dimensionnement-dx27une-eolienne-en-bfup-vf compress

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 Conception d’une éolienne en BFUP Hamza Sehaqui
Génie civil, MA2 Ha-Phong Nguyen
EPFL - Page I / V - 2012 - 2013
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 Ultra-
haute 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.

Projet de construction Conception d’une éolienne en BFUP Hamza Sehaqui
Génie civil, MA2 Ha-Phong Nguyen
EPFL - Page II / 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!

Projet de construction Conception d’une éolienne en BFUP Hamza Sehaqui
Génie civil, MA2 Ha-Phong Nguyen
EPFL - Page III / 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!

Projet de construction Conception d’une éolienne en BFUP Hamza Sehaqui
Génie civil, MA2 Ha-Phong Nguyen
EPFL - Page IV / 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!