dimensionnement d'une Éolienne en bfup_vf

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Conception et dimensionnement dune olienne en BFUP Projet de construction, Gnie civil, MA2, 2013

tudiants : .......................... Ha-Phong Nguyen Hamza Sehaqui Professeurs : ......................... Eugen Brhwiler Emmanuel Denari

Facult environnement naturel, architectural et construit

MCS MAINTENANCECONSTRUCTIONSCURITINSTITUT DINGNERIE CIVILE

Projet de construction Conception dune olienne en BFUP Hamza Sehaqui Gnie civil, MA2 Ha-Phong Nguyen

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Remerciement Ce travail sinscrit dans le cadre du projet de construction de gnie civil. Notre choix sest port sur la conception et le dimensionnement dun mt dolienne en Bton Fibr Ultra-haute Performance (BFUP). Nous avons opt pour ce choix tout dabord par rapport limportance et le rle cl des nergies renouvelables dans le contexte nergtique actuel et futur. Lolien est un pilier sur lequel la Suisse devra sappuyer pour son approvisionnement en nergie renouvelable. De plus, ce projet nous a notamment permis de mettre en pratique les notions acquises lors du cours Matriaux et Structures .

Nous tenons adresser tout dabord nos remerciements les plus profonds et les plus sincres au Professeur Eugen Brhwiler, pour lopportunit qui nous a accord pour raliser ce projet.

Nous remercions galement le Professeur Emmanuel Denari qui sest rendu disponible pendant toute la priode de ce projet et qui ft une source dinformation qui nous a t trs utile pour mener bien notre projet.


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Table des matires

1. Introduction ......................................................................................................................... 1 2. Objectif du projet ................................................................................................................ 2 3. Revue litraire ..................................................................................................................... 3

3.1. Bton fibr ultra performant ......................................................................................... 3 3.1.1. Composition du BFUP ........................................................................................... 3 3.1.2. Comportement du BFUP ........................................................................................ 3

3.2. Gnralits sur les oliennes ......................................................................................... 5 3.2.1. Historique ............................................................................................................... 5 3.2.2. Dfinitions et types ................................................................................................ 6 3.2.3. Terminologies et fonctionnement .......................................................................... 7

3.3. Le mt ........................................................................................................................... 8 3.3.1. Rle du mt ............................................................................................................ 8 3.3.2. Matriaux employs pour le mt .......................................................................... 10

4. Mt en BFUP ..................................................................................................................... 11 4.1. Solution 1 .................................................................................................................... 11

4.1.1. Description gnrale ............................................................................................ 11 4.1.2. Elment du mt .................................................................................................... 11 4.1.3. Phasage de construction ....................................................................................... 13 4.1.4. Prcontrainte ........................................................................................................ 14

4.2. Solution 2 .................................................................................................................... 19 5. Choix de lemplacement .................................................................................................... 21

5.1. Gnralit .................................................................................................................... 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 protger et voies de communication historiques : .......................... 23 5.6. Choix final du site ....................................................................................................... 24

6. Dimensionnement du mt .................................................................................................. 26 6.1. Dmarche .................................................................................................................... 26 6.2. Paramtres des matriaux utiliss ............................................................................... 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 engendr sur le mt ............................................................. 32


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6.4.4. Combinaison des charges ..................................................................................... 33 6.4.5. Rcapitulation des forces agissant sur le mt ...................................................... 33

6.5. Modle RFEM du mt ................................................................................................ 34 6.6. Dimensionnement dynamique du mt ........................................................................ 36 6.7. Dimensionnement lELU et lELS .......................................................................... 40 6.8. Vrification lELS .................................................................................................... 44

6.8.1. Vrification des dformations .............................................................................. 44 6.8.2. Dimensionnement de la prcontrainte ................................................................. 45 6.8.3. Vrification des rsistances en section ................................................................ 46

6.9. Vrification lELU ................................................................................................... 48 6.10. Gomtrie finale ....................................................................................................... 50 6.11. Dimensionnement la fatigue .................................................................................. 52

7. Dimensionnement des fondations ..................................................................................... 54 7.1. Mthode de dimensionnement .................................................................................... 54 7.2. Dimensionnement de la semelle ................................................................................. 56

8. Comparaison du mt en BFUP avec lacier ...................................................................... 58 9. Conclusion et suggestions ................................................................................................. 60 10. Bibliographie ..................................................................................................................... 61 11. Annexes ............................................................................................................................. 62

Liste des figures Figure 1-1 Augmentation de la taille des oliennes commerciales avec le temps selon L'IPCC, 2011 ............................................................................................................................................ 1 Figure 3-1 Relation entre la contrainte et la dformation du BFUP non fibr, selon Fehling et al., 2004 ...................................................................................................................................... 4 Figure 3-2 Relation entre la contrainte flexionnel et le dplacement pour un BFUP selon Fehling, Bunje, & Leutbecher, 2004 .......................................................................................... 4 Figure 3-3 L'olienne de Charles Brush, Cleveland, 1988 ......................................................... 5 Figure 3-4 Les dix premires capacits mondiales dnergie olienne selon le Rapport mondial 2010 sur lnergie oliennes ......................................................................................... 6 Figure 3-5 Constituants d'une olienne ...................................................................................... 7 Figure 3-6 Portance sur le profil d'une pale d'olienne .............................................................. 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 oliennes pour une surface identique, selon Brughuis, 2004 ................................................................................................. 9 Figure 4-1 Gomtrie dune olienne bi-effile ....................................................................... 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 compos de quatre anneaux ............................................................... 16 Figure 4-6 Coupe verticale de la liaison entre deux sections types ......................................... 16


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Figure 4-7 Mise en plan d'une coupe verticale entre deux anneaux intermdiaire .................. 17 Figure 4-8 Vue en plan d'un bossage intermdiaire ................................................................. 17 Figure 4-9 Assemblage d'lment pour constituer un voussoir complet .................................. 18 Figure 4-10 Prcontrainte orthoradiale l'aide de l'ancrage X dvelopp par Freyssinet ....... 18 Figure 4-11 Gomtrie retenue pour la solution 2 ................................................................... 19 Figure 4-12 Transport des segments pour le mt ..................................................................... 19 Figure 4-13 Principe de la prcontrainte pour la solution 2 ..................................................... 20 Figure 5-1 Vitesse moyenne annuelle du vent 50 m du sol ................................................... 21 Figure 5-2 : Zone de turbulence ............................................................................................... 22 Figure 5-3 : Surface habite et zones forestires ...................................................................... 22 Figure 5-4 : Zones de protection de la nature et du paysage .................................................... 23 Figure 5-5 : Zone des sites construits protger et des voies de communication historiques . 24 Figure 5-6 : Zones propices l'implantation d'oliennes ......................................................... 24 Figure 5-7 : Zone choisie pour l'implantation du parc olien .................................................. 25 Figure 5-8 Photo montage de l'olienne 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'olienne SeaTitan avec les autres oliennes traditionnelles ...... 32 Figure 6-4 Bilan des forces appliques la tour ...................................................................... 33 Figure 6-5 Division du mt en vingt sections .......................................................................... 34 Figure 6-6 Vue complte du mt et son maillage ..................................................................... 35 Figure 6-7 Fondation du mt .................................................................................................... 35 Figure 6-8 Frquence d'excitation 1P et 3P .............................................................................. 36 Figure 6-9 Gauche: rponses en traction compares d'un BFUP, crouissant en traction, d'un bton et d'un bton fibr; Droite: rponses en traction compares d'un BFUP crouissant en traction et de barre d'armature passives en acier. ..................................................................... 37 Figure 6-10 Dformation (x64) du mt selon les dix premiers modes de vibration ............... 39 Figure 6-11 Frquence propre et dexcitation du mt .............................................................. 40 Figure 6-12 Mthode pour la vrification lELS ................................................................... 41 Figure 6-13 Mthode pour la vrification lELU .................................................................. 42 Figure 6-14 Force de prcontrainte .......................................................................................... 46 Figure 6-15 Frquence propre et dexcitation du mt pour la gomtrie finale ....................... 52 Figure 7-1 Cas de chargement de la semelle ............................................................................ 54 Figure 7-2 Raction d'appui selon l'axe global Z ..................................................................... 56 Figure 7-3 Rpartition des ractions d'appuis selon l'axe global Z .......................................... 56 Figure 7-4 Raction d'appui selon l'axe global X ..................................................................... 57 Figure 11-1 Valeur de rfrence 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 Proprits mcaniques moyennes du BSI utilis pour le mt .............................. 27 Tableau 6-3 Caractristiques des torons de prcontrainte ........................................................ 28 Tableau 6-4 Hauteur du gradient zg et exposant de la rugosit du sol r ................................. 30 Tableau 6-5 Valeurs de chargements l'ELU .......................................................................... 33 Tableau 6-6 Paramtres pour dfinir la gomtrie retenue du mt aprs lanalyse dynamique .................................................................................................................................................. 38


