Comment concevoir les fondations des éoliennes terrestres
Les éoliennes convertissent la puissance du vent en électricité propre. Pour maximiser la production d'énergie, les tours doivent être hautes, atteignant jusqu'à 200 mètres, afin d'accéder à des vents plus forts. Des pales plus longues augmentent la surface balayée, captant ainsi davantage d'énergie éolienne. En conséquence, la tendance est de concevoir des structures plus grandes pour maximiser la production d'énergie.
À mesure que ces structures grandissent, assurer leur sécurité structurelle devient de plus en plus important.
Les forces exercées sur les pales et la tour sont transmises au sol par la fondation. Étant donné la taille considérable des éoliennes, la fondation doit offrir un support robuste et stable.
Choisir la bonne fondation
Pour les éoliennes terrestres, la fondation est un élément essentiel pour soutenir ces structures colossales. Mais comment déterminer le type de fondation adéquat ?
La réponse se trouve dans le sol sous-jacent. Avant toute décision, il est nécessaire de comprendre les propriétés du sol sur le site où l'éolienne sera implantée. Voici les points clés à considérer :
- Sol faible. Si la capacité portante du sol est trop faible ou si sa faible rigidité peut entraîner de grandes déformations, il faudra probablement opter pour une fondation sur pieux. Ces pieux atteignent une couche compétente pour assurer un appui approprié, limitant les déformations. Cependant, les pieux augmentent significativement les coûts de construction, ce qui en fait une solution coûteuse.
- Sol moyen. Dans la plupart des cas, la profondeur de fondation est comprise entre 2 et 4 mètres sous la surface naturelle du sol. Typiquement, cette profondeur est sous les strates superficielles les plus faibles, ce qui confère aux fondations superficielles un appui suffisamment rigide et solide.
- Roche compétente. Lorsque l'on a la chance de rencontrer une roche relativement peu profonde et compétente, on peut choisir d'ancrer la dalle avec des tirants. Cette solution permet de réduire considérablement la taille de la dalle, et donc la quantité de béton et d'acier d'armature. Lorsqu'elle est viable, cette solution est la plus économique. Pour plus de détails, consultez cette comparaison fondations superficielles vs fondations ancrées dans le rocher.
Voici un résumé rapide :
| Propriétés du sol | Fondation | Coût |
|---|---|---|
| Très déformable ou faible | Sur pieux | Élevé |
| Moyenne | Superficielle | Modéré |
| Très compétente | Ancrée en roche | Faible |
Sur la plupart des sites, comme mentionné plus haut, les fondations superficielles sont le choix privilégié pour supporter les éoliennes terrestres. Toutefois, il est essentiel de souligner que les conditions spécifiques du sol sur votre site détermineront le type de fondation idéal. Par exemple, aux Pays-Bas, où le sol est souvent boueux et peu stable, les fondations sur pieux sont la norme.
Dans la suite de cet article, nous nous concentrerons sur les fondations superficielles.
Dimensionnement des fondations d'éoliennes
Les fondations doivent remplir principalement deux fonctions : assurer la stabilité de la structure et répartir les efforts afin que le sol puisse supporter la charge tout en limitant les déformations. Pour des fondations de tours isolées, cela se traduit par la nécessité d'avoir un poids et une surface d'appui suffisants :
Assurer la stabilité en ayant une fondation suffisamment lourde pour contrebalancer les moments de basculement. En pratique, les fondations d'éoliennes peuvent être très massives, dépassant souvent 1000 tonnes de béton armé. De plus, une quantité importante de remblai est placée sur la dalle, pouvant ajouter plusieurs centaines de tonnes supplémentaires.
Prévenir la surcharge en augmentant la surface de base de la fondation, afin que la pression sur le sol reste inférieure à sa capacité portante.
