La géotechnique et la géophysique font partie des métiers et compétences indispensables pour concevoir et implanter des technologies de récupération des Énergies Marines Renouvelables (EMR), au même titre que le génie électrique (conception des turbines, raccordement électrique au réseau,…), le génie océanique (tenue à la mer des structures posées ou flottantes), la mécanique des structures,… L’ingénierie géotechnique doit notamment être intimement associée aux autres ingénieries liées à la conception et à la réalisation des structures posées (fixées directement dans le sol) ou flottantes (via les ancrages). La connaissance fine de cette interaction sol-structure nécessite encore de nombreuses recherches, tant pour les phases d’installation que d’opération (vieillissement des sols sous sollicitations dynamiques par exemple).

REPLAY & présentations DU SÉMINAIRE GÉOTECHNIQUE & GÉOPHYSIQUE POUR LES APPLICATIONS EMR

Introduction et présentation du WEAMEC Séminaire ‘Géotechnique & géophysique pour les applications EMR’ par Philippe BACLET – WEAMEC

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PROSE – Projet de Recherche Offshore Sismique et Electrique, par Donatienne LEPAROUX de l’Université Gustave Eiffel

Le développement d’éoliennes fixes en faible profondeur (zone offshore proche) soulève la question de la qualification des paramètres mécaniques du sous-sol en milieu marin, de leur variabilité spatiale et leur évolution temporelle. La vitesse des ondes sismiques S est un des paramètres d’intérêt pour le dimensionnement géotechnique des fondations. La résistivité électrique est une propriété discriminante pour distinguer les niveaux lithologiques qui peut être complémentaire pour l’interprétation géologique et géotechnique. Cependant, dans les zones des 20 miles marins de la côte atlantique en Région des Pays de la Loire, les milieux superficiels présentent une complexité structurale importante et l’hypothèse de milieu stratifié plan ne peut plus être suivie. Les méthodes sismiques reposant sur l’analyse de la dispersion des ondes de surface et les pratiques usuelles de l’imagerie électrique en milieu marin faiblement variable atteignent leurs limites de validité.

Face à ces verrous le projet PROSE a permis d’étudier la faisabilité de techniques d’imagerie et de surveillance de la géologie des sédiments sous-marins de faibles profondeurs à partir de méthodes géophysiques, sismiques et électriques, adaptées à la reconnaissance de milieux présentant de fortes variabilités spatiales.

Les perspectives à la suite de ce projet sont :

  • marinisation du prototype de source sismique positionable en fond de mer pour obtenir des mesures et données de qualité
  • validation expérimentale en cuve puis in-situ de la méthode complète d’imagerie 2D par ondes sismiques de surface, développée dans le cadre du projet
  • combinaison des méthodes inverses sismiques et géo-électriques
  • collaboration avec les approches géotechniques pour intégrer la méthode dans l’élaboration d’un modèle de sol permettant de concevoir une structure offshore.

 

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ROS-3D – Analyse probabiliste des fondations des éoliennes avec prise en compte de la variabilité spatiale tridimensionnelle, par Abdul-Kader EL HAJ de l’Université de Nantes

Dans les approches déterministes en géotechnique, les valeurs moyennes des paramètres d’entrée sont utilisées sans prendre en compte les incertitudes de ces paramètres et sans considérer la structure de corrélation spatiale des propriétés du sol. A l’opposé, les approches probabilistes intégrant la variabilité spatiale des paramètres du sol dans un modèle de calcul déterministe permettent une meilleure estimation de la fiabilité de notre ouvrage. En effet, ces méthodes permettent de déterminer la réponse du système étudié sous forme d’une loi de distribution et ainsi de connaître non seulement la moyenne de la réponse du système étudié, mais aussi l’incertitude liée à cette sortie. On pourrait même déterminer la probabilité de défaillance pour un seuil acceptable fixé de la variable de sortie. Dans ce projet, on s’intéresse à effectuer une analyse probabiliste pour des fondations d’éoliennes en mer avec prise en compte de la variabilité spatiale tridimensionnelle des propriétés du sol.

Ce projet a permis de montrer les limites des méthodes probabilistes conventionnelles (Monte Carlo, Krigeage) en termes de temps de calcul et de précision pour l’analyse des fondations d’éoliennes  impliquant une forte variabilité spatiale au niveau du sol. Un outil efficace a donc été développé dans le cadre du projet pour l’analyse probabiliste des fondations. Enfin, l’importance de la prise en compte de la variabilité spatiale 3D a été démontrée pour obtenir une réduction de la probabilité de défaillance des fondations offshore.