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Tableau 6-7 Dix premires frquences propres du mt ............................................................ 38 Tableau 6-8 Gomtrie retenue lELS pour les dformations ............................................... 45 Tableau 6-9 Caractristique des cbles de prcontrainte ......................................................... 46 Tableau 6-10 1re itration l'ELS ........................................................................................... 47 Tableau 6-11 Sections dfinitives retenus l'ELS .................................................................. 48 Tableau 6-12 Vrification des sections pour lELU avec les paisseurs obtenue pour lELS . 48 Tableau 6-13 1re itration lELU ........................................................................................ 49 Tableau 6-14 2me itration l'ELU ....................................................................................... 50 Tableau 6-15 Gomtrie finale du mt ..................................................................................... 50 Tableau 6-16 Dformation du mt lELS et lELU ............................................................ 51 Tableau 6-17 Dix premire frquences propres du mt ........................................................... 52 Tableau 7-1 Capacit portante du terrain et proprits du bton de la semelle ........................ 54 Tableau 7-2 Force axiale, moment renversant et excentricit .................................................. 56 Tableau 7-3 Efforts de cisaillement des appuis ........................................................................ 57 Tableau 7-4 Dimensions de la semelle ..................................................................................... 57 Tableau 8-1 Caractristiques de l'acier S355 ........................................................................... 58 Tableau 8-2 Epaisseurs obtenues l'ELS et l'ELU pour le mt en acier ................................. 58 Tableau 8-3 Comparaison des cots pour le mt en BFUP et en acier .................................... 59


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1. Introduction Sclairer. Se chauffer. Ecouter la radio. Regarder la tlvision. Utiliser son tlphone. Prendre la voiture ou voyager en avion. Des actions de tous les jours qui grce un effort construit travers lhistoire, procurent confort et satisfaction.

Ces actions, ces objets nexisteraient pas sans une ressource indispensable : lnergie.

Aujourdhui, une grande partie de lapprovisionnement de lhomme en nergie viennent des nergies fossiles et de lnergie nuclaire. Ces types dnergies prsentent un danger imminent menaant lexistence de ltre humain sur terre : leurs missions excessives de CO2, leur puisement acclr, et surtout les accidents quelles engendrent (accident de Fukushima, guerres en relation avec le ptrole).

Face cela, une dcision de sortir progressivement du nuclaire en Suisse a t prise, ce qui confrontera la Suisse des dfis majeurs. Une issue est lnergie renouvelable, une nergie propre et non-polluante contrairement aux combustibles. La loi a alors fix dans le domaine des nergies renouvelables en Suisse des rfrences nouvelles : dici 2030, la production annuelle dlectricit provenant des nergies renouvelables devrait augmenter de 5400 GWh par rapport la production de lan 2000. Lnergie olienne devrait contribuer pour au moins 10% (environ 600 GWh) la production nergtique.

Depuis la publication de cette loi, lolien reoit de plus en plus dimportance dans la recherche et le dveloppement. Cest une valeur sre car il est fiable, conomique et cologique. Les oliennes sont donc en pleine expansion. Le faite que leur exploitation peut savrer trs rentables dans les rgions ventes, 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 lvolution de la taille moyenne des oliennes commerciales avec le temps.

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


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2. Objectif du projet Le contexte actuele et futur de lnergie olienne fait que nous sommes constamment la recherche dune augmentation de la puissance des oliennes. Pour garantir cela, le besoin dagrandir les oliennes se fait ressentir. Non seulement un travail prcis doit tre fournis par lingnieur, mais la ncessit dutiliser des matriaux rsistants et unique est primordiale. Lingnieur structural doit donc tre en mesure de proposer de nouvelle solution technique. Comme on peut sen douter, le mt est le composant dune olienne qui requiert le plus de matriaux et se doit dtre minutieusement dimensionn par rapport aux charges qui agissent dessus. De nos jours, celui-ci est couramment fabriqu en acier. Nanmoins, on trouve aussi des mts fabriqus en bton arm pour une utilisation offshore o lenvironnement est plus corrosif.

Il est indniable que de plus en plus dolienne vont se construire dans les prochaines annes. Le premier dfi de cette augmentation du nombre dolienne est lutilisation dun matriau plus sophistiqu pour la fabrication de lolienne en vue de rduire les missions et daugmenter la scurit structurale et laptitude au service. Le deuxime dfi qui se prsente nous est lutilisation de plus en plus complexe des oliennes. Face des tailles croissantes, la structure des oliennes est confronte de grandes charges et est sollicit dans des environnements toujours plus difficiles. Ces diffrentes contraintes rendent la conception dune olienne plus complique surtout lorsque seul des matriaux traditionnel telle que le bton arm ou lacier sont employs.

Par consquent, il est primordiale dtudier de nouvelles possibilits de matriaux pour la fabrication du mt. Le bton fibr ultra performant (BFUP) offre de nouvelles proprits de rsistance, de comportement mcanique et de durabilit qui peuvent se rvler plus efficace pour la conception du mt et ainsi contribuer une avance significative dans le domaine des oliennes.

En se basant sur les modles de comportement dvelopps pour les BFUP ainsi que les conditions de charge des oliennes, lobjectif de ce projet est de concevoir en BFUP le mt dune olienne. Le dimensionnement du mt sera effectu pour diffrents types de matriaux afin de pouvoir comparer les bnfices et les dfis associs aux diffrentes alternatives.


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3. Revue litraire La premire partie de ce chapitre a pour but de rappeler les principales proprits et le comportement des BFUP. La seconde partie traite du fonctionnement gnral des oliennes et plus particulirement du rle du mt. Pour finir, nous expliquerons en quoi la conception des mts en BFUP peut se rvler avantageuse.

3.1. Bton fibr ultra performant Un BFUP peut tre dfini comme un matriau matrice cimentaire ultra compacte renforc par des fibres discontinues afin dobtenir un comportement ductile en traction. Cette ductilit permet la structure de reprendre des charges post-fissuration. Le BFUP est aussi reconnu pour ses excellentes proprits mcaniques et de protection. Un BFUP de composition typique montre une rsistance la compression sur cylindre de 200MPa et une rsistance la traction comprise en 10 et 15MPa 28 jours.

3.1.1. Composition du BFUP Un BFUP est gnralement compos dun liant, de sable, de fume de silice, de sable de quartz, de superplastifiant, deau et de fibres mtalliques. Les quantits typiques de ces diffrentes composantes sont donnes dans le Tableau 3-1.

Composant Quantit par m3 [kg]

Sable 490-1390 Ciment 610-1080

Fume de silice 50-334 Sable de quartz 0-410

Fibres 40-250 Superplastifiant (solide) 9-71

Eau 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 rsistance moyenne la compression 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 linaire lastique en compression. Lorsquon atteint 85% de la rsistance la compression, le comportement du BFUP devient non linaire comme le montre la Figure 3-1.


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

Cette rsistance leve la compression est due la matrice cimentaire ultra compacte du BFUP ainsi qu un trs faible rapport eau sur liant. Outre la ductilit quapporte lajout de fibre, ceci peut aussi contribuer augmenter la rsistance la compression du BFUP grce au confinement latral de celui-ci. La cure thermique permet galement daugmenter la rsistance en diminuant la porosit du BFUP.

Comportement en traction Selon Fehling et al. (2004), la rsistance la traction des BFUP sans fibre slve 7-10MPa et celle avec lajout de fibre 15MPa. Lintroduction de fibre a pour principal objectif de rendre le bton ductile afin dviter une rupture fragile de la structure.

Comportement flexionnel La Figure 3-2 montre le comportement flexionnel dun BFUP selon diffrentes orientations de fibres.

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

Leutbecher, 2004

Avant lapparition de la fissure, le matriel a un comportement linaire lastique alors quil devient non linaire aprs lmergence de la fissure de la matrice. La contrainte flexionnelle


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continue daugmenter jusqu la contrainte maximale. Nous assistons ds lors une diminution progressive de la contrainte jusqu la rupture des fibres.

3.2. Gnralits sur les oliennes 3.2.1. Historique Depuis longtemps, lhomme a compris que le vent est une source dnergie qui pouvait tre utilis divers usage. Sa premire utilisation remonte lAntiquit o le vent servait faire avancer les bateaux voile. Ensuite, cest au 7me sicle en Afghanistan quapparaissent les premiers moulins vent servant produire lnergie mcanique ncessaire pour moudre les grains. Avec le dveloppement rapide de lagriculture, les moulins vent ont t transforms en olienne afin de pomper leau ncessaire lexploitation de terres agricoles. Beaucoup considre que la premire olienne destine la production dlectricit est apparue au 19me sicle avec les travaux de Brush sur le stockage dnergie par batterie.

