Contexte
Le coulis de liaison (ou « grouted connection ») est une technique très répandue dans le milieu offshore et notamment pour les fondations dans le secteur de « l’oil and gaz ». Il s’agit d’un joint de ciment haute performance permettant la connexion entre deux cylindres d’acier concentriques.
Cette technique a été reprise dans le secteur de l’éolien offshore pour connecter la structure de l’éolienne à sa fondation. Selon le type de fondation, le joint est localisé soit entre la tour et la structure immergée de l’éolienne dans le cas d’une fondation de type « monopieu» soit entre la structure immergée et le pieu de fondation dans le cas d’une fondation de type « jacket » ou « tripode ». Cependant les efforts dynamiques que subit l’éolienne sont très différents de ceux retrouvés sur les plateformes offshores. En effet, le coulis de liaison présente à ce jour un challenge pour les développeurs de parcs éoliens offshores. En 2009-2010, un glissement progressif de la liaison a été observé sur près de 600 des 988 éoliennes offshores (type « monopieu ») en Mer du Nord.
Si aujourd’hui, des solutions partielles ont été apportées, notamment sur la conception de la liaison, des recherches sont en cours afin de mieux comprendre d’une part le mécanisme d’endommagement lié à la fatigue du matériau, et d’autre part l’impact de l’infiltration d’eau sur ce mécanisme d’endommagement. L’implémentation d’un système de monitoring (SHM) pour le coulis de liaison permettrait d’apporter un suivi de la dégradation avant rupture afin d’améliorer les modèles donc les outils et méthodes de conception.
Dans le cadre du projet SHM-OWTGrout, de l’Université de Nantes (laboratoire GeM) et IFSTTAR, il s’agit surtout de recueillir des informations sur l’état d’endommagement de la structure, ayant pour finalité d’apporter un appui décisionnel dans la stratégie de maintenance et ainsi une réduction significative des coûts d’opération et maintenance. La détection précoce de l’endommagement permettrait notamment de minimiser les réparations coûteuses et inattendues liées à un endommagement sévère du joint (maintenance corrective); mais également d’optimiser/réduire la fréquence des inspections sur site (maintenance préventive).
Ruptures scientifiques et innovation
L’objectif du projet est d’étudier comment une instrumentation et une méthodologie de détection de dommages adéquates peuvent apporter des solutions appropriées aux développeurs d’éoliennes offshores concernant les enjeux liés au coulis de liaison. L’accent sera mis tout particulièrement sur le potentiel des jauges de déformations à fibre optique et à la complémentarité d’informations que l’on peut obtenir par d’autres moyens, comme par l’emploi de méthodes acoustiques, en pensant ainsi le système SHM comme un système multi-technique dont l’exploitation peut être envisagée par fusion de données.
Sous cet angle, différentes méthodologies de dommages seront exploitées, puis comparées. On cite parmi ces méthodes les modèles autorégressifs (AR, ARMA ou encore ARX), les méthodes dans le domaine fréquentiel ou temps-fréquence, ou encore des méthodes basées sur la DLV (Damage Localisation Vector).
Pour mieux estimer les limites et performances de ces méthodes, deux échelles de tailles différentes de dispositifs expérimentaux seront testées :
- Grande échelle : dans le cadre du projet européen ITN « OceaNET » et en collaboration avec l’institut Fraunhofer IWES et l’entreprise Woelfel, la doctorante Nathalie Müller, dont un cofinancement de la thèse est demandé par le projet, a participé à l’université Leibniz d’Hanovre à des tests en fatigue de spécimens de coulis de liaison à échelle ¼ (projet GrowUP). Elle a participer au printemps 2017 à de nouveaux tests au centre d’essai « Test Center Support Structures » d’Hanovre (projet QS-M Grout).
- Petite échelle : dans le cadre du projet proposé, une éprouvette de dimensions réduites de l’ordre de 50 cm de rayon sera fabriquée et instrumentée avec des capteurs à fibres optiques (fibres continues et réseaux de Bragg) et des capteurs acoustiques. Un essai de fatigue sera mené sur cette éprouvette. L’émission acoustique étant une technique de mesure assez sensible, un placement judicieusement de plusieurs capteurs sur la structure permettra de détecter et de suivre la progression de l’endommagement en temps réel et servira de contrôle. Un premier objectif de l’essai sera de tester la sensibilité de détection et de localisation par des jauges de déformations optiques et électriques placés à la surface de l’éprouvette par comparaison avec l’émission acoustique. Un second objectif sera d’évaluer la pertinence d’instrumenter le tube intérieur de l’éprouvette pour détecter des endommagements qui commenceraient à se produire aux niveaux des shear keys du tube intérieur. Un troisième objectif sera de tester la faisabilité et la pertinence d’une mesure répartie de déformations par un maillage de fibres optiques pour détecter les variations anormales de déformations à la surface du tube qui seraient provoquées par des endommagements dans le béton. L’interrogation de la fibre optique pourra être réalisée pendant l’essai de fatigue par un interrogateur dynamique interrogateur dynamique de mesure répartie de déformation (Odisi) que vient d’acquérir l’IFSTTAR. Il s’agit d’un équipement de mesure innovant qui permettra d’obtenir des résultats originaux.
