Ruptures scientifiques et innovation

L’état de l’art de l’analyse du comportement des fondations d’éoliennes offshore repose essentiellement sur des méthodes faisant intervenir l’interaction sol-fondation (en l’occurrence sol-monopieu dans le cas présent d’éolienne posée sur un monopieu de grand diamètre) et en négligeant l’interaction avec la tour (cf. projet PISA entre autres). De plus, les analyses sont généralement effectuées en statique. Or, l’éolienne est soumise à des efforts hydrodynamiques et aérodynamiques dus à la houle et au vent respectivement et qui sont de nature dynamiques.

L’originalité de ce projet est d’effectuer une analyse dynamique de l’éolienne tenant compte des efforts de houle et du vent et considérant en plus les différentes interactions entre le sol, la fondation et la superstructure car ces interactions peuvent avoir une très grande influence sur la réponse recherchée (e.g. déplacement et rotation induits en tête du monopieu et au sommet de la tour ; fréquence naturelle de l’éolienne).

Impact technique et économique attendu

Le projet DYNA porte sur l’analyse dynamique du système sol-monopieu-structure en considérant les chargements de houle et du vent avec leur caractère dynamique et aléatoire et en intégrant les différentes interactions entre le sol, la fondation et la superstructure. En effet, l’interaction entre la superstructure et le système sol-fondation est souvent représentée de manière simplifiée dans les méthodes utilisées dans la pratique. Les moyens de calcul développés permettront un dimensionnement plus fiable et plus économique réduisant ainsi le conservatisme des approches actuelles. Le logiciel développé pourra être pris en main par les entreprises concernées du secteur des EMR.

Dates clés du projet

  • Décembre 2018 - Lancement du projet
  • Décembre 2019 - Développement d’un modèle 3D d’une éolienne offshore (Offshore Wind Turbine OWT) avec prise en compte de l’interaction sol-fondation-structure pour le calcul des fréquences naturelles
  • Juillet 2020 - Etude du comportement d’un système sol-monopieu sous chargement dynamique aléatoire
  • Juillet 2021 - Développement d’un TMD (Tuned Mass Damper) et d’un modèle simplifié du système sol-monopieu qui sera utile pour un calcul en fatigue
  • Octobre 2021 - Fin du projet (Soutenance d’une thèse et publications dans des revues internationales)

Démonstrateur

Développement d’outils numériques sur l’analyse des fondations d’éoliennes en mer et pouvant être utilisés par les entreprises et les bureaux d’études travaillant dans le secteur des EMR.

Résultats

Notre travail a consisté à développer un modèle tridimensionnel complet de l’OWT et ce, pour une éolienne offshore de type 10 MW DTU en utilisant le logiciel d’éléments finis (EF) disponible dans le commerce ABAQUS / Standard. Les propriétés géométriques des différentes composantes de l’éolienne (pâles, tour, pièce de transition et monopieu) sont explicitement prises en compte et le sol est modélisé comme un continuum 3D. La figure (1) présente le modèle 3D développé.

 

Modèle 3D développé pour l’OWT

Figure 1. Modèle 3D développé pour l’OWT

 

Une analyse modale basée sur le modèle 3D développé est réalisée pour calculer les fréquences propres de l’éolienne offshore en état d’arrêt. La figure (2) présente les dix premiers modes de vibration de l’OWT en considérant l’interaction sol-structure. Les résultats obtenus ont montré que l’interaction sol-structure a un effet non négligeable sur les fréquences propres de la tour, cet effet étant négligeable sur les fréquences propres des pâles.

Figure2. Modes de vibration de l’OWT

Figure 2. Modes de vibration de l’OWT

 

L’adéquation des différents modèles simplifiés habituellement utilisés dans la littérature pour la superstructure (Figure 3) et le système sol-fondation (Figure 4) a été étudiée et discutée. De plus, l’effet de plusieurs paramètres liés au système sol-fondation (tels que la rigidité du sol, les propriétés géométriques du monopieu et la hauteur de la pièce de transition) sur la première fréquence propre de l’OWT a été présenté et discuté.