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

Un tournant de lhistoire des oliennes ft la crise ptrolire de 1973 aprs laquelle de nombreux programme de recherche furent mise sur pied un peu partout dans le monde. Cela a abouti plusieurs solutions alternative lolienne axe horizontale. On cite notamment les oliennes axe vertical et les tours de chemines solaires. Vers les annes 1980, lolienne axe horizontal danoise compos de trois hlices et atteignant 60m de diamtre a t invente et sest rvle extrmement efficace. En 1990, des recherches ont permis de crer des arognrateurs avec une capacit suprieure 1MW. Au dbut des annes 2000, afin de lutter contre le rchauffement climatique et dassurer son indpendance nergtique, lUnion europenne sest fix comme objectif daugmenter significativement la part dnergie renouvelable utilis.

De nos jours, les oliennes sont principalement utilises pour la production de courant alternatif aux centrales nuclaires, aux barrages hydro-lectriques, etc. Cependant, leurs exploitations restent limites dans la production dlectricit mondiale. Au niveau mondial, la


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Chine, les Etats-Unis et lAllemagne sont actuellement les principaux leader de cette filire comme le montre la Figure3-4.

Figure 3-4 Les dix premires capacits mondiales dnergie olienne selon le Rapport mondial 2010 sur lnergie

oliennes

3.2.2. Dfinitions et types Les oliennes sont des structures qui permettent de transformer lnergie du vent en nergie mcanique. Ce sont des ouvrages particuliers car ils concernent la fois lingnieur mcanicien pour les pales, et lingnieur structural pour ltude du mt. Plusieurs types doliennes existent actuellement sur le march. Parmi elles, on peut citer les oliennes axe vertical tel que les oliennes de Darrieus ou de Savonius et les oliennes axe horizontal composes de trois ples. Le nombre de ple est toujours un nombre impair afin dassurer la stabilit de lolienne. Nous pouvons aussi classer les oliennes selon leur hauteur, leur lieu dimplantation ou leur diamtre du rotor. Dans notre projet, nous avons choisi de considrer une olienne axe horizontale compose de trois pales et qui est la plus rpandu sur le march actuellement.


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3.2.3. Terminologies et fonctionnement La Figure 3-5 reprsente les diffrentes composantes dune olienne classique.

Figure 3-5 Constituants d'une olienne

Les pales de lolienne sont mises en mouvement grce la force du vent. Lorsque le vent arrive sur le bord dattaque de la pale, cela cre une dpression sur lextrados (le dessus) et une surpression sur lintrados. Sachant que lcoulement de lair doit rester constant entre lavant et larrire de la pale et que la longueur parcourir par le flux dair est plus importante sur lextrados, la vitesse dcoulement de lair est plus importante sur lextrados. La dpression et la surpression forment ainsi la portance qui est perpendiculaire la direction du vent.

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


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Le gnrateur sert transformer lnergie olienne en nergie lectrique. Il est compos dun rotor sur lequel sont fixes les pales et dune nacelle o on y trouve le systme de gnration dlectricit et de contrle de vitesse des pales.

Le fonctionnement optimal dune olienne a lieu lorsque le vent est perpendiculaire au plan form par les pales. Comme la direction et lintensit du vent sont extrmement variables, les oliennes sont munies dun moteur qui permet de diriger les pales afin de contrler leur vitesse de rotation. Celle-ci est plus faible lorsque la face large des pales est parallle la direction du vent. En effet, si la vitesse de rotation des pales devient excessive, deux phnomnes peuvent intervenir. Dune part il sagit de contraintes de traction dmesure qui ont lieu dans le mt et qui peuvent engendrer sa rupture. Dautre part, la frquence dexcitation des pales peut concider avec la frquence propre du mt ce qui entrainerait la vibration de lolienne pouvant aboutir sa destruction. Cest pour cette raison que les oliennes sont munies dun disque de freinage en plus du moteur

Dans ce qui suit, nous allons nous focaliser sur le mt de lolienne qui constitue la partie centrale de notre projet.

3.3. Le mt 3.3.1. Rle du mt La tour, aussi appel mt, est llment le plus imposant et le plus visible dune olienne. Il permet dlever le rotor une certaine hauteur du sol afin de capter le vent et permettre sa mise en mouvement. Les tudes actuelles et futures en vue damliorer et doptimiser le mt sont dune importance non ngligeable. En effet, plus la hauteur du mt est grande, plus la quantit dnergie olienne emmagasine est importante. En effet, la puissance du vent contenue dans une section cylindrique est donne par la formule suivante. !"#!"#$% = 12! La puissance rcupre par lolienne est donc proportionnelle la vitesse du vent la puissance trois ce qui dmontre limportance de la hauteur du mt. De plus, comme le montre la Figure 3-7, la vitesse du vent augmente avec la hauteur.


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

Une tude a montr que pour un profil normal de vent dfini selon la Commission Electrotechnique Internationale, une augmentation de la hauteur du moyeu de 80m 100m saccompagne dune hausse de 4.6% de la vitesse du vent et de 14% de la puissance produite. En passant de 80m 120m, laccroissement de la vitesse slve 8% et la puissance 28%. La solution pour produire plus de puissance est donc de construire des oliennes plus hautes.

Dun point de vue conomique, les oliennes grande hauteur sont aussi plus avantageuses. Selon une tude mene par Brughuis (2004), pour une mme surface donne, les oliennes de grande taille produisent davantage de puissance avec un nombre doliennes infrieur comme le montre la Figure.

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

2004

Brughuis a aussi remarqu que cet accroissement de puissance nengendrait pas de cots supplmentaires pour la connexion au rseau lectrique. Cette solution se rvlant mme avantageuse par rapport au choix de treize oliennes dune puissance unitaire de 1.5MW. En effet, des conomies sont faites au niveau des cots dentretien et de transport qui reprsente environ 20% du prix total dune olienne. Nous pouvons donc affirmer que les recherches en


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vue damliorer le mt vont fortement contribuer rduire le cot des oliennes tout en augmentant leur puissance.

3.3.2. Matriaux employs pour le mt Cette partie a pour but de prsenter les matriaux courants dans la fabrication des mts. On trouve actuellement sur le march des mts fabriqus en acier, en bton et voire mme en acier et bton.

Mt en acier

A ce jour, les mts tubulaires en acier sont les plus utiliss grce leurs excellentes rsistances. De plus, lacier est un matriau ductile ce qui permet davoir de grande dformation avant lapparition de la rupture. Lutilisation de lacier pour le mt se rvle efficace grce la possibilit de varier lpaisseur et ainsi dobtenir une section tubulaire effil. Cependant, lacier na pas que des avantages. Il a aussi plusieurs inconvnients notamment son transport. Un mt en acier est compos de plusieurs sections tubulaires empiles les unes sur les autres et qui sont ensuite soudes ou boulonnes. La fabrication du mt en acier se passe en usine et doit donc tre transport sur le site du projet ce qui peut limiter leur diamtre et donc constituer une limitation de la hauteur du moyeu. Le transport du mt peut donc engendrer des cots plus ou moins important selon la distance parcourir. Un autre inconvnient de lacier est sa vulnrabilit la fatigue. La rsistance la fatigue dun matriau dpend de sa capacit supporter la diffrence de contrainte pour un cycle. Plus lpaisseur du mt sera faible, plus les variations de contraintes seront faibles et donc moins le mt sera sensible la fatigue.

Mt en bton

Les mts en bton sont moins rpandus que ceux en acier. En gnral, ils sont composs de plusieurs pices prfabriques et assembles sur le chantier. Lavantage principal de ce matriau est quil peut tre prcontraint ce qui permet dobtenir des paisseurs plus mince que par rapport un mt en bton arm. Le bton prcontraint est dimensionn de sorte quil ne se fissure pas et est gnralement soumis des contraintes de compression constante lELS. Cela amliore considrablement la rsistance la fatigue du bton.

Cependant, lpaisseur reste plus importante que par rapport un mt en acier ce qui ncessite des fondations plus importante et donc plus coteuse. De plus, en cas de sisme, les forces qui en dcoulent sont plus grandes pour des structures plus massives. Avant de sintresser au mat en BFUP, on rajoutera quil est aussi possible davoir un mt hybride, cest dire composer dacier et de bton.