Cependant, si la stabilité et la capacité portante sont des vérifications importantes, elles ne constituent pas toujours les principales contraintes lors de la conception des fondations d'éoliennes terrestres. Une exigence supplémentaire, propre aux éoliennes, entre en jeu : la limitation de la perte de contact entre la dalle et le sol (gapping). Cette exigence est liée aux chargements cycliques, comme nous le verrons par la suite.
Chargement cyclique sur les fondations d'éoliennes
Jusqu'ici, vous pourriez penser que les fondations d'éoliennes sont similaires à celles des ponts ou des bâtiments — transmettant les forces de la structure au sol. Bien que cela soit partiellement vrai, un facteur distingue les structures d'éoliennes : le chargement cyclique.
On pourrait arguer que les ponts subissent aussi des chargements cycliques dus aux véhicules, ce qui est exact. Cependant, le poids des véhicules est relativement modeste comparé au poids propre du pont. Dans le cas des éoliennes, la charge variable est importante par rapport au poids propre de la structure, rendant le chargement cyclique particulièrement dommageable.
Cette distinction explique pourquoi les nombreuses normes et directives spécifiques à l'industrie éolienne mettent un fort accent sur les vérifications de fatigue, ce qui les différencie des autres domaines du génie civil.
Fatigue sur les fondations d'éoliennes
L'analyse de la fatigue pour les fondations d'éoliennes implique plusieurs niveaux de vérification.
Dégradation de la capacité portante du sol : Sous chargement cyclique, le sol peut voir sa capacité portante diminuer. Malheureusement, il n'existe pas de méthodologie largement reconnue pour évaluer ce phénomène. De plus, réaliser des tests en laboratoire est coûteux et long. Face à ces difficultés, des normes spécialisées recommandent une approche alternative : vérifier qu'il n'y ait pas de perte de contact entre la dalle et le sol sous charges opérationnelles, appelée vérification de gapping. Cette vérification influence souvent la taille globale de la fondation.
Éléments structurels en acier : L'analyse de la fatigue ne se limite pas aux fondations d'éoliennes, elle est courante dans différents domaines du génie civil. Pour les éléments en acier, des normes telles que l'Eurocode 3-9 sont entièrement dédiées aux vérifications de fatigue. Ces normes sont fréquemment utilisées pour examiner les éléments de la cage d'ancrage, comme les plaques et les boulons.
Éléments en béton armé : Contrairement à l'acier, toutes les normes concernant les structures en béton armé ne précisent pas une méthodologie complète pour la vérification de la fatigue. Certaines offrent uniquement des approches simplifiées. Deux références souvent citées pour la fatigue du béton armé sont le FIB Model Code 2010 et le DNVGL-ST-C502. Ces documents utilisent différentes formulations, mais reposent toutes deux sur l'accumulation des dommages.
Points clés sur la conception des fondations d'éoliennes
La conception des fondations d'éoliennes présente des défis uniques comparés à d'autres types de fondations. Les principaux points à retenir sont :
La taille des fondations doit répondre à des critères de stabilité, capacité portante, et limitation du gapping.
Le chargement cyclique imposé par le vent et le fonctionnement de l'éolienne nécessite une attention particulière à la fatigue des matériaux.
L'étude du sol et son comportement dynamique sous chargement cyclique est essentielle, mais souvent limitée par le manque de méthodes standardisées.
Une analyse précise par éléments finis est souvent nécessaire, notamment pour la cage d'ancrage, où la fatigue des éléments en acier est critique.
Le choix entre fondation sur pieux, fondation superficielle ou ancrée dans le rocher dépend de la nature du sol.
En conclusion
La conception des fondations pour les éoliennes présente des défis spécifiques par rapport à d'autres types d'ouvrages. Ces défis concernent principalement les sollicitations cycliques, qui jouent un rôle majeur dans ce type de structures et influencent fortement la conception des fondations.
Comprendre ces exigences particulières est essentiel pour concevoir des fondations à la fois sûres et économiquement optimisées. Si vous avez besoin d'un accompagnement, n'hésitez pas à nous contacter 📧.