Figure 3 Modèles simplifies de la superstructure

Figure 3. Modèles simplifies de la superstructure

 

Figure 4 Modèles simplifies du système sol-fondation

Figure 4. Modèles simplifies du système sol-fondation

 

Sur la base des résultats numériques obtenus, les conclusions suivantes peuvent être tirées:

  1. Les premiers modes de vibration en flexion de la tour dans les directions ‘fore-aft’ et ‘side-side’ sont les modes principaux d’une OWT fondée sur un monopieu;
  2. Une modélisation fine de la pièce de transition joignant la tour et le monopieu n’a pas d’effet significatif sur la première fréquence propre du système;
  3. La première fréquence de vibration de la tour a été significativement réduite (de 11,1%) lorsque l’interaction sol-structure a été prise en compte;
  4. Parmi les différents modèles de fondation utilisés dans la pratique, l’approche ‘improved apparent fixity’ de Løken et Kaynia (2019) considérant deux cylindres successifs et calibrée sur la base du modèle 3D développé dans ce travail a abouti à la meilleure estimation de la première fréquence naturelle avec un écart d’environ 2,5%. Le modèle de ressorts distribués, basé sur le module de réaction de la fondation, vient en second lieu. Il donne la meilleure estimation par rapport aux autres modèles de ressorts distribués avec un écart d’environ 5%;
  5. La calibration des différents modèles de fondation simplifiés (ressorts couplés, ‘improved apparent fixity’ et modèle de ressorts distribués) basée sur le modèle 3D développé s’est avérée donner une très bonne estimation de la première fréquence naturelle avec un écart maximal d’environ 2,5 %;
  6. Les résultats des modèles simplifiés de la superstructure ont montré que la représentation du RNA par une masse localisée avec les propriétés de masse et de moment d’inertie correspondantes (cf. Figure 3, modèle 1) donne une estimation de la première fréquence propre avec un écart de 2,5% seulement. De plus, l’hypothèse de modélisation de la tour avec des éléments de coque 3D (cf. Figure 3, modèle 1) n’améliore pas de manière significative les résultats et ainsi, l’utilisation d’une poutre à sections variables (cf. Figure 3, modèle 2) ayant des propriétés géométriques et massiques comme celles de la tour est suffisante lors du calcul de la première fréquence propre. Enfin, le modèle 3 de la figure 3 à section cylindrique sous-estime de 11,4% la valeur de la première fréquence naturelle de l’OWT;
  7. La fréquence propre de l’OWT augmente avec l’augmentation du diamètre extérieur du monopieu et l’épaisseur de la paroi. Cela peut s’expliquer par l’augmentation de la rigidité de la fondation. L’augmentation de la densité relative du sol se traduit par une très faible augmentation de la première fréquence naturelle (d’environ 1,2% lorsque le type de sol passe du sable lâche à un sable très dense);
  8. La première fréquence naturelle de l’OWT augmente avec l’augmentation de la longueur enterrée du monopieu, puis elle devient constante au-delà d’une profondeur d’encastrement critique (cf. Figure 5). La valeur limite de la profondeur d’encastrement diminue avec l’augmentation du diamètre du monopieu et avec la densité relative du sable. La constatation liée à la profondeur d’encastrement critique est importante dans le dimensionnement afin d’éviter une sur-longueur inutile de la profondeur d’encastrement du monopieu.

Figure 5 : évolution de la 1ère fréquence naturelle de l’éolienne

 

Publications et communications produites

Communications orales

Perspectives

  • Développement d’un TMD (Tuned Mass Damper) afin de réduire les vibrations excessives;
  • Élaboration d’un modèle mécanique simplifié du système sol-monopieu qui sera utile pour le calcul en fatigue de l’éolienne offshore.