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4. Mt en BFUP Comme nous lavons rappel au chapitre 3.2, le BFUP a une rsistance leve la compression. Cela va permettre dutiliser davantage la prcontrainte et ainsi amplifier les avantages qui en dcoule. Lutilisation massive de prcontrainte permettra ainsi de diminuer la quantit de BFUP utilis. Selon Vande Voort et al., 2008, lpaisseur du mt en BFUP est proche de celle en acier.

Dans le contexte environnemental actuel, les constructions durables sont de plus en plus recherch. La rduction de la quantit de matriel utilis sinscrit parfaitement dans ce cadre. De nombreuses tudes ont montr que le BFUP prsentait dexcellentes performances en matire de durabilit. En sachant que la dure de vie moyenne dune turbine est de vingt ans, si le mt en BFUP est bien entretenu, on pourra simplement remplacer la turbine en conservant le mt. Comparativement, la dure de vie dun mt en acier correspond la dure de vie dune turbine.

Dans ce chapitre, nous prsenterons deux conceptions possibles de mt en BFUP.

4.1. Solution 1 4.1.1. Description gnrale Le mt a une structure tubulaire effil comme la plupart des mts actuels. Cette forme prsente plusieurs avantages :

Leffilage permet de rduire la quantit de matriel ncessaire avec laugmentation de la hauteur ce qui conduit de meilleures proprits dynamiques ;

La section circulaire permet un chargement provenant de toutes les directions ; Bonnes proprits arodynamiques ; Rduction des surfaces et des bords.

Leffilage peut tre simple ou double. Dans le cas dun effilage double, nous envisageons deffiler de manire plus marquante la zone infrieure du mt pour rpondre au mieux aux exigences de rsistance et de rigidit de cette zone.

4.1.2. Elment du mt Le mt est divis en trois parties distinctes comme le montre la Figure 4-1. Chaque zone peut tre caractrise par des rsistances, des rigidits, des mthodes de fabrication et de construction diffrentes.


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Figure 4-1 Gomtrie dune olienne bi-effile

Zone 1 : Dans cette zone, nous pouvons envisager des lments en bton prfabriqu ou du bton in-situ. Lpaisseur du mt devra tre suffisante pour garantir la rsistance. Un surdimensionnement de cette zone permettrait mme daugmenter la stabilit de lolienne puisquune masse additionnelle dans cette zone ninfluence que peu la frquence naturelle de la structure.

Zone 2 : Dans cette zone, le but sera de rduire au minimum le poids afin doffrir une solution conomiquement avantageuse. Des lments prfabriqus en BFUP seront galement utiliss pour cette zone. Le poids du mt est influenc par la densit du bton utilis et par lpaisseur du mt. Lpaisseur minimum est gouverne par le bton denrobage des armatures. Cependant, nous pouvons envisager dutiliser des armatures non corrosives en acier inoxydable (5x plus cher) ce qui va permettre de rduire lpaisseur ncessaire du bton denrobage. En combinant une quantit limite darmature avec lutilisation de fibres, nous pourrons obtenir des paisseurs rduites.

Zone 3 : Dans cette zone, nous utiliserons galement des lments prfabriqus dpaisseur minimum. Cette zone doit galement supporter la turbine. La jonction entre le mt et la


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turbine sera faite dune partie en acier qui contiendra la couronne dorientation et un accs la nacelle.

Nous avons dcid dutiliser des lments prfabriqus en BFUP pour les trois zones. Chaque anneau sera constituer dun unique ou de plusieurs segments assembl afin de constituer lanneau complet. Cela dpendra du diamtre, de la hauteur et des contraintes lis au transport des segments. La Figure 4-2 montre lassemblage dun mt constitu danneaux monolithique, composs de deux ou trois segments.

Figure 4-2 Assemblage des segments des voussoirs

4.1.3. Phasage de construction Les segments livrs sont assembls pour constituer des sections de quatre anneaux (voussoir). Ces anneaux sont prcontraint au minimum juste pour permettre leur stabilit lors de la mise en place (prcontrainte locale longitudinale). Une fois le segment constitu des quatre


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anneaux plac, il est prcontraint avec la section prcdente pour assurer la liaison et la stabilit entre deux sections de quatre couronnes (prcontrainte locale longitudinale). Une fois que toutes les sections sont empiles, une prcontrainte globale est appliqu longitudinalement sur toute la hauteur du mt. On prcisera que la section de la zone 1 peut tre constitu dun nombre diffrent de voussoir selon la hauteur recherch du mt. Cette section sera prcontrainte avec la fondation laide de boulon et tendons.

Figure 4-3 Section type et de base

4.1.4. Prcontrainte Le mt est verticalement prcontraint en appliquant uniformment des forces de prcontrainte sur toute la circonfrence. Cela va crer une contrainte verticale de compression uniformment rpartie sur toute la circonfrence ce qui va permettre dviter lapparition defforts de traction dans le mt. Cela permettra galement au mt de rsister aux contraintes de cisaillement. La prcontrainte sert aussi rassembler les anneaux et ainsi constituer une structure monolithique.


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Dans cette solution 1, nous dcidons de ne pas utiliser darmature mais uniquement de la prcontrainte. Nous choisissons demployer une prcontrainte externe non-adhrente en raison de sa simplicit dinstallation. Le terme externe signifie quil nous faudra placer les cbles de prcontraintes lextrieur de la section ce qui vitera de prvoir des conduits dans les sections. La force de prcontrainte est transmise la section grce une plaque dancrage (Figure 4-4). Un ancrage est ncessaire chaque extrmit du cble de prcontrainte. Les cbles de prcontraintes (ou boulon) sont placs circulairement sur un support plac lintrieur de la section comme le montre la Figure 4-4.

Figure 4-4 Coupe en plan entre deux sections type

La prcontrainte externe nous permet aussi de rduire au minimum lpaisseur des sections puisque les cbles de prcontraintes (ou boulons) sont disposs lextrieur. Linconvnient de cette mthode est que les cbles sont exposs au risque de corrosion. Pour y remdier, nous proposons de protger les systmes de prcontrainte contre la corrosion. Lavantage de disposer les cbles de prcontrainte (ou boulons) lextrieur est quils sont facilement accessibles et peuvent tre remplac en cas de dommage. La prcontrainte non-adhrant augmente la rsistance la fatigue lors de chargement dynamique car les cbles (boulons) sont soumis des efforts uniformment rpartis contrairement une prcontrainte adhrente o les contraintes sont plus localises. De plus, les pertes dues au frottement sont inexistantes.

Dans ce qui suit, nous allons expliquer plus en dtail les type de prcontrainte employ. Comme nous lavons mentionne lors du phasage de construction, le choix de ne pas utiliser darmature doit tre compens par lutilisation du BFUP et massive de prcontrainte. Pour cela, nous emploierons trois types de prcontrainte.

1. Prcontrainte globale longitudinale ; 2. Prcontrainte locale longitudinale ; 3. Prcontrainte locale orthoradiale.

Nous allons dtailler la section type compose de quatre voussoirs montrs la Figure 4-5.


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Figure 4-5 Section type compos de quatre anneaux

Intressons-nous dabord la liaison entre deux sections composes de quatre voussoirs (trait bleu de la Figure 4-5). Une conception possible de la liaison est montre la Figure 4-6.

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

Le bloc dancrage qui permet de transfrer leffort au bton est plac circulairement autour de la section. Lorsquon empile deux sections type composes de quatre voussoirs, de longs boulons seront immdiatement installs entre lanneau suprieur et infrieur (Figure 4-6) et prcontraints. On disposera aussi des cbles prcontraints qui traverseront les quatre voussoirs (prcontraint longitudinal globale) pour relier lanneau suprieur et infrieur dune section type.


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Les deux voussoirs intermdiaires contiendront des bossages de dviation (appui intermdiaire) pour les cbles prcontraints comme le montre la Figure 4-7.

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

Ces appuis intermdiaires vont augmenter la stabilit de la structure mais aussi contribuer la scurit dans le cas o un cble de prcontraint se rompt durant la fabrication. Un dtail possible de ces bossages est montr la Figure 4-8.

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

Comme nous lavons expliqu prcdemment, chaque voussoir peut tre compos de deux ou trois segments. Lassemblage des segments pour constituer un anneau entier est montr la Figure 4-9.


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

En mme temps, nous mettrons en place la prcontrainte locale orthoradiale laide de lancrage X Freyssinet.

Figure 4-10 Prcontrainte orthoradiale l'aide de l'ancrage X dvelopp par Freyssinet

Les ancrages 1X15 (195 kN) et 2MX15 (390 kN) sont utiliss avec des cbles monotorons de 15 mm. Leffort au droit de lancrage, aprs blocage, sobtient en prenant en compte une rentre de clavettes de 6 mm. Au voisinage de lancrage X, le trac du toron doit prsenter un rayon de courbure dau moins 2,0 m. La mise en tension se fait au moyen du vrin monotoron trou central .


