avec le sol comme le montre la Figure 6-2.

EPFL

30

2012 - 2013




Charge directe du vent en fonc7on de l'al7tude 3

Pression dynamique [kN/m2]

2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Al7tude [m] Figure 6-2 Charge direct du vent en fonction de l'altitude

Nous ne prenons pas en compte le fait que la pression dynamique du vent n’est pas uniformément répartie autour du mât. En effet, celle-ci varie en fonction de la position du point de référence par rapport à la direction du vent. Comme nous avons aussi fait le choix d’une éolienne on-shore, les charges dues aux vagues ne sont pas considérées. 6.4.2. Charge permanente Les charges permanentes sont constantes dans le temps. Nous avons distingués le poids propre du générateur et du mât. Le poids propre du mât est directement calculé par le logiciel RFEM en utilisant la masse volumique du BFUP ρbéton= 2800kg/m3. 𝑚!â! = 𝜌!é!"# × 𝑉!é!"# Nous allons prendre en compte la masse de la nacelle, du rotor et des pâles. Il est difficile de trouver des informations complètes concernant les générateurs des fabricants d’éoliennes. Cependant, nous avons décidé de travailler avec le générateur développé par « AMSC Windtec » pour son éolienne offshore SeaTitan™ d’une puissance de 10MW avec un diamètre de rotor égale à 190m. Les détails techniques concernant la SeaTitan™ se trouve en annexe. Notre choix s’est porté sur l’éolienne de Windtec car elle présente le meilleur rapport puissance/poids comme le montre la Figure 6-3.

EPFL

31

2012 - 2013




Fig. 3: A comparison of the SeaTitan to other turbine designs.

Figure 6-3 Comparaison de l'éolienne SeaTitan avec les autres éoliennes traditionnelles

ducing costs. In addition la to providing The tower du can rotor rest onet conventhis customer a full supply Nous représentons masse debine. la nacelle, des pâles par uneto establish force concentrée AMSC wind turbine design licensees tional jacket foundations and deepwa- chain for this wind turbine, including verticale appliquée au sommet du mât. with a differentiated blade offering, ter foundations of various types. a manufacturer for the SeaTitan genBlade Dynamics’ unique technology AMSC expects to select its first erator. AMSC expects that its licens𝐹! = 𝑚!"#$%%$!!"#"!!!â!"# ×𝑔 = 5000𝑘𝑁 will also provide a compelling blade SeaTitan wind turbine licensee in the ees will enter full-volume production platform Charges for the SeaTitan wind turmonthssur ahead. It will then work with by mid-decade. 6.4.3. dynamique engendré le mât

La rotation des pâles autour de l’axe engendre une charge dynamique sur le mât qui peut causer des problèmes de vibrations si la tour entre en résonnance comme ce fût le cas pour le tristement célèbre pont de Tacoma. Nous pouvons distinguer deux types d’excitation dynamiques provenant de : 1. La rotation du rotor engendré par le poids des pâles ; 2. La rotation des pâles engendré par le vent. En d’autres termes, il s’agit des forces aérodynamiques. La force aérodynamique correspond à une pression uniformément réparti sur les trois pâles. Nous obtenons cette force en multipliant la pression dynamique du vent par l’air totale des trois pâles en considérant un vent normal aux pâles. Nous savons que le diamètre du rotor s’élève à 190m. Comme nous n’avons aucune information sur la géométrie des pâles, nous supposerons qu’elles ont une longueur de 85m et une largeur de 2.5m. La force aérodynamique vaut donc : 𝐹! = 3×80×2.5×2.8 = 1680𝑘𝑁 Nous décidons de considérer une valeur de 2000kN afin de prendre en considération la rotation du rotor engendré par le poids des pâles. 𝐹! = 2000𝑘𝑁

84

MAY | 2011

EPFL

32

2012 - 2013




6.4.4. Combinaison des charges La combinaison à l’état limite ultime (ELU) est obtenue en multipliant les charges permanente par 1.35 et les autres charges par 1.5. Les valeurs de chargement définitif sont résumées dans le Tableau 6-5. Description des chargements

Combinaison à l’ELS

Combinaison à l’ELU

Masse du mât

𝑚!â! = 𝜌!é!"# × 𝑉!é!"#

𝑚!â! = 1.35 × 𝜌!é!"# × 𝑉!é!"#

Masse de la nacelle, du rotor et des pâles Fv

5000kN

6750kN

Effort de poussée au niveau du rotor Fh

2000kN

3000kN

Charge horizontale de vent le long du mât qp

2.8 kN/m2

4.2kN/m2

Tableau 6-5 Valeurs de chargements à l'ELU

6.4.5. Récapitulation des forces agissant sur le mât La Figure 6-4 résume les charges que nous introduirons dans notre modèle de calcul sur RFEM.

Figure 6-4 Bilan des forces appliquées à la tour

EPFL

33

2012 - 2013




6.5. Modèle RFEM du mât Pour créer notre modèle de base, nous utilisons un logiciel d’élément finis nommé « RFEM ». Nous avons employé des éléments comportant quatre nœuds pour créer le maillage. Sachant que le processus d’optimisation est plus efficace avec des quantités discrètes, le mât est régulièrement divisé en segment séparé par les sections. Nous avons choisis de considérer vingt sections de 10m d’hauteur comme le montre la Figure 6-5.

Figure 6-5 Division du mât en vingt sections

L’objectif sera de déterminer les dimensions optimales des vingt sections. Les unités employées dans le modèle sont le m (longueur) et kN (force). La Figure 6-6 montre le maillage effectué pour le mât.

EPFL

34

2012 - 2013




Figure 6-6 Vue complète du mât et son maillage

Les fondations du mât ne sont pas modélisées dans cette première partie. Pour des raisons de simplicité, l’extrémité inférieure du mât en encastré au sol comme le montre la Figure 6-7.

Figure 6-7 Fondation du mât

Une fois la géométrie de notre mât optimisée, nous procéderons au dimensionnement des fondations afin de se faire une idée précise de leurs dimensions ainsi que leurs interactions avec la structure. EPFL

35

2012 - 2013




6.6. Dimensionnement dynamique du mât

7 Dimensionnement de la tour

Nous allons dimensionner le mât de l’éolienne de telle sorte que sa fréquence ne corresponde pas avec la fréquence d’excitation. Comme expliqué précédemment, nous avons deux types d’excitations dynamiques provoquées soit par la rotation du rotor, soit par la rotation des pales. Notre turbine étant composée de trois pales, nous appellerons 1P la fréquence 7.1 Fréquences et résonnance d’excitation du rotor et 3P celle des pales.

