pylone haubane1

8/9/2019 pylone haubane1

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Rev. Energ. Ren.: ICPWE (2003)125-130

Analyse des Contraintes Mcaniques Agissant sur un Pylne HaubandArognrateur et Technologies Mises en uvre pour son Installation F.Belhamel*, S. Moussa**, K. Benfarhat** et F. Kharchi***

*Laboratoire structure Centre National dEtudes et de Recherches

Intgres du Btiment (CNERIB), Souidania Alger-Algrie

** Laboratoire nergie olienne Centre de Dveloppement des Enrgies Renouvelables (CDER), Bouzarah Alger-Algrie

***Dpartement de Gnie Civil-Universit des Sciences et de la Technologie Houari Boumedine (USTHB), Bab Ezzouar- Alger-Algrie

Rsum Cet article prsente une analyse des contraintes mcaniques agissant sur des pylnes haubans darognrateurs depuissance et les technologies mises en uvre pour leur installation. Le pylne supportant la nacelle, le rotor et le cble

lectrique constitue llment important qui conditionne dans une trs large mesure la stabilit de linstallation dans sonensemble. Les haubans, destins assurer lquilibre du pylne, doivent tre judicieusement ancrs au sol ; le choix du type de

ces ancrages dpend essentiellement de la nature du sol, de sa capacit portante et des efforts qui agissent sur linstallation.Ltape importante relative linstallation de larognrateur doit prendre en considration les moindres dtails commelemprise au sol, les contraintes mcaniques et les prcautions lectriques (mise la terre, foudre, etc.) afin de bien sassurer de

sa fiabilit et de le garder en bon tat de fonctionnement tout au long de sa vie qui doit staler sur une dure dau moins 20ans.

Abstract This article presents an application of the rules of analysis and installation of the gued pylons ofaerogenerators of average power. The pylon supporting the nacelle, the rotor and the electric cable constitutes thesignificant element which conditions in a very broad measurement the stability of the installation as a whole. The

stays, intended to ensure the balance of the pylon, must be judiciously anchored on the ground; the choice of the typeof these anchorings depends primarily on the nature of the ground, its bearing capacity and the efforts which act on

the installation. The significant stage relating to the installation of the aerogenerator must take into account theleast details like the influence on the ground, the precautions mechanical and electric, in order to ensure itself well

of its reliability and to keep it in good operating condition throughout its life which must be spread out over oneduration of at least 20 years.

Mots cls : ArognrateurPylneHaubansStabilitAncrageVent extrmeInstallation. 1.INTRODUCTION

Pour assurer la russite dun projet dinstallation dun arognrateur de puissance, il est fortement recommand

de respecter rigoureusement les tapes chronologiques suivantes :

1.le choix appropri du site dinstallation ; 2.le choix du type de pylne ; 3.lanalyse et le calcul des multiplescontraintes agissant sur le pylne; 4.ltude et le dimensionnement de la fondation ; 5.lquilibrage judicieuxdes haubans ; 6.la rpartition rigoureuse des points dancrage au sol ; 7.ltude du montage et du dmontagerapides et aiss du pylne pour les exigences et la ncessit dun

entretien priodique et rgulier de larognrateur : opration de maintenance qui conditionne dans une trslarge mesure la dure de vie et les performances nergtiques de toute linstallation

2. CHOIX APPROPRIE DU SITE DINSTALLATION

Les performances nergtiques dun arognrateur dpendent dans une trs large mesure du gisement olien

du site sur lequel il sera install [1]. Les caractristiques principales de ce gisement olien sont donnes par la

rgularit et la vitesse du vent diffrentes altitudes. Ces caractristiques permettent de quantifier ce gisement

nergtique grce un travail danalyse et de traitement statistique des donnes sur une longue priode.

Lextrapolation en altitude de ces caractristiques est donne avec une approximation satisfaisante par des codes de

calculs spcialiss le plus souvent cals des valeurs mesures lors de campagnes effectues in situ [4, 5, 6].

Les vents les plus intressants sont des vents rguliers ayant une vitesse entre 6 10 m/s. La formule de base du

calcul de la puissance rcupre P du vent est donne par lexpression suivante [7] : P r= 0.5. CP. . S. v 3r

(1)CP tant le coefficient de performance; la masse volumique de lair; S la

surface perpendiculaire lcoulement du vent ; v la vitesse du vent.

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Cette puissance varie donc en fonction du cube de la vitesse du vent et signifie donc pour les

grandes puissances, un choix de sites fortement vents et des points trs levs par rapport au sol.

3. CHOIX DU PYLONE Parce que la vitesse du ventaugmente avec laltitude, larognrateur est mont sur un pylne : plus le

pylne est haut et plus grande sera la puissance rcupre [8]. Il existe donc plusieurs alternatives pour

le choix des pylnes [9, 10, 11].

3.1. Choix du type de pylne Les pylnes darognrateurs de puissance les plus utilissactuellement sont de deux types [2, 3] : 1.les pylnes en treillis (fig.1); 2.les pylnes tubulaireshaubans (fig.2). Actuellement les pylnes en treillis sont rejets pour leur encombrement, leur poids

excessif, linconvnient

de leur apparence visuelle et surtout leur difficult de mise en oeuvre. Les pylnes tubulaires haubans

prsentent par contre de nombreux avantages et la meilleure solution du fait surtout de leur facilit de

montage et dentretien ; on gagne galement grce une rduction significative en poids et donc en

cot de la structure portante. Notre choix sest port donc sur ce type de pylne qui a lavantage

indniable dtre aujourdhui largement adopt par de nombreux constructeurs darognrateurs [11,12, 13, 14, 15, 16] qui ont dvelopps encore davantage toutes les techniques et les technologies les

plus adaptes de sa mise en uvre.