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4.2. Solution 2 La premire alternative consistait mettre une prcontrainte lextrieur de la section du mt. Pour cette deuxime alternative, des armatures seront places lintrieur du BFUP et le mt aura une section qui varie linairement de la base jusquau sommet du mt (Figure 4-11).

Figure 4-11 Gomtrie retenue pour la solution 2

Des segments dune longueur de 10 m seront assembls pour former le mt. Aprs la prparation de ces derniers lusine. Des camions spcial seront chargs de faire le transport jusquau lieu voulu et aucune permissions particulire nest demande pour ce type de transport (Figure 4-12)

Figure 4-12 Transport des segments pour le mt

Chaque segment dune forme dun quart de cercle sera assembl avec 3 autres pour former un anneau. Une grue sera ncessaire tout au long du montage des diffrents lments de lolienne. Les anneaux sont alors placs lun au-dessus de lautre jusqu ce quon atteint le sommet.


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La structure est donc compose, en plus de cage darmature, de vingt voussoirs de 10 m de hauts assembls par des cbles prcontraints par post-tension, dont une partie adhrentes et une autre partie non adhrente. La Figure 4-13 illustre ce propos.

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

Fixation

Cble non adhrent prcontraint par post-tension

Cble adhrent prcontraint par post-tension

Fixation


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5. Choix de lemplacement 5.1. Gnralit La premire tape de ce projet consiste trouver le bon emplacement o implanter nos oliennes. En gnrale, ce choix dpend de la taille, de la puissance, et du nombre dunits. Ils ncessitent la prsence dun vent rgulier ainsi que diverses conditions, savoir :

La vitesse moyenne annuelle du vent 50 m de hauteur sur le site vis doit tre suprieure 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 limpact ngatif des oliennes sur les oiseaux et chauves-souris ;

La distance vis--vis des habitations les plus proches doit tre dau moins 150 300 m, ceci est d aux effets sonores et visuels indsirables ;

Les oliennes doivent pouvoir tre raccordes au rseau lectrique, selon la puissance prvue ;

Les questions damnagement du territoire doivent tre rgles (commune, canton) ; Le site doit tre accessible avec des camions de trs grande taille.

5.2. Carte des vents Tout dabord, nous allons analyser une carte des vents (Figure 5-1), pour avoir une ide sur les emplacements qui prsente une bonne exposition au vent. En effet, la plus grande partie de lefficacit dune olienne dpend de la vitesse et la frquence des vents prsents, la puissance dlivre par une olienne augmente avec le cube de la vitesse, en dautres termes, si le vent double, la puissance augmente dun facteur 3, 2*2*2=8 ! Cest pourquoi nous chercherons dabord des zones soumises des vents forts et rguliers.

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


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Comme nous lavons cit dans le paragraphe prcdent, la vitesse annuelle du vent 50 m de hauteur sur le site vis doit tre suprieure 4 m/s. Donc les parties de la carte des vents qui sont exclurent pour limplantation dolienne sont les deux premires couleurs de la lgende (vert clair).

5.3. Exposition et turbulence Les oliennes devraient toujours tre places le plus loin possible des arbres et des btiments afin de minimiser les effets de turbulence et maximiser lexposition au vent. Ainsi, le mt doit tre plac suffisamment loin face au vent, afin dviter la zones de turbulence autour des btiments environnants (Figure 5-2).

Figure 5-2 : Zone de turbulence

La Figure 5-3 reprsente les surfaces habites ainsi que les zones forestires, durant notre choix du site, nous essayerons dviter ces zones tout en respectant le fait que la distance vis--vis des habitations les plus proches doit tre dau moins 150 300 m.

Figure 5-3 : Surface habite et zones forestires


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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 dun projet olien. Malgr que certaines rgions de Suisse bnficient dun bon potentiel olien, lexploitation de cette nergie 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 rivires, des oiseaux et des chauves-souris. Les zones bannies sont ainsi reprsentes dans la Figure 5-4.

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

5.5. Sites construits protger et voies de communication historiques : Finalement, nous devons veiller ce que les sites construits protger et les voies de communications historiques soient exclues de la zone dimplantation doliennes. La Figure 5-5 montre lemplacement de ces derniers.


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

5.6. Choix final du site Aprs la superposition de toutes les contraintes sur la carte, nous pouvons ainsi voir les zones propices limplantation de parcs oliens (Figure 5-6) notre choix sest finalement port sur un site se trouvant dans la commune de Provence (zone entoure en rouge). Ce choix est surtout motiv par le fait que ce site est loign des zones dhabitation denses et prsente une forte exposition au vent.

Figure 5-6 : Zones propices l'implantation d'oliennes


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

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

Le site prsente aussi une bonne accessibilit des installations prvue pour les oliennes vu les routes prsentes sur ce site. La Figure 5-8 permet de visualiser lemprise dune olienne sur le site de Provence.

Figure 5-8 Photo montage de l'olienne Provence


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6. Dimensionnement du mt 6.1. Dmarche Aprs avoir tudi plusieurs alternatives, nous avons choisi de continuer travailler avec la solution 1 en considrant un effilage simple. La section circulaire est la plus avantageuse car le vent peut souffler dans toutes les directions. Le coefficient de pntration dans lair cx vaut dans ce cas 0.5 alors quil serait trois fois plus grand pour une section rectangulaire. Le dimensionnement du mt dune olienne en BFUP est quelque chose que nous navons jamais vu au cours durant notre cursus de gnie civil. La premire tape ft donc de chercher de la bibliographie et des rfrences dans ce domaine. A travers nos recherches, nous avons pu trouver certaines tudes similaires et ainsi analyser les tapes de dimensionnement dolienne. La particularit de notre projet est quil sagit dun mt en BFUP dune hauteur trs importante. Jusquici, la plupart des tudes que nous avons trouves sintressaient au dimensionnement de mt en bton de petite envergure. Une chose clairement dfinie depuis le dbut du projet avec notre tuteur est que nous souhaitons tudier une hauteur dolienne de 200m.

Nous allons commencer par explorer et calculer les diffrentes charges qui sappliquent sur notre mt. Nous devons ensuite mettre certaines hypothses pour le dimensionnement des fondations. En effet, linteraction entre la structure et le sol influencera sur la frquence propre de la tour. Une fois que les hypothses concernant les fondations mises, nous pourrons alors crer un modle du mt laide dun logiciel dlment fini RFEM .

A laide de ce logiciel, nous pourrons dterminer la frquence propre de notre mt. Lobjectif tant dviter que le mt ne rentre en rsonnance, nous pourrons modifier sa frquence propre en optimisant le diamtre et lpaisseur du mt. Nous introduirons dans le logiciel le matriau que nous voudrons utiliser pour le mt. Une description du choix du type de BFUP sera faite dans les chapitres qui suivent.

Une fois que nous aurons optimis la gomtrie de notre mt, nous pourrons procder lanalyse structurale. Nous vrifierons les tats limite ultime (rsistance du bton, rsistance la fatigue, etc.) et de service (dplacement maximum du mt). Plusieurs itrations seront peut-tre ncessaires dans le cas o les critres dfinis ne sont pas satisfaits.

6.2. Paramtres des matriaux utiliss Le BFUP que nous avons choisi pour le dimensionnement de notre mt est le BSI (Bton Spcial Industriel) dvelopp et commercialis par EIFFAGE en collaboration avec le producteur de ciment SIKA. Il sagit dun matriau ralis partir du malaxage dun mlange de poudres ractives, dadjuvants liquides et de fibres mtalliques droite (ff,y=1200MPa, df=0.3mm, lf=20mm). Le Tableau 6-1 donne la composition du BSI.


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Ingrdient Quantit

Ciment 1114 kg/m3

Fume de silice 169 kg/m3 Agrgats 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

Quantit de fibres Vf 2.5 %vol. Tableau 6-1 Composition par m3 du BSI

Les proprits mcaniques du BSI sont prsentes dans le Tableau 6-2.

Rsistance en compression [MPa] fUc 190

Rsistance en traction [MPa] fUte = fUt 9 Module dYoung [GPa] EUt=EUc 65

Energie de rupture [J/m2] >15000 Tableau 6-2 Proprits mcaniques moyennes du BSI utilis pour le mt

Nous constatons que le BFUP prsente des caractristiques impressionnantes comme sa rsistance en traction ce qui rend le rend extrmement comptitif. La Figure 6-1 montre le comportement en traction du BSI mesur par Jung04 .