L’objectif de cette analyse de dynamique est de s’assurer que la rigidité mâtallons soit satisfaisante Avec le modèle arbitraire tour / rotor que nous avons choisi, du nous vérifier si la afin d’éviter que celle-ci ne rentre en résonnance. Nous allons donc calculer les fréquences rigidité est suffisante pour éviter que la tour n'entre en résonnance sous l’effet de l’action d’excitations et 3P pour différentes vitesse de rotation du rotor. Ensuite, à l’aide de notre dynamique du1P vent. modèle RFEM, nous pourrons obtenir la fréquence propre du mât selon les dix premiers Pour cela, nous allons calculer la fréquence la tour suivant les 10pas premiers modes de vibration. Par la suite, nous vérifieronspropre que cesdefréquences ne coïncident avec modes de vibration grâce à1Plaetmodélisation avec le logiciel Nous pouvons les fréquences d’excitations 3P. Si tel est réalisée le cas, nous devrons alors SAP. accroître la rigidité augmenter faisant certains paramètres de la tour (qualité du béton, de notre mâtlaenrigidité faisanten varier deuxvarier paramètres : diamètre, épaisseur des parois). • Les diamètres ; • Les épaisseurs des parois. La fréquence correspondant à chaque mode de vibration ne doit pas correspondre à la fréquence d’excitation, sinon la tour risque d'entrer en vibration et de s’écrouler. La Figure 6-8 illustre la fréquence du rotor (1P) en fonction de la vitesse de rotation du rotor.

6-8 Fréquencepropre d'excitation et 3P(1P) et IllustrationFigure 27: Fréquence de la1Ptour fréquencetrois d’excitation une éolienne à 2 pour 1P se situe sur Pour une turbine comportant pales, lapour bande deturbine fréquence acceptable (2P) ou 3 pales (3P) deux zones :

EPFL

36 36

2012 - 2013




1. Zone en dessous de la droite 3P correspondant à une tour ductile ; 2. Zone en dessus de la droite 3P correspondant à une tour rigide. Contrairement à l’acier qui possède une importante ductilité permettant ainsi la construction de mât flexible, le béton ne permet pas de réaliser un mât très flexible à cause des fissurations que cela provoqueraient. Cependant, il est vrai que la ductilité du BFUP se distingue des bétons conventionnels. En effet, le comportement en traction d’un BFUP est écrouissant puis adoucissant pour un fibrage correspondant à l’armature minimale (Figure 6-9 pour le BFUP BFUP : CEMTECmultiscale® CEMTECmultiscale®).

Figure 6-9 Gauche: réponses en traction comparées d'un BFUP, écrouissant en traction, d'un béton et d'un béton fibré; Droite: réponses en traction comparées d'un BFUP écrouissant en traction et de barre d'armature passives en acier.

a) réponses en traction (courbes moyennes) comparées d’un BFUP, écrouissant en d’un béton et d’un béton fibré, b) entièrement réponses enreprises traction par comparées BFUP Atraction, l’ELS, les contraintes de traction seront la force d’un de précontrainte écrouissant en traction et de barres d’armature passives en acier.

afin d’éviter la traction dans le mât. Ce comportement écrouissant nous garantit alors une certaine marge de sécurité. Module d’élasticité plus élevé qu’un béton (environ 30 %) Le calcul Résistance des fréquences 3P élevée s’effectue de béton la manière suivante en de lad’excitation matrice 3 à1P 4 xetplus qu’un considérant différente vitesse de rotation du rotor (rpm). 1𝑃 =

!"# !"

; 3𝑃 = 3 ∗

!"#

25

!"

Pour la turbine SeaTitan™, d’après les données du fabricant, celle-ci a une vitesse de rotation de 15rpm. Nous décidons de vérifier que les fréquences 1P et 3P ne correspondent pas aux dix premières fréquences propres pour des vitesses de rotations comprises entre 0 et 20rpm. En faisant varier les différents paramètres géométriques du mât (rayons, épaisseurs), nous avons réussi à optimiser la géométrie la plus adapté dont les caractéristiques géométriques sont résumés dans le Tableau 6-6. Pour cette première itération, nous avons choisi de considérer une épaisseur unique pour l’ensemble des sections. Nous avons uniquement modifié les rayons afin de satisfaire l’analyse dynamique. A) B)

Traction uniaxiale

EPFL

37

2012 - 2013




Hauteur du mât, fixe [m] 200 Epaisseur à la base [m]

0.25

Epaisseur en tête [m]

0.25

Rayon à la base [m]

8

Rayon en tête [m]

2

Tableau 6-6 Paramètres pour définir la géométrie retenue du mât après l’analyse dynamique

Le calcul des dix premières fréquences propres du mât s’effectue selon un module additionnel dans RFEM nommé « RF-DYNAM ». Ce module effectue une analyse des fréquences propres du mât selon la méthode de Rayleigh (conservation d’énergie). !

𝜔 =

! 𝑚 !

! 𝐸 !

𝑥 𝐼 𝑥 𝑌 !! (𝑥) ! 𝑑𝑥

𝑥 𝑌(𝑥) ! 𝑑𝑥 +

! 𝑚! 𝑌(𝑥! )

!

avec : Y(x) = fonction de déplacement courbe selon l’axe x de la tour sous un mouvement simple harmonique ; m(x) = distribution de la masse le long de la tour à une altitude h ; E(x) = module d’élasticité du mât sans les tendons de précontrainte ; I(x) = moment d’inertie le long du mât ; ! 𝑚! 𝑌(𝑥! )

!

= somme des masses concentrées en un point i.

Les fréquences propres correspondant aux dix premiers modes de vibration sont montrées et données dans la Figure 6-10 et le Tableau 6-7 respectivement. Fréquence Mode

[Hz]

1

0.446

2

0.446

3

1.704

4

1.704

5

3.955

6

3.955

7

4.307

8

4.307

9

6.012

10

6.012

Tableau 6-7 Dix premières fréquences propres du mât

EPFL

38

2012 - 2013




Figure 6-10 Déformation (x64) du mât selon les dix premiers modes de vibration

La Figure 6-11 montre l’interaction des fréquences d’excitation et des fréquences propre du mât pour la géométrie retenue.

EPFL

39

2012 - 2013




Fréquence propre et d'excita7on du mât 1.2

Fréquence [Hz]

1

0.8 1P

0.6

3P Mode 1,2

0.4

0.2

0 0

5

10

15

20

25

Vitesse de rota7on du rotor [rpm] Figure 6-11 Fréquence propre et d’excitation du mât

D’après la Figure 6-11, nous remarquons que la fréquence propre coïncide avec la fréquence d’excitation 3P lorsque le rotor tourne à une vitesse de 9rpm environ. Cependant, le rotor dispose d’un organe de contrôle qui fera accélérer le rotor lorsque la fréquence des pâles (3P) se situera entre 0.4 et 0.5Hz. Sachant que notre rotor fonctionne à une vitesse moyenne de 15rpm, ce problème n’empêchera pas le bon fonctionnement de l’éolienne. 6.7. Dimensionnement à l’ELU et l’ELS Comme expliqué précédemment, la précontrainte est prise en compte comme une force centrée. L’objectif est de dimensionné la précontrainte de telle sorte à garantir la compression de toutes les sections sous la combinaison de charge à l’ELS. Pour la combinaison de charge à l’ELU, les contraintes de traction sont permises s’ils ne dépassent pas la contrainte admissible en traction (domaine élastique). Le dimensionnement du mât s’effectue selon certaines recommandations de l’Association Française de Génie Civil (AFGC). Méthode de vérification de l’aptitude au service Pour l’ELS, aucune fissure n’est tolérée afin de garantir une résistance à long terme. Pour cette combinaison, nous devrons vérifier : • •

EPFL

La résistance à l’effort normal; La résistance au moment.

40

2012 - 2013




Selon l’AFGC, la vérification de l’effort tranchant n’est pas nécessaire pour l’ELS. Voici la procédure que nous allons adopter pour la vérification de l’ELS (Figure 6-12).