Dans le cadre du projet SHM-OWTGrout, nous proposons, sur la base de la panoplie de résultats d’essais disponibles, de fiabiliser et valider les instrumentations et méthodes de détection employées.
Impact technique et économique attendu
Mise au point d’une nouvelle méthode d’instrumentation et de méthodologies sur la détection de dommages (identification, localisation et gravité des défauts) des coulis de liaison des éoliennes offshore.
Dates clés du projet
- 1 août 2017 - Démarrage du projet
- août 2017- décembre 2018 - Analyses des mesures, mise au point de la méthode d'identification et localisation des endommagements
- septembre 2018-novembre 2018 - Réalisation des essais petite échelle
- Mai 2019 - Soutenance de la thèse de Nathalie Müller
- Juin 2019 - Fin du projet
Démonstrateur
Éprouvette à petite échelle
Résultats
Pour détecter l’occurrence et la gravité des dommages un coulis de liaison, un système SHM basé sur des capteurs à fibre optique de type FBG (Fiber Bragg Grating) a été mis au point pour étudier un essai de fatigue sur un spécimen « grande échelle » réalisé à l’université Leibniz de Hanovre. Les données on été analysées à l’aide de la distribution de Wigner-Ville (WVD), et l’une de ses propriétés marginales, la densité spectrale d’énergie (ESD). Un indicateur de dommage, basé sur le changement total des sous-harmoniques dans la densité spectrale d’énergie de la réponse des capteurs à fibre optique, a été mis au point.
Les résultats montrent qu’avec cette méthode, il est possible de détecter l’état d’endommagement de l’échantillon de connexion injecté, en identifiant les différentes phases d’endommagement (phase I, II et III, soit respectivement l’apparition des microfissures, l’augmentation linéaire de celles-ci, puis apparition / propagation d’une manière instable de micro-fissures jusqu’à défaillance complète de l’échantillon. La détection de la phase finale a également été effectuée à un stade précoce. Certaines informations sur la gravité locale des dommages ont également été obtenues, telles que le fait que les contraintes maximales et les dommages qui en résultent se produisent au niveau de la première clé de cisaillement.
Un travail de modélisation de l’endommagement du coulis de liaison a été réalisé. Le modèle CDP a été utilisé pour la modélisation numérique du coulis. Deux types de dommages ont été simulés : la fissuration par compression et l’endommagement de l’interface acier-ciment. La fissure elle-même a été modélisée comme une fissure de joint non propageante, tandis que la rupture de l’interface a été simulée en réduisant le coefficient de friction entre le coulis et les surfaces en acier. Une méthode basée sur l’identification harmonique non linéaire dans la réponse vibratoire de la structure (via l’analyse du domaine fréquentiel et le calcul de la densité spectrale d’énergie) a été proposée et des indicateurs de dommages ont été calculés pour suivre les dommages dans la structure. L’analyse numérique et les calculs des indicateurs de dommages ont confirmé que la méthode pouvait être utilisée pour détecter l’apparition de dommage, mais aussi pour localiser et identifier la gravité des dommages. Cependant, la modélisation de la défaillance de l’interface semble sous-estimer les non-linéarités de la structure et donc les valeurs correspondantes de l’indice de dommage ont également été sous-estimées.
Une éprouvette pour les tests à petite échelle à été fabriquée. L’éprouvette a été équipée de multiples capteurs~: 8 capteurs d’émission acoustique, 3 jauges résistives, 3 réseaux de Bragg fibrés et une fibre pour mesure de déformation répartie cheminant en serpentin sur les surfaces externes des cylindres interne et externe.
Les tests de fatigue ont été réalisés entre le 12 et le 20 novembre 2018.L’autopsie de l’éprouvette a montré que l’essai de fatigue a bien endommagé deux des 5 verrous. La fissuration en biais entre les verrous intérieurs et extérieurs est cohérente avec les résultats de la littérature . Les capteurs d’émission acoustiques ont mis en évidence l’existence de trois phases d’accroissement important du nombre d’évènements acoustiques détectés. Ce comportement décrit la courbe de fluage cyclique classique de la littérature. Un second enseignement que l’on peut tirer de l’émission acoustique est le caractère asymétrique de l’endommagement. Cette asymétrie est confirmée par les mesures réparties par fibres optiques.
Publications et communications produites
Communication orale
- Damage detection in offshore wind turbine grouted connection by nonlinear harmonic identification, N. Müller, P. Kraemer, D. Leduc, F. Schoefs, Offshore Wind R&D conference 2018, Bremerhaven, 14-16 novembre 2018
Publication
- FBG Sensors and Signal-based Detection Method for Failure Detection of an Offshore Wind Turbine Grouted Connection, International Journal of Offshore and Polar Engineering (IJOPE), accepté pour publication
Perspectives
Ce travail constitue la première étape des investigations sur la détection des dommages des connexions injectées des éoliennes offshore. La possibilité d’automatiser le processus d’identification des dommages, en localisant plus précisément les dommages en fonction du positionnement du capteur, sera étudiée à l’aide d’analyses supplémentaires et de nouvelles campagnes expérimentales.