Figure 6-1 Comportement du BSI en traction selon Jung04


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Lorsque nous avons propos la solution 1 pour la conception de notre mt, nous avons considr deux types de prcontrainte. Afin de simplifier notre modle, nous allons uniquement prendre en compte la prcontrainte longitudinale. Le systme de prcontrainte que nous allons calculer par la suite est celui dvelopp par Freyssinet. Il sagit dune prcontrainte extrieure laide de cble torons ordinaire enfils de faon classique dans une gaine paisse en polythylne de haute densit (PEHD). Le conduit qui relie deux ancrages traverse librement le mt grce des fourreaux mtalliques dcrit au chapitre prcdent et qui sont mise en place lors de la fabrication des anneaux. Ces fourreaux peuvent galement servir de dviateurs. Dans notre cas, comme le mt est rectiligne, il nest pas ncessaire des les utiliser comme dviateur. La mise en tension des torons se fait laide dun vrin monotoron ordinaire et injection de coulis de ciment. Le choix dune prcontrainte extrieure pour notre mt est justifi pour plusieurs raisons.

La qualit du gainage notamment son tanchit peut tre contrl en tout temps ; Les frottement entre les cbles et la gaines sont faible ( = 0,14). De plus, le

coefficient de transmission lev augmente lefficacit de la prcontrainte ; Comme le systme de prcontraint est lextrieur du bton, il peut tre facilement

dmont et remplacer en cas de besoin. Lutilisation dun vron monotoron permet galement de rapprocher laxe du cble de la paroi du mt ce qui permet doptimiser lespace lintrieur du mt. La scurit vis vis de la corrosion est assur laide de quatre couche de protection (gaine PEHD, coulis de ciment, gaine polythylne et graisse). Il est aussi important lors de la mise en place de la prcontrainte de garder une surlongueur de toron permettant la prise du vrin aprs la premire mise en tension afin de pouvoir rgler ultrieurement la prcontrainte durant le cycle de vie de lolienne. Les caractristiques du toron que nous allons utiliser pour notre prcontrainte sont rsumes dans le Tableau 6-3.

Type de torons T15S

Diamtre [mm] 15.7

Section Ap [mm2] 150 Rsistance la traction fpk [N/mm2] 1860

Limite dcoulement fp0.1k [N/mm2] 1600 Allongement sous charge maximale uk [%] 3.5

Striction [%] 30 Module dYoung Ep [kN/mm2] 195

Tenacit Essai de pliage (fil central) n4 Essai de traction dvie k10.72

Rsistance la fatigue 0=0.7 fpk, ,=200N/mm2 2*106 alternances Relaxation 1000heures, 20C, 0.7 fpk 2.5%

Tableau 6-3 Caractristiques des torons de prcontrainte


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Nous dimensionnerons la prcontrainte en calculant la force de prcontrainte ncessaire pour garantir la compression dans toute la section du mt pour la combinaison de charge lELS. Pour lELU, nous admettrons des contraintes de traction restant dans le domaine lastique (contrainte de traction admissible). Une fois cette force connue, nous pourrons dterminer le nombre de cble ncessaire et les dimensions des gaines PEHD. Cette prcontrainte sera modlise par une force centre sur le haut du mt. Le dimensionnement de la prcontrainte se fera une fois que le modle dfinitif sera tabli. Afin de simplifier notre modle, les ancrages de la prcontrainte longitudinale ne seront pas modliss. Cela sinscrit dans le ct conservateur vu que la modlisation des ancrages consisterait regrouper plusieurs anneaux (voussoir) dans une zone rigide contrle par un unique nud.

Dans le chapitre suivant, nous allons voir les recommandations pour le dimensionnement et les charges agissant sur notre mt.

6.3. Principe de dimensionnement Contrairement aux structures traditionnelles, il nexiste pas de norme en Suisse spcialement conu pour le dimensionnement dolienne. Cependant, beaucoup de concepts reste applicable pour notre cas.

Nous allons commencer par analyser les charges agissant sur notre mt. Nous pourrons ainsi dterminer les diffrentes combinaisons de charge que nous allons utiliser pour la vrification. Une fois les charges dtermines, nous allons dimensionner un modle grossier de fondation afin de se faire une ide sur linteraction entre notre structure et le sol.

Une fois la modlisation de la structure termine sur RFEM, nous dbuterons le dimensionnement de la tour. Premirement nous allons dterminer les caractristiques gomtriques de notre mt en procdant une analyse dynamique o nous ne prenons pas en compte lapport de la prcontrainte. A lissue de lanalyse dynamique, nous obtiendrons un premier modle du mt. Nous procderons ensuite la vrification de chaque section du mt en sassurant que la rsistance de chaque section est suprieure aux contraintes auxquelles elles sont soumises. Dans cette deuxime partie, nous considrerons la prcontrainte comme une force axiale agissant sur le mt et dimensionner de faon garantir la compression dans toute les sections lELS. Nous optimiserons les dimensions gomtriques du mt jusqu ce que les capacits des sections soient suprieures aux contraintes. A la fin de cette deuxime tape, nous obtenons notre modle dfinitif avec les caractristiques gomtriques finales.

Nous terminerons notre tude par une vrification la fatigue et aux dplacements de notre olienne ainsi que par le dimensionnement des fondations pour pouvoir valuer de la pertinence ou non de nos hypothses concernant la modlisation des fondations.

6.4. Charges agissant sur la tour Le chapitre suivant dtaille les charges que nous allons considrer pour le dimensionnement du notre mt en BFUP. Nous avons distingu deux types de charges, savoir les charges permanentes avec le poids du mt, de la nacelle du rotor et les charges variables dont le vent directes et indirectes.


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6.4.1. Charges variables La pression dynamique dpend de la nature du vent, de la rugosit du sol, de la forme de la surface du terrain et de la hauteur de rfrence. Elle est dtermine de la manire suivante selon la SIA 261. ! = !!! avec : qp = pression dynamique du vent ;

qp0 =valeur de rfrence de la pression dynamique selon lannexe. Pour notre emplacement, nous avons qp0= 1.1kN/m2 ;

ch =coefficient du profil de rpartition du vent qui tient compte du profil des vitesses du vent, de la hauteur sur sol z et de la rugosit du sol. Ce coefficient est donn par la formule suivante :

! = 1.6 ! !! + 0.375 ! La hauteur du gradient zg et lexposant de la rugosit du sol r sont donns dans le Tableau 6-4.

Catgorie de terrain Exemples zg [m] r

II Rive lacustre 300 0.16 IIa Grande plaine 380 0.19

III Localits, milieu rural 450 0.23

IV Zone urbaines tendues 526 0.30

Tableau 6-4 Hauteur du gradient zg et exposant de la rugosit du sol r

Daprs notre choix demplacement dcrit au chapitre 5, nous nous situons dans la catgorie de terrain IIa. Nous remarquons que la pression dynamique du vent diminue avec laltitude en raison des frottements avec le sol comme le montre la Figure 6-2.


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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 nest pas uniformment rpartie autour du mt. En effet, celle-ci varie en fonction de la position du point de rfrence par rapport la direction du vent. Comme nous avons aussi fait le choix dune olienne on-shore, les charges dues aux vagues ne sont pas considres.

6.4.2. Charge permanente Les charges permanentes sont constantes dans le temps. Nous avons distingus le poids propre du gnrateur et du mt.

Le poids propre du mt est directement calcul par le logiciel RFEM en utilisant la masse volumique du BFUP bton= 2800kg/m3. !! = !!"# !!"# Nous allons prendre en compte la masse de la nacelle, du rotor et des ples. Il est difficile de trouver des informations compltes concernant les gnrateurs des fabricants doliennes. Cependant, nous avons dcid de travailler avec le gnrateur dvelopp par AMSC Windtec pour son olienne offshore SeaTitan dune puissance de 10MW avec un diamtre de rotor gale 190m. Les dtails techniques concernant la SeaTitan se trouve en annexe. Notre choix sest port sur lolienne de Windtec car elle prsente le meilleur rapport puissance/poids comme le montre la Figure 6-3.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Pression

dyn

amique

[kN/m

2]

Al7tude [m]

Charge directe du vent en fonc7on de l'al7tude


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Figure 6-3 Comparaison de l'olienne SeaTitan avec les autres oliennes traditionnelles

Nous reprsentons la masse de la nacelle, du rotor et des ples par une force concentre verticale applique au sommet du mt. ! = !"#$%%$!!"#"!!!!"# = 5000 6.4.3. Charges dynamique engendr sur le mt La rotation des ples autour de laxe engendre une charge dynamique sur le mt qui peut causer des problmes de vibrations si la tour entre en rsonnance comme ce ft le cas pour le tristement clbre pont de Tacoma. Nous pouvons distinguer deux types dexcitation dynamiques provenant de :

1. La rotation du rotor engendr par le poids des ples ; 2. La rotation des ples engendr par le vent. En dautres termes, il sagit des forces

arodynamiques. La force arodynamique correspond une pression uniformment rparti sur les trois ples. Nous obtenons cette force en multipliant la pression dynamique du vent par lair totale des trois ples en considrant un vent normal aux ples. Nous savons que le diamtre du rotor slve 190m. Comme nous navons aucune information sur la gomtrie des ples, nous supposerons quelles ont une longueur de 85m et une largeur de 2.5m. La force arodynamique vaut donc : ! = 3802.52.8 = 1680 Nous dcidons de considrer une valeur de 2000kN afin de prendre en considration la rotation du rotor engendr par le poids des ples. ! = 2000 84 MAY | 2011

ducing costs. In addition to providing AMSC wind turbine design licensees with a differentiated blade offering, Blade Dynamics unique technology will also provide a compelling blade platform for the SeaTitan wind tur-

bine. "e tower can rest on conven-tional jacket foundations and deepwa-ter foundations of various types.