Figure 6-12 Méthode pour la vérification à l’ELS

Contrairement à la vérification à l’ELU, nous devons aussi vérifier les déformations de la tour. Le critère que nous allons considérer est le suivant : 𝐿 200 Comme aucune fissure n’est permise, le mât doit rester dans les déformations élastiques. Nous rappellerons que le comportement des BFUP en compression simple est essentiellement linéaire élastique jusqu’à 0.85*fUc. ∆!"# !"# =

Pour la vérification des résistances en section, nous avons créé un fichier Excel© permettant d’effectuer cette vérification. Il suffit de rentrer la géométrie de la section et les contraintes auxquelles elle est soumise (RFEM) et nous obtenons la résistance à l’effort normal et au moment pour chaque section. Méthode de vérification de l’état limite ultime Pour l’ELU, mous devrons vérifier : • • • EPFL

La résistance à l’effort normal ; La résistance au moment; La résistance à l’effort tranchant. 41

2012 - 2013




Contrairement à l’ELS, le développement des fissures est autorisé pour l’ELU. Voici la procédure que nous allons adopter pour la vérification de l’ELU (Figure 6-13).

Figure 6-13 Méthode pour la vérification à l’ELU

Pour la vérification à l’ELU, aucun critère concernant la déformation n’est précisée. Cependant, afin d’être du côté de la sécurité, nous avons choisi de satisfaire au critère suivant : !"# ∆!"# !"# = 10 ∗ ∆!"#

Pour la vérification des résistances en section, nous avons créer un deuxième fichier Excel© permettant d’effectuer cette vérification. Résistance en section Les recommandations suivantes rédaction par la SIA.

découlent du guide technique des BFUP en cours de

La valeur de dimensionnement Rd de la résistance ultime du mât en BFUP est calculée à l’aide de la relation suivante. 𝑅! =

𝑅! 𝑅 𝑓!"# , 𝑓!"# , 𝑓!" , 𝑓!" , 𝑎! = 𝛾! 𝛾!

Avec : fUtk = valeur caractéristique de la résistance à la traction du BFUP ; fUck= valeur caractéristique de la résistance à la compression du BFUP ; fsk= valeur caractéristique de la limite d’écoulement de l’acier d’armature passive ; EPFL

42

2012 - 2013




fck= valeur caractéristique de la résistance à la compression sur cylindre du béton ; ak= valeur caractéristique de la dimension d’un élément de construction ; 𝛾! = 1.2 = coefficient de résistance. Nous remarquons que nos sections subissent uniquement des contraintes de traction, de compression et d’effort tranchant. En effet, nous avons une flexion globale de la structure mais pas de flexion local au niveau des sections. •

Résistance à la compression 𝑓!"# = η!" ×η! ×𝑓!"!.!" 𝑓!"!.!" = 𝑓!" − 𝑘𝑠!

Avec : 𝑓!"# = valeur caractéristique de la résistance à la compression ; η!" = 0.7= facteur de correction pour la prise en compte du comportement à la rupture à faible déformation du BFUP sollicité en compression ; η! = 0.9=coefficient pour la prise en compte d’une sollicitation du BFUP de longue durée dans l’élément de construction ; 𝑓!"!.!" =fractile 5% de la résistance à la compression ; 𝑓!" = 190𝑀𝑃𝑎= résistance à la compression moyenne du BSI ; k= coefficient dépendant du nombre de résultats d’essai selon le tableau. On supposera n>100 => k=1.65 ; 𝑠! = 8𝑀𝑃𝑎=écart type selon JSCE (Japan Society of Civil Engineers) pour les BFUP. 𝑓!"# = 111.3𝑀𝑃𝑎 𝑓!"# = 92.75𝑀𝑃𝑎 𝛾! •

Résistance à la traction 𝑓!"# = η! ×η! ×𝑓!"!.!" 𝑓!"!.!" = 𝑓!" − 𝑘𝑠!

Avec : 𝑓!"# = valeur caractéristique de la résistance à la compression ; η! = 0.9= coefficient d’orientation des fibres. On admet un comportement d’ensemble ; η! = 0.9=coefficient pour la prise en compte d’une sollicitation du BFUP de longue durée dans l’élément de construction ; 𝑓!"!.!" =fractile 5% de la résistance à la compression ; 𝑓!" = 9𝑀𝑃𝑎= résistance à la traction moyenne du BSI ; k= coefficient dépendant du nombre de résultats d’essai selon le tableau. On supposera n>100 => k=1.65 ; EPFL

43

2012 - 2013




𝑠! = 2𝑀𝑃𝑎=écart type selon JSCE (Japan Society of Civil Engineers) pour les BFUP. 𝑓!"# = 4.7𝑀𝑃𝑎 𝑓!"# = 3.91𝑀𝑃𝑎 𝛾! •

Résistance à l’effort tranchant selon Von Mises 𝑓!" 𝜏! = = 5.2𝑀𝑃𝑎 3 𝜏! = 4.33𝑀𝑃𝑎 𝛾!

6.8. Vérification à l’ELS 6.8.1. Vérification des déformations Après plusieurs itérations, nous avons constaté que le critère déterminant est la déformation maximum du mât. Pour l’ELS, nous avons fixé cette valeur à : ∆!"# !"# =

𝐿 = 1𝑚 200

Les déformations doivent rester faibles en vue d’augmenter la résistance à la fatigue ainsi que la durabilité des pièces mécaniques constituant la nacelle. Dans le processus d’optimisation, nous avons aussi considéré les critères suivants : • •

Epaisseur des sections : dw,min=0.05m pour des raisons de sécurité et dw,max=0.5m ; Rayon maximum du mât : 8m afin de faciliter le transport et le montage.

Voici la géométrie détaillée que nous avons retenue pour satisfaire ce critère sous les charges à l’ELS (Tableau 6-8).

EPFL

44

2012 - 2013



Surface n°

Epaisseur d [mm]

1

300.0

2

300.0

3

280.0

4

280.0

5

260.0

6

260.0

7

240.0

8

240.0

9

220.0

10

220.0

11

200.0

12

180.0

13

160.0

14

150.0

15

140.0

16

130.0

17

120.0

18

100.0

19

80.0

20

60.0

Hamza Sehaqui Ha-Phong Nguyen Déformation u [mm]

Rayon à la base [m]

8

Rayon en tête [m]

2

Hauteur [m]

200 Tableau 6-8 Géométrie retenue à l’ELS pour les déformations

6.8.2. Dimensionnement de la précontrainte Comme expliqué précédemment, la précontrainte est dimensionné de telle sorte à garantir la compression de toutes les sections pour le scénario à l’ELS. En prenant compte des pertes instantanées et différées, la force de précontrainte nécessaire pour remplir cette exigence est Fp=210613kN. En considérant des câbles de précontraints extérieurs sans adhérence de type T15S, il nous faut un total de 42 câbles 26T15S pour obtenir cette force de précontrainte nécessaire. La précontrainte est prise en compte par l’application d’une force concentrée (répartie sur la circonférence du cercle) sur le haut du mât comme le montre la Figure 6-14.

