Les fondations d'éoliennes en mer étudiées en centrifugeuse géotechnique

Publié par Matthieu Blanc, le 16 janvier 2023   100

Plus des 3/4 des éoliennes en mer reposent sur des fondations de type Monopieu. Ces monopieux sont des tubes d'acier de diamètre compris entre 5 m et 10 m et de profondeur entre 15 m et 30 m. Ils traversent le sol lors de leur installation. Une pièce de transition, située dans l'eau, fait la jonction entre l'éolienne dans l'air et le monopieu dans le sol.

Ce type de fondation a été spécifiquement créé pour supporter  les éoliennes en mer et n'existaient pas avant leur apparition . Son étude est donc très récente.

Pour dimensionner ces monopieux, des essais sont nécessaires. Cependant, leur taille ne permet pas de les tester en grandeur réelle. D'autre part, effectuer des essais en mer est souvent très compliqué.

Essais sur modèle réduit centrifugé 

Les chercheurs se sont donc tournés vers des modèles réduits pour étudier ces structures.  Mais le sol a un comportement non-linéaire: selon sa profondeur, il ne réagit pas de la même manière. Ainsi le modèle réduit n'aura pas le même comportement que le prototype qu'il modélise en grandeur réelle. Pour pallier à ce problème, le modèle réduit à l'échelle 1/N doit être placé dans un champs de macrogravité N fois supérieur à la gravité de la Terre g.

Pour se faire, le modèle réduit est placé dans une centrifugeuse géotechnique. En centrifugeuse, l’accélération est proportionnel au rayon et à la vitesse de rotation au carré. Une tel équipement est disponible à l'Université Gustave Eiffel, sur le campus de Nantes à Bouguenais. Unique en France, cette centrifugeuse a un rayon de 5,5 m. Elle permet d’embarquer un modèle réduit pouvant peser jusqu'à 2 tonnes et de le placer dans un champ de macrogravité 100 fois supérieur à celui de la Terre. Sous cette accélération, le modèle réduit tourne à une vitesse rotation supérieure à 2 tours par seconde à la vitesse tangentielle de 277 km/h.

Monopieux au 100ième

2 modèles réduits au 100ième ont été testés dans la centrifugeuse géotechnique de l'Université Gustave Eiffel à 100 fois la gravité de la Terre : un premier monopieu de 50 mm de diamètre et 250 mm de long et un second de 100 mm de diamètre et 300 mm de profondeur. Les dimensions des prototypes sont 100 supérieurs à celles des modèles (c.f. tableau ci dessous) :

Modèle 1      Modèle 2
Echelle  1/100      1/100
Diamètre du prototype 5 m      10 m
Diamètre du modèle réduit          50 mm      100 mm
Profondeur du prototype 25 m      30 m
Profondeur du modèle 250 mm      300 mm

Ces modèles de monopieux sont installés dans un conteneur de sable reconstitué en laboratoire. Ce massif a été saturé en eau afin de reproduire les conditions in-situ en mer. Une fois que la centrifugeuse a atteint son accélération maximale correspondant à 100 fois la gravité de la Terre, la monopieu est chargé horizontalement à l'aide un vérin électrique. Ce chargement représente les effets du courant et de la houle sur la pièce de transition ainsi que ceux du vent sur l'éolienne. Un capteur de force enregistre les efforts appliqués tandis que des capteurs LASER de déplacement situés en face surveillent le déplacement. La hauteur du point d'application de l'effort horizontal peut être ajustée entre 250 mm et 750 mm (c'est-à-dire entre 25 m et 75 m en vraie grandeur) afin de simuler différentes hauteurs d'eau.  Les courbes des efforts en fonctions des déplacements sont analysées afin de vérifier que la rotation de l'éolienne ne dépasse pas 1°, la limite acceptable pour le dimensionnement de ces ouvrages.

Schéma représentant un essai de chargement horizontal sur un modèle réduit centrifugé de diamètre 50 mm (à gauche) - photo du montage (à droite)

Installation des monopieux en vol par battage 

De façon générale, le comportement des pieux est fortement dépendant de la façon avec laquelle ils ont été installés. Différentes méthodes d'installations existent en géotechnique terrestre. Mais en mer, la méthode la plus répandue consiste à battre le monopieu à l'aide d'un batteur. Pour de tel monopieu, le batteur doit appliquer en tête du monopieu un choc d'une masse de 2,5 tonnes lâchée à 1 mètre de haut.  

Un modèle réduit de batteur a été développé afin de permettre le battage des monopieux pendant la rotation de la centrifugeuse (sous 100 fois la gravité terrestre). La particularité du système développé est qu'il permet en plus de charger horizontalement le monopieu qui vient d'être installer, sans arrêter la centrifuge. La vidéo ci-dessous présente les différentes phases de l'essai en centrifugeuse : 

1. Augmentation de l'accélération centrifuge jusqu'à 100g : durant cette phase, les câbles des capteurs fléchissent  sous l'augmentation de leur propre poids ,

2. Installation  du monopieu par battage : l'enfoncement est de plus en plus long car le sol est de plus en plus résistant quand la profondeur de pénétration augmente, 

3. Chargement horizontal du monopieu appliqué par le vérin électrique qui vient pousser ce dernier.

(vidéo accélérée 60 fois par rapport à la vitesse réelle)

La reproduction en centrifugeuse de la méthode d'installation a permis d'obtenir des résultats expérimentaux modélisant de façon très fine les conditions réelles dans lesquelles sont sollicités les monopieux d'éoliennes en mer.

Le mot de la fin

Ces essais en centrifugeuse des fondations monopieux d'éolienne en mer sont la seule possibilité d'obtenir des données expérimentales sur le comportement de ces fondations d'un genre nouveau. Ils ont permis de mieux comprendre leur comportement et de calibrer les modèles modèles numériques utilisés pour le dimensionnement de ces structures. 

Ces essais ont été réalisées dans le cadre des travaux de thèse de doctorat de Semaan Maatouk  cofinancés par la Région Pays De La Loire et l'Université Gustave Eiffel. Les développement outils expérimentaux a été permis grâce au soutien du Weamec et du projet SOLCYP+ bénéficiant d’un financement de France Energies Marines, de ses membres et partenaires, ainsi que d’une aide de l’Etat gérée par l’Agence Nationale de la Recherche au titre du programme des Investissements d’Avenir (ANR-10-IEED-0006-18).

Pour finir, la petite vidéo ci-dessous reprend les différentes étapes de la réalisation des essais présentés dans cet article, de la conception du modèle réduit jusqu'aux résultats.