AMSC expects to select its first SeaTitan wind turbine licensee in the months ahead. It will then work with

this customer to establish a full supply chain for this wind turbine, including a manufacturer for the SeaTitan gen-erator. AMSC expects that its licens-ees will enter full-volume production by mid-decade.

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


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6.4.4. Combinaison des charges La combinaison ltat limite ultime (ELU) est obtenue en multipliant les charges permanente par 1.35 et les autres charges par 1.5. Les valeurs de chargement dfinitif sont rsumes dans le Tableau 6-5.

Description des chargements Combinaison lELS Combinaison lELU

Masse du mt !!= !!"# !!"# !! = 1.35 !!"# !!"# Masse de la nacelle, du rotor et des

ples Fv 5000kN 6750kN

Effort de pousse au niveau du rotor Fh

2000kN 3000kN

Charge horizontale de vent le long du mt qp

2.8 kN/m2 4.2kN/m2

Tableau 6-5 Valeurs de chargements l'ELU

6.4.5. Rcapitulation des forces agissant sur le mt La Figure 6-4 rsume les charges que nous introduirons dans notre modle de calcul sur RFEM.

Figure 6-4 Bilan des forces appliques la tour


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6.5. Modle RFEM du mt Pour crer notre modle de base, nous utilisons un logiciel dlment finis nomm RFEM . Nous avons employ des lments comportant quatre nuds pour crer le maillage. Sachant que le processus doptimisation est plus efficace avec des quantits discrtes, le mt est rgulirement divis en segment spar par les sections. Nous avons choisis de considrer vingt sections de 10m dhauteur comme le montre la Figure 6-5.

Figure 6-5 Division du mt en vingt sections

Lobjectif sera de dterminer les dimensions optimales des vingt sections. Les units employes dans le modle sont le m (longueur) et kN (force). La Figure 6-6 montre le maillage effectu pour le mt.


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Figure 6-6 Vue complte du mt et son maillage

Les fondations du mt ne sont pas modlises dans cette premire partie. Pour des raisons de simplicit, lextrmit infrieure du mt en encastr au sol comme le montre la Figure 6-7.

Figure 6-7 Fondation du mt

Une fois la gomtrie de notre mt optimise, nous procderons au dimensionnement des fondations afin de se faire une ide prcise de leurs dimensions ainsi que leurs interactions avec la structure.


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6.6. Dimensionnement dynamique du mt Nous allons dimensionner le mt de lolienne de telle sorte que sa frquence ne corresponde pas avec la frquence dexcitation. Comme expliqu prcdemment, nous avons deux types dexcitations dynamiques provoques soit par la rotation du rotor, soit par la rotation des pales. Notre turbine tant compose de trois pales, nous appellerons 1P la frquence dexcitation du rotor et 3P celle des pales.

Lobjectif de cette analyse dynamique est de sassurer que la rigidit du mt soit satisfaisante afin dviter que celle-ci ne rentre en rsonnance. Nous allons donc calculer les frquences dexcitations 1P et 3P pour diffrentes vitesse de rotation du rotor. Ensuite, laide de notre modle RFEM, nous pourrons obtenir la frquence propre du mt selon les dix premiers modes de vibration. Par la suite, nous vrifierons que ces frquences ne concident pas avec les frquences dexcitations 1P et 3P. Si tel est le cas, nous devrons alors accrotre la rigidit de notre mt en faisant varier deux paramtres :

Les diamtres ; Les paisseurs des parois.

La Figure 6-8 illustre la frquence du rotor (1P) en fonction de la vitesse de rotation du rotor.

Figure 6-8 Frquence d'excitation 1P et 3P

Pour une turbine comportant trois pales, la bande de frquence acceptable pour 1P se situe sur deux zones :

7 Dimensionnement de la tour

7.1 Frquences et rsonnance

Avec le modle arbitraire de tour / rotor que nous avons choisi, nous allons vrifier si la rigidit est suffisante pour viter que la tour n'entre en rsonnance sous leffet de laction dynamique du vent.

Pour cela, nous allons calculer la frquence propre de la tour suivant les 10 premiers modes de vibration grce la modlisation ralise avec le logiciel SAP. Nous pouvons augmenter la rigidit en faisant varier certains paramtres de la tour (qualit du bton, diamtre, paisseur des parois).

La frquence correspondant chaque mode de vibration ne doit pas correspondre la frquence dexcitation, sinon la tour risque d'entrer en vibration et de scrouler.

Illustration 27: Frquence propre de la tour (1P) et frquence dexcitation pour une turbine olienne 2 (2P) ou 3 pales (3P)

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1. Zone en dessous de la droite 3P correspondant une tour ductile ; 2. Zone en dessus de la droite 3P correspondant une tour rigide.

Contrairement lacier qui possde une importante ductilit permettant ainsi la construction de mt flexible, le bton ne permet pas de raliser un mt trs flexible cause des fissurations que cela provoqueraient. Cependant, il est vrai que la ductilit du BFUP se distingue des btons conventionnels. En effet, le comportement en traction dun BFUP est crouissant puis adoucissant pour un fibrage correspondant larmature minimale (Figure 6-9 pour le BFUP CEMTECmultiscale).

Figure 6-9 Gauche: rponses en traction compares d'un BFUP, crouissant en traction, d'un bton et d'un bton

fibr; Droite: rponses en traction compares d'un BFUP crouissant en traction et de barre d'armature passives en acier.

A lELS, les contraintes de traction seront entirement reprises par la force de prcontrainte afin dviter la traction dans le mt. Ce comportement crouissant nous garantit alors une certaine marge de scurit.

Le calcul des frquences dexcitation 1P et 3P seffectue de la manire suivante en considrant diffrente vitesse de rotation du rotor (rpm). 1 = !"#!" ; 3 = 3 !"#!" Pour la turbine SeaTitan, daprs les donnes du fabricant, celle-ci a une vitesse de rotation de 15rpm. Nous dcidons de vrifier que les frquences 1P et 3P ne correspondent pas aux dix premires frquences propres pour des vitesses de rotations comprises entre 0 et 20rpm.

En faisant varier les diffrents paramtres gomtriques du mt (rayons, paisseurs), nous avons russi optimiser la gomtrie la plus adapt dont les caractristiques gomtriques sont rsums dans le Tableau 6-6. Pour cette premire itration, nous avons choisi de considrer une paisseur unique pour lensemble des sections. Nous avons uniquement modifi les rayons afin de satisfaire lanalyse dynamique.

a) rponses en traction (courbes moyennes) compares dun BFUP, crouissant en traction, dun bton et dun bton fibr, b) rponses en traction compares dun BFUP crouissant en traction et de barres darmature passives en acier.

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BFUP : CEMTECmultiscale

Module dlasticit plus lev quun bton (environ 30 %) Rsistance de la matrice 3 4 x plus leve quun bton

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Traction uniaxiale

Caractrisation directe du comportement en traction uniaxiale- A) Sans entaille: adapt pour comportement crouissant- B) Avec entaille: adapt pour comportement adoucissant

!! Encastrement appui + pilotage en dformation contrle Technique exprimentale exigeante

A) B)


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Hauteur du mt, fixe [m] 200

Epaisseur la base [m] 0.25

Epaisseur en tte [m] 0.25 Rayon la base [m] 8

Rayon en tte [m] 2 Tableau 6-6 Paramtres pour dfinir la gomtrie retenue du mt aprs lanalyse dynamique

Le calcul des dix premires frquences propres du mt seffectue selon un module additionnel dans RFEM nomm RF-DYNAM . Ce module effectue une analyse des frquences propres du mt selon la mthode de Rayleigh (conservation dnergie).