EPFL

45

2012 - 2013




Type

Section [mm2]

Poids [kg/m3]

Øint/Øext [mm]

σp = 0.70 fpk [kN]

26T15S

3900

30.6

105/112

5078

Tableau 6-9 Caractéristique des câbles de précontrainte

Figure 6-14 Force de précontrainte

6.8.3. Vérification des résistances en section Le Tableau montre les contraintes normales appliquées aux vingt sections. La précontrainte permet d’avoir uniquement des efforts normaux de compression sous le cas de charge à l’ELS. Il faut maintenant que nous vérifions la résistance en section avec les contraintes figurant dans les Tableaux 6-10.

EPFL

Section n°

Epaisseur [mm]

Ed compression [kN/m2]

Vérification

1

300

-33855.67

VRAI

2

300

-33782.67

VRAI

3

280

-36270.00

VRAI

4

280

-36380.71

VRAI

5

260

-39361.15

VRAI

6

260

-39596.15

VRAI

7

240

-43249.17

VRAI

8

240

-43681.67

VRAI

9

220

-48275.00

VRAI

10

220

-49036.82

VRAI

11

200

-54987.50

VRAI

46

2012 - 2013



12

180

-62558.89

VRAI

13

160

-72426.25

VRAI

14

150

-79904.67

VRAI

15

140

-89065.71

VRAI

16

130

-100449.23

FAUX

17

120

-114785.00

FAUX

18

100

-146573.00

FAUX

19

80

-197228.75

FAUX

20

60

-295036.67

FAUX

Résistance à la compression [kN/m2]


92750.00

Tableau 6-10 1ère itération à l'ELS

Comme l’indique le Tableau 6-10, les cinq dernières sections ne sont pas suffisamment résistance au vue des contraintes de compressions qu’elles subissent. Par itération, nous obtenons finalement les épaisseurs présentées dans le Tableau 6-11.

EPFL

Section n°

Epaisseur [mm]


Vérification

1

300

-34092.33

VRAI

2

300

-34036.00

VRAI

3

280

-36555.71

VRAI

4

280

-36678.57

VRAI

5

260

-39698.85

VRAI

6

260

-39950.00

VRAI

7

240

-43653.33

VRAI

8

240

-44102.92

VRAI

9

220

-48761.36

VRAI

10

220

-49545.91

VRAI

11

200

-55596.50

VRAI

12

200

-56933.00

VRAI

13

200

-58553.00

VRAI

14

200

-60515.50

VRAI

15

200

-62896.00

VRAI

16

200

-65792.00

VRAI

17

200

-69327.50

VRAI

18

200

-73687.00

VRAI

47

2012 - 2013



19

200

-79081.50

VRAI

20

200

-86579.00

VRAI

Résistance à la compression [kN/m2]


92750.00

Tableau 6-11 Sections définitives retenus à l'ELS

6.9. Vérification à l’ELU Pour l’ELU, les contraintes de tractions sont admissibles dans les sections. Pour la vérification à l’ELU, nous devons donc vérifier la résistance à la compression, à la traction et à l’effort tranchant. Le Tableau 6-12 donne les contraintes en section à l’ELU. Section n°

Epaisseur [mm]


Vérification

Ed traction [kN/m2]

Vérification

Ed tranchant [kN/m2]

Vérification

1

300

-43655.67

VRAI

7126.53

FAUX

1257.93

VRAI

2

300

-43321.67

VRAI

6243.77

FAUX

21.83

VRAI

3

280

-46157.50

VRAI

5646.18

FAUX

23.79

VRAI

4

280

-45973.93

VRAI

4517.61

FAUX

24.14

VRAI

5

260

-49340.77

VRAI

3547.27

VRAI

26.62

VRAI

6

260

-49217.31

VRAI

2082.00

VRAI

27.58

VRAI

7

240

-53236.67

VRAI

531.54

VRAI

30.67

VRAI

8

240

-53304.17

VRAI

-1371.96

0

31.63

VRAI

9

220

-58368.64

VRAI

-3755.86

0

35.18

VRAI

10

220

-58702.27

VRAI

-6257.41

0

36.50

VRAI

11

200

-65160.00

VRAI

-9907.75

0

41.05

VRAI

12

200

-65967.50

VRAI

-13293.80

0

8.75

VRAI

13

200

-67017.50

VRAI

-17060.40

0

8.50

VRAI

14

200

-68360.00

VRAI

-21312.00

0

8.00

VRAI

15

200

-70054.50

VRAI

-26167.65

0

7.45

VRAI

16

200

-72165.50

VRAI

-31796.85

0

6.95

VRAI

17

200

-74771.50

VRAI

-38445.60

0

6.55

VRAI

18

200

-77983.00

VRAI

-46478.50

0

6.05

VRAI

19

200

-81873.00

VRAI

-56457.50

0

5.50

VRAI

20

200

-87377.00

VRAI

-69288.50

0

2008.15

VRAI

Tableau 6-12 Vérification des sections pour l’ELU avec les épaisseurs obtenue pour l’ELS

Nous remarquons que les sections 1 à 4 ne satisfont pas la vérification à l’effort de traction. Donc nous pouvons augmenter les épaisseurs des sections concernées ou augmenter la force de précontrainte. Dans un premier temps, nous décidons d’augmenter la force de précontrainte à 251328kN pouvant être obtenu avec 50 câbles 26T15S. Le Tableau 6-13 montre les nouvelles contraintes.

EPFL

48

2012 - 2013




Section n°

Epaisseur [mm]


Vérification

Ed traction [kN/m2]

Vérification


Vérification

1

300

-46366.67

VRAI

4423.97

FAUX

1334.53

VRAI

2

300

-46128.33

VRAI

3437.10

VRAI

23.17

VRAI

3

280

-49287.86

VRAI

2517.29

VRAI

25.25

VRAI

4

280

-49236.07

VRAI

1256.64

VRAI

25.82

VRAI

5

260

-53048.46

VRAI

-119.81

0

28.42

VRAI

6

260

-53151.92

VRAI

-1754.04

0

29.65

VRAI

7

240

-57811.67

VRAI

-3825.58

0

32.96

VRAI

8

240

-58124.58

VRAI

-5950.50

0

34.29

VRAI

9

220

-63927.73

VRAI

-9018.32

0

38.14

VRAI

10

220

-64597.27

VRAI

-11817.50

0

39.95

VRAI

11

200

-72056.00

VRAI

-16391.30

0

44.90

VRAI

12

200

-73332.50

VRAI

-20190.45

0

8.75

VRAI

13

200

-74924.50

VRAI

-24427.05

0

8.50

VRAI

14

200

-76890.00

VRAI

-29218.15

0

8.00

VRAI

15

200

-79314.50

VRAI

-34697.80

0

7.45

VRAI

16

200

-82295.50

VRAI

-41058.05

0

6.95

VRAI

17

200

-85948.50

VRAI

-48575.35

0

6.55

VRAI

18

200

-90448.00

VRAI

-57657.50

0

6.05

VRAI

19

200

-95964.00

FAUX

-68923.00

0

5.50

VRAI

20

200

-103690.50

FAUX

-83378.50

0

2270.05

VRAI

Tableau 6-13 1ère itération à l’ELU

Nous remarquons que les sections 19 et 20 n’ont pas une résistance suffisante à la compression et la résistance en traction de la section 1 est insuffisante. Nous augmentons et optimisons les épaisseurs afin de satisfaire les contraintes et nous obtenons le Tableau 6-14. Section n°