 

ANCRE-EMR – Modélisation numérique des ancrages offshore pour les structures flottantes, par Abdul-Kader EL HAJ de l’Université de Nantes

Les structures offshores de type flottant (éoliennes, houlomoteurs, hydroliennes,) sont généralement utilisées pour des profondeurs d’eau élevées dépassant la plage de profondeurs correspondant aux structures offshores fixes fondées sur le sol marin. Ces structures flottantes sont maintenues en place par l’intermédiaire d’un système d’ancrage constitué par un ensemble de câbles attachés à des ancres encastrées dans le fond marin. Il existe une grande variété de types d’ancres dont les avantages et les limites dépendent du type du système d’ancrage adopté et des conditions du sol marin. Les systèmes d’ancrage traditionnels (e.g. les pieux) requièrent une installation coûteuse. De plus les ancrages de type DEA (Drag Embedded Anchors) impliquent une incertitude concernant la profondeur de pénétration finale dans le sol et donc une incertitude sur la capacité portante de ces ancrages.

Le projet ANCRE_EMR a permis d’étudier l’installation dynamique et d’analyser les performances de deux types d’ancrages offshores pour une possible utilisation dans le cas de structures flottantes : les ancrages en forme de plaque installés dynamiquement (Dynamically Embedded Plate Anchors DEPLA) et les ancrages hélicoïdaux. Concernant l’ancrage hélicoïdal, et contrairement à l’approche classique par éléments finis, l’analyse CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian) s’est avérée intéressante pour le calcul de la capacité portante à l’arrachement et pour les simulations du processus d’installation de cet ancrage. Sous certaines conditions, la prise en compte du processus d’installation de l’ancrage hélicoïdal permet d’aboutir à une diminution de la capacité portante d’arrachement. Concernant le processus d’installation de l’ancrage DEPLA_1, les profondeurs de pénétration obtenues via simulations numériques sont comparables aux résultats expérimentaux, ce qui confirmerait l’intérêt de ce type d’ancrage pour des sols sableux.

 

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 REDENV-EOL – Réduction de l’emprise environnementale d’éolienne flottante avec des ancres hélicoîïales,  par Luc THOREL de l’Université Gustave Eiffel

L’emprise au sol de des lignes d’ancrage des éoliennes flottantes est un problème important pour l’acceptabilité globale de la technologie (e.g. navigabilité, pêche,…). De plus, les mouvements de l’éolienne sont transmis aux fondations sous forme de sollicitation non permanente de type « cyclique ». L’objet de ce projet est de mieux comprendre le fonctionnement sous charge répétée (traction) de certains ancrages innovant de type fondation profonde, notamment les ancrages hélicoïdaux, permettant une réduction de l’emprise au sol des lignes d’ancrage. Pour ce faire, une campagne ciblée d’expérimentations sur modèles physiques en centrifugeuse a été réalisée afin d’observer et de comprendre le comportement de ce type d’ancrages et d’établir une base de données expérimentale.

Une approche géotechnique jumelée a été menée dans le cadre du projet REDENV-EOL, avec d’une part une approche expérimentale sur centrifugeuse par l’Université Gustave Eiffel, et d’autre part une approche numérique par l’Université de Nantes, incluant notamment des premiers pas en calcul numérique par Couplage Eulérien-Lagrangien (CEL). De nouveaux systèmes ont été développés au niveau du dispositif expérimental pour le vissage et le battage des pieux en centrifugeuse. Les données expérimentales (pieu dans un sable sec ou saturé) sont consolidées dans une base de données dont les « data papers » seront accessibles prochainement en open source.

 

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DYNA – Analyse du comportement dynamique d’une éolienne offshore avec prise en compte de l’interaction sol-monopieu-structure, par Philip KOUKRY de l’Université de Nantes

Les monopieux constituent le mode de fondation le plus courant pour les éoliennes offshores. Ces monopieux supportent une structure en forme de tour surmontée d’un assemblage rotor-nacelle. La structure de tour est relativement flexible et doit résister à des efforts hydrodynamiques et aérodynamiques dus à la houle et au vent respectivement. Afin de réduire leur coût, les éoliennes doivent avoir un générateur puissant et un poids global minimal. Ceci a pour conséquence de rendre la structure de l’éolienne sensible aux chargements dynamiques même à faibles fréquences.

Le projet DYNA a permis de mener une analyse du comportement dynamique d’une éolienne offshore avec prise en compte de l’interaction sol-monopieu-structure. Sur la base des résultats numériques obtenus, les conclusions suivantes peuvent être tirées :

  • 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;
  • la simplification de l’ensemble rotor-nacelle par une masse localisée et l’utilisation d’une poutre à sections variables au lieu d’éléments de coque 3D fournissent une bonne estimation de la première fréquence propre;
  • la réponse dynamique de l’éolienne dépend fortement de la densité relative de sable, cependant la première fréquence naturelle est très peu affectée par la densité du sol;
  • la réduction des vibrations de l’éolienne en utilisant des systèmes d’amortissement passifs ou actifs (Tuned Mass Damper – TMD) semble prometteuse.

 

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