! = !!() !!! () ! + ! (!)!!!! avec : Y(x) = fonction de dplacement courbe selon laxe x de la tour sous un mouvement

simple harmonique ;

m(x) = distribution de la masse le long de la tour une altitude h ;

E(x) = module dlasticit du mt sans les tendons de prcontrainte ;

I(x) = moment dinertie le long du mt ; ! (!)!! = somme des masses concentres en un point i. Les frquences propres correspondant aux dix premiers modes de vibration sont montres et donnes dans la Figure 6-10 et le Tableau 6-7 respectivement.

Mode Frquence

[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 premires frquences propres du mt


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Figure 6-10 Dformation (x64) du mt selon les dix premiers modes de vibration

La Figure 6-11 montre linteraction des frquences dexcitation et des frquences propre du mt pour la gomtrie retenue.


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Figure 6-11 Frquence propre et dexcitation du mt

Daprs la Figure 6-11, nous remarquons que la frquence propre concide avec la frquence dexcitation 3P lorsque le rotor tourne une vitesse de 9rpm environ. Cependant, le rotor dispose dun organe de contrle qui fera acclrer le rotor lorsque la frquence des ples (3P) se situera entre 0.4 et 0.5Hz. Sachant que notre rotor fonctionne une vitesse moyenne de 15rpm, ce problme nempchera pas le bon fonctionnement de lolienne.

6.7. Dimensionnement lELU et lELS Comme expliqu prcdemment, la prcontrainte est prise en compte comme une force centre. Lobjectif est de dimensionn la prcontrainte de telle sorte garantir la compression de toutes les sections sous la combinaison de charge lELS. Pour la combinaison de charge lELU, les contraintes de traction sont permises sils ne dpassent pas la contrainte admissible en traction (domaine lastique). Le dimensionnement du mt seffectue selon certaines recommandations de lAssociation Franaise de Gnie Civil (AFGC).

Mthode de vrification de laptitude au service

Pour lELS, aucune fissure nest tolre afin de garantir une rsistance long terme. Pour cette combinaison, nous devrons vrifier :

La rsistance leffort normal; La rsistance au moment.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25

Frq

uenc

e [H

z]

Vitesse de rota7on du rotor [rpm]

Frquence propre et d'excita7on du mt

1P

3P

Mode 1,2


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Selon lAFGC, la vrification de leffort tranchant nest pas ncessaire pour lELS. Voici la procdure que nous allons adopter pour la vrification de lELS (Figure 6-12).

Figure 6-12 Mthode pour la vrification lELS

Contrairement la vrification lELU, nous devons aussi vrifier les dformations de la tour. Le critre que nous allons considrer est le suivant : !"#!"# = 200 Comme aucune fissure nest permise, le mt doit rester dans les dformations lastiques. Nous rappellerons que le comportement des BFUP en compression simple est essentiellement linaire lastique jusqu 0.85*fUc.

Pour la vrification des rsistances en section, nous avons cr un fichier Excel permettant deffectuer cette vrification. Il suffit de rentrer la gomtrie de la section et les contraintes auxquelles elle est soumise (RFEM) et nous obtenons la rsistance leffort normal et au moment pour chaque section.

Mthode de vrification de ltat limite ultime

Pour lELU, mous devrons vrifier :

La rsistance leffort normal ; La rsistance au moment; La rsistance leffort tranchant.


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Contrairement lELS, le dveloppement des fissures est autoris pour lELU. Voici la procdure que nous allons adopter pour la vrification de lELU (Figure 6-13).

Figure 6-13 Mthode pour la vrification lELU

Pour la vrification lELU, aucun critre concernant la dformation nest prcise. Cependant, afin dtre du ct de la scurit, nous avons choisi de satisfaire au critre suivant : !"#!"# = 10 !"#!"# Pour la vrification des rsistances en section, nous avons crer un deuxime fichier Excel permettant deffectuer cette vrification.

Rsistance en section

Les recommandations suivantes dcoulent du guide technique des BFUP en cours de rdaction par la SIA.

La valeur de dimensionnement Rd de la rsistance ultime du mt en BFUP est calcule laide de la relation suivante. ! = !! = !"# , !"# , !" , !" ,!! Avec : fUtk = valeur caractristique de la rsistance la traction du BFUP ;

fUck= valeur caractristique de la rsistance la compression du BFUP ;

fsk= valeur caractristique de la limite dcoulement de lacier darmature passive ;


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fck= valeur caractristique de la rsistance la compression sur cylindre du bton ;

ak= valeur caractristique de la dimension dun lment de construction ; ! = 1.2 = coefficient de rsistance. Nous remarquons que nos sections subissent uniquement des contraintes de traction, de compression et deffort tranchant. En effet, nous avons une flexion globale de la structure mais pas de flexion local au niveau des sections.

Rsistance la compression !"# = !"!!"!.!" !"!.!" = !" ! Avec : !"#= valeur caractristique de la rsistance la compression ; !" = 0.7= facteur de correction pour la prise en compte du comportement la

rupture faible dformation du BFUP sollicit en compression ; ! = 0.9=coefficient pour la prise en compte dune sollicitation du BFUP de longue dure dans llment de construction ;

!"!.!"=fractile 5% de la rsistance la compression ; !" = 190= rsistance la compression moyenne du BSI ;

k= coefficient dpendant du nombre de rsultats dessai selon le tableau. On supposera n>100 => k=1.65 ; ! = 8=cart type selon JSCE (Japan Society of Civil Engineers) pour les BFUP. !"# = 111.3 !"#! = 92.75

Rsistance la traction !"# = !!!"!.!" !"!.!" = !" ! Avec : !"#= valeur caractristique de la rsistance la compression ; ! = 0.9= coefficient dorientation des fibres. On admet un comportement

densemble ; ! = 0.9=coefficient pour la prise en compte dune sollicitation du BFUP de longue dure dans llment de construction ;

!"!.!"=fractile 5% de la rsistance la compression ; !" = 9= rsistance la traction moyenne du BSI ;

k= coefficient dpendant du nombre de rsultats dessai selon le tableau. On supposera n>100 => k=1.65 ;


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! = 2=cart type selon JSCE (Japan Society of Civil Engineers) pour les BFUP. !"# = 4.7 !"#! = 3.91 Rsistance leffort tranchant selon Von Mises ! = !"3 = 5.2 !! = 4.33

6.8. Vrification lELS

6.8.1. Vrification des dformations

Aprs plusieurs itrations, nous avons constat que le critre dterminant est la dformation maximum du mt. Pour lELS, nous avons fix cette valeur : !"#!"# = 200 = 1 Les dformations doivent rester faibles en vue daugmenter la rsistance la fatigue ainsi que la durabilit des pices mcaniques constituant la nacelle.

Dans le processus doptimisation, nous avons aussi considr les critres suivants :

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

Voici la gomtrie dtaille que nous avons retenue pour satisfaire ce critre sous les charges lELS (Tableau 6-8).


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Surface n Epaisseur d [mm]

Dformation u [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

Rayon la base [m] 8 2

200

Rayon en tte [m]

Hauteur [m] Tableau 6-8 Gomtrie retenue lELS pour les dformations

6.8.2. Dimensionnement de la prcontrainte Comme expliqu prcdemment, la prcontrainte est dimensionn de telle sorte garantir la compression de toutes les sections pour le scnario lELS. En prenant compte des pertes instantanes et diffres, la force de prcontrainte ncessaire pour remplir cette exigence est Fp=210613kN.

En considrant des cbles de prcontraints extrieurs sans adhrence de type T15S, il nous faut un total de 42 cbles 26T15S pour obtenir cette force de prcontrainte ncessaire. La prcontrainte est prise en compte par lapplication dune force concentre (rpartie sur la circonfrence du cercle) sur le haut du mt comme le montre la Figure 6-14.


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Type Section [mm2]

Poids [kg/m3]

int/ext [mm]

p = 0.70 fpk [kN]

26T15S 3900 30.6 105/112 5078 Tableau 6-9 Caractristique des cbles de prcontrainte

Figure 6-14 Force de prcontrainte

6.8.3. Vrification des rsistances en section Le Tableau montre les contraintes normales appliques aux vingt sections. La prcontrainte permet davoir uniquement des efforts normaux de compression sous le cas de charge lELS. Il faut maintenant que nous vrifions la rsistance en section avec les contraintes figurant dans les Tableaux 6-10.

Section n

Epaisseur [mm]

Ed compression

[kN/m2] Vrification

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


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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

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dimensionnement d'une Éolienne en bfup_vf

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