Epaisseur [mm]


Vérification

Ed traction [kN/m2]

Vérification


Vérification

1

350

-39725.71

VRAI

3843.43

VRAI

1231.83

VRAI

2

280

-49348.21

VRAI

3826.54

VRAI

85.46

VRAI

3

225

-61238.22

VRAI

3250.00

VRAI

90.36

VRAI

4

225

-61298.22

VRAI

1560.31

VRAI

8.93

VRAI

5

225

-61433.78

VRAI

-228.18

0

9.16

VRAI

6

225

-61628.89

VRAI

-2167.24

0

9.16

VRAI

7

225

-61910.22

VRAI

-4281.07

0

9.02

VRAI

8

225

-62284.44

VRAI

-6583.64

0

8.80

VRAI

9

225

-62792.89

VRAI

-9093.47

0

8.62

VRAI

10

225

-63464.00

VRAI

-11838.89

0

8.36

VRAI

11

225

-64325.33

VRAI

-14860.76

0

8.09

VRAI

12

225

-65428.89

VRAI

-18211.47

0

7.82

VRAI

13

225

-66815.56

VRAI

-21958.27

0

7.51

VRAI

14

225

-68537.78

VRAI

-26192.13

0

7.07

VRAI

15

225

-70666.22

VRAI

-31036.27

0

6.62

VRAI

16

225

-73285.33

VRAI

-36662.71

0

6.18

VRAI

EPFL

49

2012 - 2013




17

225

-76503.56

VRAI

-43316.31

0

5.78

VRAI

18

225

-80469.33

VRAI

-51357.78

0

5.38

VRAI

19

225

-85341.33

VRAI

-61340.44

0

4.89

VRAI

20

225

-92050.67

VRAI

-74154.22

0

2137.56

VRAI

Tableau 6-14 2ème itération à l'ELU

Nous avons décidé de ne pas poser une section avec une épaisseur plus grande sur une section d’épaisseur inférieure. 6.10. Géométrie finale Le Tableau 6-15 rassemble les épaisseurs des différentes sections et leur efficacité. Section n°

Epaisseur [mm]


Efficacité [%]

Ed traction [kN/m2]

Efficacité [%]


Efficacité [%]

1

350

-39726

43

3843

98

1232

28

2

280

-49348

53

3827

98

85

2

3

225

-61238

66

3250

83

90

2

4

225

-61298

66

1560

40

9

0

5

225

-61434

66

-228

-

9

0

6

225

-61629

66

-2167

-

9

0

7

225

-61910

67

-4281

-

9

0

8

225

-62284

67

-6584

-

9

0

9

225

-62793

68

-9093

-

9

0

10

225

-63464

68

-11839

-

8

0

11

225

-64325

69

-14861

-

8

0

12

225

-65429

71

-18211

-

8

0

13

225

-66816

72

-21958

-

8

0

14

225

-68538

74

-26192

-

7

0

15

225

-70666

76

-31036

-

7

0

16

225

-73285

79

-36663

-

6

0

17

225

-76504

82

-43316

-

6

0

18

225

-80469

87

-51358

-

5

0

19

225

-85341

92

-61340

-

5

0

20

225

-92051

99

-74154

-

2138

49

Rayon à la base (m)

8

Rayon en tête (m)

2

Hauteur (m)

200

Précontrainte

50 câbles 26T15S

Tableau 6-15 Géométrie finale du mât

Nous voyons que les sections inférieures du mât possèdent encore une réserve importante de résistance à la compression contrairement aux sections supérieures. Concernant la traction, l’effet inverse peut être observé. Pour l’effort tranchant, l’ensemble des sections possède une réserve très importante de résistance. Comme les sections ont quelques peu changé depuis la vérification de l’ELS, le Tableau 6-16 montre les déformations maximum du mât à l’ELU et à l’ELS. EPFL

50

2012 - 2013



Déformation à l’ELS


Déformation à l’ELU

Tableau 6-16 Déformation du mât à l’ELS et à l’ELU

Le critère de déformation à l’ELS et à l’ELU est vérifié. Les déformations sont essentiellement causées par la charge de vent et l’effort de poussée au niveau du rotor. Comme le montre le Tableau, la déformation s’effectue l’axe global X. La déformation maximale enregistrée à l’ELS est de 909mm et de 1355 à l’ELU et a lieu au sommet de la tour. Nous décidons de refaire une analyse dynamique pour s’assurer que les fréquences propres du mât ne coïncident pas avec les fréquences d’excitation 1P et 3P pour cette géométrie définitive. Les fréquences propres correspondant aux dix premiers modes de vibration sont données dans le Tableau 6-17. Mode Fréquence géométrie initiale [Hz] Fréquence géométrie finale [Hz]

EPFL

1

0.446

0.324

2

0.446

0.324

3

1.704

1.570

4

1.704

1.570

5

3.955

3.894

6

3.955

3.894 51

2012 - 2013




7

4.307

4.035

8

4.307

4.035

9

6.012

5.642

10

6.012

5.642

Tableau 6-17 Dix première fréquences propres du mât

Nous remarquons que les fréquences propres sont légèrement plus faibles qu’auparavant. La Figure 6-15 montre l’interaction des fréquences d’excitation et des fréquences propre du mât pour la géométrie retenue.

Fréquence propre et d'excita7on du mât 1.2

Fréquence [Hz]

1

0.8 1P

0.6

3P Mode 1,2

0.4

0.2

0 0

5

10

15

20

25

Vitesse de rota7on du rotor [rpm] Figure 6-15 Fréquence propre et d’excitation du mât pour la géométrie finale

Pour cette géométrie finale, la fréquence propre coïncide avec la fréquence d’excitation 3P lorsque le rotor tourne à une vitesse comprise entre 6 et 7rpm. L’organe de contrôle fera accélérer le rotor lorsque la fréquence des pâles (3P) se situera entre 0.3 et 0.35Hz. 6.11. Dimensionnement à la fatigue Lorsque le mât est sollicité par des charges cycliques, des dommages progressifs et localisés, plus connus sous le nom de « fatigue », peuvent apparaître. Les variations de contraintes, défini comme la différence entre la contrainte maximale et minimale, peuvent entraîner des fissures dans la structure et ceux, même pour des contraintes inférieures aux résistances. Ces variations de contrainte peuvent provenir de plusieurs sources, à savoir : • EPFL

Chaque rotation des pâles ; 52

2012 - 2013

Projet de construction Génie civil, MA2 • • • •



La turbulence du vent ; L’effet de masquage quand une pâle passe devant le mât ; Les vibrations du rotor ; L’écoulement turbulent entrainant la rotation des vortex.

Le comportement à la fatigue des BFUP est un domaine relativement nouveau et qui est actuellement sujet à de nombreuse recherches. Certains résultats issus de ces recherches sont présentés ici. En compression, le BFUP se comporte de manière optimale jusqu’à la contrainte de compression admissible. Concernant la traction, les études ont montré que des dégâts dus à la fatigue peuvent apparaître lorsque la contrainte de traction s’élève à 0.5 à 0.6 fois la contrainte admissible en traction du BFUP. Pour la liaison entre les éléments préfabriqués du mât, le BFUP se comporte bien si le coffrage est bien réalisé. Une structure en BFUP présentera un meilleur comportement à la fatigue par rapport à l’utilisation d’un béton traditionnel à condition que les critères ci-dessus soient respectés. La fatigue du béton est souvent considérée pour les ponts et les bâtiments où le nombre de cycle vaut environ 10 millions. Cependant, la variation de contrainte appliquée à chaque cycle est importante contrairement aux éoliennes qui subissent environ 108 cycles mais avec des variations de contraintes de moindre importance. En comparaison avec les structures usuels du génie civil, ce nombre de cycle est beaucoup plus élevé ce qui nécessite donc une vérification minutieuse. Pour vérifier la résistance à la fatigue de notre mât en BFUP, nous allons nous baser sur le cahier technique du BFUP en cours d’écriture par la SIA. Lors de la vérification à la fatigue, on vérifiera la sécurité structurale à l’état limite de type 4 pour le BFUP sollicités en traction. La vérification n’est pas nécessaire lorsque le BFUP est sollicité en compression ou à l’effort tranchant. La vérification à la fatigue du BFUP sollicité en traction s’effectue à l’aide du critère suivant : 𝜎!,!"# (𝑓𝑎𝑡) ≤ 𝜎!,! Avec : 𝜎!,!"# (𝑓𝑎𝑡)= contrainte de traction maximale dans le BFUP due aux actions permanentes et aux actions dues à la fatigue selon la norme SIA 261 et 269/1 ; 𝜎!,! = 0.35(𝑓!"# + 𝑓!" )= limite de fatigue du BFUP. Pour le calcul en fatigue, les coefficients de la combinaison de charges sont pris égaux à 1. La vérification à la fatigue du mât n’est pas nécessaire car pour la combinaison de charge à l’ELS, aucune section du mât n’est sollicitée en traction.

EPFL

53

2012 - 2013




7. Dimensionnement des fondations Pour des conditions normales de sol présentant une bonne capacité portante, les semelles filantes sont généralement utilisées. Les fondations sur pieux, les puits forés, les caissons ou d’autres types de fondations spéciales sont quant à elles utilisé pour des conditions de site inhabituelle (espace limité, inclinaison/déclinaison du terrain, éolienne off-shore, etc.). Pour notre cas, nous allons considérer une semelle filante en béton armé rectangulaire qui s’avère simple, économique et adapté au type de sol de Lausanne. 7.1. Méthode de dimensionnement Le moment renversant appliqué sur la fondation est engendré par une excentricité des réactions d’appuis dus au poids propres et aux charges utiles. Les dimensions des fondations sont donc gouvernées par la capacité portante du sol et la combinaison de charge à l’ELU. Des ancrages ou micropieux peuvent être utilisé en complément afin de réduire la taille de la semelle. Trois cas de charge pour la semelle rectangulaire soumise à la charge excentrique sont possible (Figure).

Figure 7.1. 7-1 Cas de chargement de la semelle Figure Footing design loading cases

Ne disposant pas de données géotechniques sur le site de Provence, nous avons décidé de considérer lesf’cparamètres suivant pour leofsol la semelle en béton armé (Tableau where = the design compressive strength the et concrete and the material reduction factor is 0.85. 7-1). The thickness of the concrete cover shall be subtracted for the depth D. The required reinforcement ratio

2 spread footing determined by Résistance en compression du béton [MPa] f’c Capacité ducan solbe[kg/m ] fso s of theportante

s

fc ' 1 fy

40000 2 Mu

1

28

, fc ' S Capacité D Tableau 7-1 portante du terrain et propriétés du béton de la semelle 2

where fy is the yielding stress of the reinforcement, typically 60 ksi. The ultimate moment Mu is calculated at the face of the tower according to bearing stress distribution. The minimum reinforcement ratio s shall be 0.0018.

7.2

EPFL

Multi-Equilateral Spread Footing Design

54

2012 - 2013

For circular towers, wind load can be applied from any direction and multi-equilateral footings such as those of hexagonal, octagonal, or even circular shape are more economical to use. The multi-equilateral




La surface de contact Af de la semelle avec le sol est égale à la longueur de la semelle L multipliée par sa largeur S. Le moment d’inertie correspondant est égal à !

!!! !"

et “c“ est la

distance vers le bord. Pour la contrainte maximum de portance du sol, 𝑐 = !. L’excentricité de la charge sur la fondation est défini par 𝑒 =

! !

!

𝑀! (𝑧) =

!

𝐹! 𝑧 ∗ (𝑥 − 𝑧) 𝑑𝑥

!

𝑃= !

𝑤! 𝑑𝑧 + 𝑊!é!é!"#$%!

Avec M le moment renversant et P la charge axiale. L’excentricité doit être à l’intérieur du périmètre de la semelle afin d’assurer la stabilité de celle-ci. Cette condition se traduit par 𝑒=

𝑀 𝐿 < 𝑃 2 !

Comme le montre la Figure 7-1, si l’excentricité est dans la zone de compression 𝑒 < !, les !

contraintes sous la semelles seront uniquement des contraintes de compression. Si 𝑒 > !, la contrainte maximum que le sol peut supporter est : 2𝑃 < 𝑓!" 𝐿 3𝑆 2 − 𝑒 La profondeur D de la semelle est déterminée en fonction de la résistance au cisaillement de la semelle et de la profondeur nécessaire pour résister à la contrainte de cisaillement. La semelle doit respecter la résistance au cisaillement suivante : 𝑃!"# =

𝑉! ≤ 𝜑2 𝑓!! 𝑆𝐷 Avec :

𝑉! =force de cisaillement maximum ; 𝑓!! = résistance à la compression du béton de la semelle ; 𝜑 = 0.85= facteur de réduction.

L’épaisseur de la semelle devra être soustraite de la profondeur D obtenue. Le taux d’armature pour renforce la semelle peut être calculé à l’aide de la relation suivante : 𝜑𝑓!! 2𝑀! 𝜌! = 1− 1− 𝑓! 𝜑𝑓!! 𝑆𝐷 !

Avec : 𝑓! = 435 !!! = limite d’élasticité de l’acier d’armature ; 𝑀! = moment ultime. EPFL

55

2012 - 2013




Il est généralement conseillé de prendre un taux de renforcement minimal 𝜌! = 0.0018. 7.2. Dimensionnement de la semelle Les réactions d’appui selon l’axe global Z sont montrées à la Figure 7-2 ainsi que leurs répartitions (Figure 7-3).

Figure 7-2 Réaction d'appui selon l'axe global Z

Figure 7-3 Répartition des réactions d'appuis selon l'axe global Z

A l’aide de RFEM, nous avons pu isoler ces efforts et nous trouvons donc : M [kNm] 6

1.52*10

P[kN]

Excentricité e [m]

314808

4.829

Tableau 7-2 Force axiale, moment renversant et excentricité

Avec la condition de stabilité 𝑒 =

! !

!

!

< !, nous trouvons L>10m. Nous avons 𝑒 > ! = 1.67𝑚

ce qui nous place dans le cas 3 de la Figure. Avec la condition de la contrainte maximum supportable par le sol, nous trouvons la largeur de la semelle : EPFL

56

2012 - 2013




2𝑃 = 4189𝑚 𝐿 3𝑓!" 2 − 𝑒 La largeur est beaucoup trop importante, il faut donc augmenter la longueur de la semelle. Comme le diamètre à la base vaut 16m, choisissons L=40m. Nous obtenons S>35m. 𝑆>

La profondeur de la semelle est déterminée à l’aide de la contrainte de cisaillement maximum : 𝐷≥

𝑉! 𝜑2 𝑓!! 𝑆

46𝑚

RFEM nous donne les réactions d’appui selon l’axe global X comme le montre la Figure 7-4 et le Tableau 7-3.

Figure 7-4 Réaction d'appui selon l'axe global X

M [kNm] Vu [kN] Excentricité e [m] 7.7*104

14326

5.375

Tableau 7-3 Efforts de cisaillement des appuis

Les dimensions de la semelle sont résumées dans le Tableau 7-4. Longueur L (m) Largeur S (m) Profondeur D (m) 40

35

46

Tableau 7-4 Dimensions de la semelle

Nous remarquons les dimensions de la semelle sont extrêmement importante. Ce type de fondation n’est donc pas adapté pour une éolienne de telle envergure. Il faudrait considérer un type de fondation profonde à l’aide de pieux afin d’augmenter significativement la capacité portante du terrain.

EPFL

57

2012 - 2013




8. Comparaison du mât en BFUP avec l’acier Afin de comparer la solution du mât en BFUP avec celle en acier, nous procédons à un dimensionnement du mât en acier S355 à l’aide du logiciel RFEM. Cette comparaison avec un mât en acier traditionnel est nécessaire afin vérifier si notre proposition de mât en BFUP est une alternative efficace. Acier à haute résistance

Limite d’élasticité fy [N/mm2]

Résistance à la traction fu [N/mm2]

Allongement de rupture εr [%]

S355

355

510

22

Tableau 8-1 Caractéristiques de l'acier S355

Nous avons fixé l’épaisseur des sections entre 100mm et 400mm. Les rayons à la base et en tête sont identiques que pour la solution en BFUP. Nous calculerons la solution optimale pour la combinaison de charge à l’ELU sans prise en compte de la précontrainte ainsi que pour l’ELS. Nous garderons les dimensions les plus conservatives pour chaque sections. Le Tableau 8-1 donne les épaisseurs de toutes les sections pour le scénario à l’ELU et à l’ELS. Epaisseurs section n° ELS [mm] ELU [mm] 1

300

80

2

250

50

3

220

44

4

180

36

5

100

30

6

45

27

7

45

22.5

8

45

22.5

9

45

22.5

10

45

22.5

11

45

18

12

45

18

13

45

18

14

45

18

15

45

18

16

45

13.5

17

45

13.5

18

45

13.5

19

45

9

20

45

22.5

Tableau 8-2 Epaisseurs obtenues à l'ELS et l'ELU pour le mât en acier

EPFL

58

2012 - 2013




Nous constatons que c’est le critère de déformation de l’ELS qui gouverne le dimensionnement du mât en acier. Le Tableau 8-2 donne le comparatif entre le mât en BFUP et le mât en acier. BFUP

Acier

Volume

1502 m3

668 m3

Masse

4205290 kg

5240705 kg

Prix unitaire

4000 CHF/m3

2 CHF/kg

Prix total

6'008'000 CHF

10’481410 CHF

Tableau 8-3 Comparaison des coûts pour le mât en BFUP et en acier

Nous constatons que le volume de BFUP nécessaire est 2 à 3 fois plus important que le volume d’acier. Comme les prix des matériaux sont extrêmement volatiles, il est difficile de fixer un prix définitif. Les prix unitaires que nous avons considérés pour la comparaison sont les prix actuellement en vigueur en Suisse. De plus, comme le BFUP est un matériau relativement nouveau et révolutionnaire, nous assisterons dans le futur à sa démocratisation qui engendrera une diminution de son coût ce qui le rendra encore plus compétitif par rapport à l’acier. De cette comparaison, il ne faut pas uniquement retenir les chiffres mais aussi le fait que le BFUP doit être considéré comme une alternative intéressante pour la fabrication des mâts d’éolienne.

EPFL

59

2012 - 2013




9. Conclusion et suggestions Le génie civil est un domaine où l’ingéniosité est une qualité première pour permettre l’invention de projet innovant. Le BFUP est un matériau permettant ainsi aux ingénieurs de repousser certaines limites en termes de résistance et de rigidité. Ce projet a démontré qu’il était possible de recourir à un matériau autre que le béton ou l’acier pour la conception des mâts d’éolienne. En effet, l’étude a révélé qu’il était tout à fait envisageable de réaliser un mât de 200 mètres de haut en BFUP non armée combiné avec un système de précontrainte extérieure sans adhérence. Des rayons de 8 et 2 m respectivement à la base et au sommet de l’éolienne, ainsi que des épaisseurs comprises entre 225 et 350 mm se sont révélé suffisante pour la satisfaction de l’ELU et l’ELS. Les avantages d’un mât en BFUP ne concernent pas seulement les gains de résistance mais également des bienfaits en termes d’économie. Le modèle 3D réalisé avec RFEM ainsi que les combinaisons de charges considérées conviennent à une situation d’éolienne terrestre. Cependant, les propriétés de durabilité exceptionnelle du BFUP seraient très adaptées aux conditions extrêmes d’éoliennes offshores. Pour cela, il faudrait approfondir notre étude afin de prendre en considération des sollicitations propres aux éoliennes offshores telles que la houle. Pour notre étude, nous avons décidé de considérer un modèle géométrique spécifique, qui peut être adapté à d’autres conditions. Les évolutions du modèle présenté sont nombreuses. En effet, il serait envisageable de fixer d’autre paramètre géométrique et des les optimiser en faisant d’autres hypothèses que celles qui ont été faite pour ce projet. Cependant, un des points les plus importants qu’il serait intéressant de détailler pour une éolienne de 200m est le calcul des fondations qui permettrait dès lors d’optimiser le choix du système de fondation. Concernant les charges appliquées sur le mât, une analyse plus poussée prenant en compte les effets de la température et les actions dues au séisme serait intéressant afin d’en juger les conséquences sur le dimensionnement. Nous avons montré à travers ce projet que la possibilité de réaliser une éolienne de 200m à l’aide d’un matériau révolutionnaire comme le BFUP ne relevait pas de l’utopie mais plutôt de l’ambition de contribuer au développement durable pour les générations futures.

EPFL

60

2012 - 2013




10. Bibliographie ASCE STANDARD ASCE/SEI 7-05, Minimum Design Loads for Buildings and OtherStructures,published by the American Society of Civil Engineers, 2006. AFGC. Ultra High Performance Fibre-Reinforced Concretes-Interim Recommendation AFGC-SETRA, 2002. Cespedes, F-X. Jammes, J. Resplendino, L. Tosini. L'avenir des éoliennes offshore passe par le béton fibré à ultra-haute performance. Travaux n° 886, p. 60-64, 2012. IEC 2005 61400-1 Wind Turbine GeneratorSystems-Part 1: Safety Requirements, International Electrotechnical Commission. OFEFP 2001: Esthétique du paysage – guide pour la planification et la conception de projets Guide de l’environnement n°9. SIA Cahier technique BFUP. Edition avril 2013. Systèmes énergétiques, Gérard Sarlos, Pierre-André Haldi, Pierre Verstraete. The Concrete Center, 2007, “Concrete Towers for Onshore and Offshore Wind Farms”. Technical Report, Camberley, Surrey. Zheng Wang. Model-Based Design of an Ultra High Performance Concrete Support Structure for a Wind Turbine. Meng Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2007

EPFL

61

2012 - 2013




11. Annexes ANNEXE E

VALEUR DE RÉFÉRENCE DE LA PRESSION DYNAMIQUE

Jura

Allgemein / Général / Generale / General

Kreten und Gipfel Crêtes et sommets Creste e cime Ridges and peaks

2,4 kN/m2

0,9 kN/m2 1,1 kN/m2 1,3 kN/m2

Alpen / Alpes / Alpi / Alps Übergangszonen Zones de transition Zone di transizione Transition zones

1,1 – 3,3 kN/m2

Übergangszonen Zones de transition Zone di transizione Transition zones

1,4 – 3,3 kN/m2

Kreten und Gipfel Crêtes et sommets Creste e cime Ridges and peaks

3,3 kN/m2

Reproduziert mit Bewilligung von swisstopo (BA035115)

Anhang Annexe Appendice Annex

E

Referenzwert des Staudrucks Valeur référence de la pression dynamique Valore di riferimento della pressione dinamica Reference value of the dynamic pressure

SIA 261, Copyright © 2003 by SIA Zurich

107

Figure 11-1 Valeur de référence de la pression dynamique du vent

EPFL

62

2012 - 2013




®

SeaTitan™ 10 MW Wind Turbine Maximum power per tower for offshore environment AMSC’s Windtec Solutions include wind turbine designs that enable our partners to launch best-in-class wind turbines quickly, effectively and profitably. Providing a path to significantly lower the cost of offshore wind power, AMSC is developing the SeaTitan wind turbine to maximize “power per tower.” With the ability to produce 10 MW of power or more, the SeaTitan model promises to be the world’s most powerful turbine. It is based on a lighter weight and highly reliable direct drive design, ensuring a perfect fit for the harsh offshore operational conditions. 3UPERCONDUCTORGENERATORELIMINATES TOLERANCEANDDEFORMATIONISSUES The SeaTitan wind turbine design employs a high temperature superconductor (HTS) generator, which is significantly smaller and lighter than a generator using conventional technologies. The superconductor generator has a large air gap to eliminate issues with tolerance, deformation and rare earth material availability. The generator is integrated as part of the turbine and decoupled from the load-carrying components. Generator torque is transferred directly from the stator to the mainframe.

s HTS generator offers efficiencies of up to 96%; 94% with converter

wind turbine components and extremely costly with breakdowns at sea. In addition, no couplings are needed with the direct drive.

s Direct drive eliminates gearbox

(IGHEFFICIENCYFOROFFSHOREGENERATION The SeaTitan turbine connects the superconductor generator to the grid with a full-scale converter. The IGBT-based converter with advanced power electronics ensures that the generator works with high efficiency over the entire speed range.

s No iron rotor or stator teeth

s Air core for lightest weight

s HTS windings generate high ampere-turns and flux density without iron pole faces s 190 m rotor diameter for TC1 conditions

AEP 47500

42500

annual energy production [MWh/yr]

!MPERIUMWIREISKEYTOLOWCOSTAND LIGHTWEIGHT AMSC’s Amperium wire is used for the HTS rotors instead of copper wire. These wires can carry over 100 times more power than copper wires of the same dimensions. Therefore, the generator is much smaller, lighter and more efficient than conventional large-scale wind turbine generators and produces the highest known power-to-weight ratio. This reduces the costs associated with the supporting mast structure, foundations, floatation systems and installation.

TM

37500

32500

AMSC® intends to license SeaTitan wind turbines and generators to qualified manufacturers around the world.

27500

22500

17500

Windtec SeaTitan 12500

$IRECTDRIVELOWERSMAINTENANCENEED The direct drive model does not use a gearbox, which is one of the most maintenance-intensive

EPFL

7500 5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

9,5

10

average wind speed @ hub height [m/s]

63

2012 - 2013




Wind Turbine Designs – 10 MW TM

AEP @ 10 m/s average wind 60000

10000 51.480

annual energy production [MWh/yr]

50000

electric power output [kW]

8000

6000

4000

Windtec SeaTitan 2000

40000

30000

20000

10000

0 0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0

25,0

W

in

dt

ec

Se

aT

ita

n

wind speed @ hub height [m/s]

The SeaTitan turbine uses an advanced electrical individual pitch control system design. It is available in 50 Hz or 60 Hz.

4%#(.)#!,$!4! Type:

wt10000dd

Grid frequency:

#OMPLIANCEWITHINTERNATIONALGRIDCODES The SeaTitan turbine fulfills the most demanding international grid code requirements and has low voltage ride-through (LVRT) capability.

Tilt angle rotor axis: Hub height:

5° 125 m

Hub type / material: Mainframe type:

2EAL TIMEINFORMATIONWITHCONTINUOUSMONITORINGANDALARM HANDLING AMSC’s advanced wtCMS condition monitoring system provides continuous monitoring of the key system components. This gives operators real-time information about the turbine status as well as detailed and comprehensive analysis tools to optimize maintenance activities. The fully integrated system allows intelligent measurement, turbine control interaction, and the analysis of monitoring and performance data. In addition, wtSCADA remote operation and wtDataCenter analyzing packages are available to provide a harmonized control system with supervisory control and data acquisition to actively monitor, analyze and operate entire wind farms.

50 Hz / 60 Hz

Type of tower construction: Rotor diameter: Lightning conductor:

cast iron cast iron conical tubular steel tower 190 m integrated

/0%2!4).'$!4! Cut-in wind speed:

4 m/s

Rated wind speed:

11.5 m/s

Cut-out wind speed:

30 m/s

'%.%2!4/2!.$0/7%2%,%#42/.)#3 Generator type: Rated driving power: Rated generator speed: Number of poles: Cooling:

HTS synchronous 12,000 kVA 10 rpm multi-pole cryogenic and water cooling

Converter type: Generator rated power

IGBT, 4-quadrant 0.95 inductive to 0.95 capacitive at 690V ph-ph

$2)6%42!).30%#)&)#!4)/. Type of gearing:

direct drive

Gear lubrication:

-

Connection gear / generator:

-

"2!+).'3934%Operational brake: Type of construction: Mechanical brake:

individual blade pitching gear/servomotor disc brake

9!73934%Type of yaw bearing:

ball bearing

Drive unit:

gear motor

Number of drive units: Brake:

tbd active brake plus motor brake

!-")%.44%-0%2!452%2!.'% Normal:

During operation:

-10°C to 40°C

Survival range:

-20°C to 50°C

www.amsc.com/windtec [email protected] ®

© 2012 AMSC. AMSC, AMPERIUM, SMARTER, CLEANER … BETTER ENERGY, SEATITAN, WINDTEC and WINDTEC SOLUTIONS are trademarks or registered trademarks of American Superconductor Corp. or its subsidiaries. All other brand names, product names or trademarks belong to their respective holders.

wt10000_DS_A4_0212

Figure 11-2 SeaTitan™ 10MW wind turbine

EPFL

64

2012 - 2013

Dimensionnement d'Une Éolienne en BFUP_VF

Recommend Documents