Fig. 1: pylne en treillis

e.Cq.qs

e est un coefficient dexposition et de hauteur ; Cqs

r

PFig. 2: pylne hauban

3


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4. ANALYSE DES CONTRAINTES AGISSANT SUR LE PYLNE HAUBANE[11]

4.1. Bilan des forces agissant sur le pylne Lanalyse statique dun pylne hauban consiste identifier en priorit dabord lensemble des efforts

agissant sur celui-ci. Les ractions et les tensions dans les haubans peuvent tre calcules ensuite par la

Mthode des Elments Finis (MEF) ou toute autre mthode conduisant au mme degr de scurit. Le

bilan sera la rsultante des forces appliques suivantes (fig.3) :

1.la pression du vent extrme sur le pylne et les haubans (Combinaison dactions la plusdfavorable ou limite) ;

2.la pousse dveloppe par la turbine au sommet du pylne ; 3.le poids de la tour. Selon lerglement UBC 1997 (section 1613) et pour un vent extrme correspondant une exploitation

svre et pousse du pylne ; la pression du vent est dtermine par lquation suivante : P = C.l w (2)

C est un coefficient de pression pour la structure ou une partie de celle-ci ; q pression constante du

vent la hauteur de rfrence de 10 m environ. l w est le facteur dimportance.

La force dveloppe par la turbine est donne par la formule (1) : P = C..S.v

(3) v tant la vitesse du vent dans le cas limite (vent extrme).


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ICPWE: Analyse des contraintes mcaniques agissant sur un pylne hauban darognrateur 127

Fig. 3: bilan des forces statiques agissant sur le

pylne Fig. 4: point critique de

pylne hauban

4.2. Rsultats de lanalyse statique Lanalyse statique

dun pylne hauban consiste dterminer :1.Le coefficient de scurit pour les diffrents points critiques du pylne (point du momentmaximal, point de leffort axial maximal, etc.) ;

2.Les efforts de traction dans les haubans et les points dancrage ; 3.Les ractions au pointdencastrement du pylne ; 4. Vrification et compatibilit avec les recommandations decalcul du pylne (UBC de 1997 ou

autres rgles en

vigueur). 4.3. Pousse duvent sur les haubans

Le calcul de la pousse du vent sur les cbles est bas sur le mme principe que celui du calcul de

la pression du vent sur le pylne. Soit Fh et l h le diamtre et la longueur des haubans ; la projection de

lhauban servant au calcul de la pousse du vent est donne par la relation (4) :

Ah = Fh. l h (4) Ainsi la force

dveloppe par laction du vent sur les haubans est donne par la formule : F = Ahh.P O P est la

pression du vent dfinit dans lquation (2) et qui a t utilise pour le calcul du pylne. Gnralement

cette force est faible et peut tre nglig dans les calculs ultrieurement. 4.4. Points critiques dupylne hauban [11] Dans un pylne hauban, les points les plus critiques qui doivent tredimensionns avec scurit sont les points de moment maximum et de leffort normal maximum. La

fig.4 suivante montre que le point critique est le point le plus haut dattachement des haubans au

pylne. Des cas de pylnes mal dimensionns se sont plis et se sont fissurs cet endroit. Le

coefficient de scurit de cette section critique doit toujours tre vrifi. Celui-ci est donn par la

formule suivante :

CS sommet

= s acier / sflexion

(5) Pour

des

pylne

h

a

u

ba

ns darognrateurs, ce

coefficient de scurit est

dau moins 4. Le second

pointcritique est celui qui correspond


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maximal

rsultant de

la dcente de

charges. Ce

point est

situ la

base du pylne. La

fig.5 montre

ce point situ

la base du

pylne.

Fig. 5: point critique la base du

pylne

Le

coe

fficient

de

sc

urit

pour ce point situ la base doit

tre valu par application de la

formule (6) : CS base = s / s acier base+

s flexion base

(6)


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5. CONCEPTION ET VERIFICATION DE LA FONDATION

La fondation dun pylne peut tre de forme carre, rectangulaire ou circulaire. Cette forme est

gnralement la plus utilise car elle sadapte la forme du pylne et prsente une symtrie dans tous

les sens. Il faut toujours vrifier la capacit portante du sol sous leffet de la pression dveloppe par le

pylne au droit de la

fondation [11, 13, 17]. La pression sur le sol est la raction due au vent sur le pylne et le poids totalcumul sur la fondation.

Fb Fig. 6: conception de la fondation et pression sur le sol

Si W t dsigne le poids total agissant sur la fondation, on vrifier le pylne vis--vis de la capacit

portante du sol de fondation ; la relation utilise pour effectuer cette vrification est :

Pylne

Fondationhb

sol =

W t


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+

W

v

ent

/ (p .rb 2 ) = s admissible

(7)

6.ANCRAGE DESHAUBANS

Ta

bleau1

:

d

i

f

f

r

e

n

t

e

s

t

y

p

e

s

d

e supports possibles [11] Type de support Ancragerecommand

Sable De bton Gravier De bton Argile Type Duckbill Sol

rocailleux Type Duckbill Sol graveleux Type Duckbill ou

Auguer Roche tendre Boulon long expansion Roche dure

Boulon court expansion


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W

=

W

t

b

ton

s

6.1. Configuration des pointsdancrage La configuration des

points dancrage est telle quelle

permet dassurer un quilibre

statique du pylne quireprsente le facteur essentiel de

conception dune olienne. La

force de traction exerce et

dtermine par lanalyse prcdente

doit tre telle que leffort repris par

chaque hauban soit admissible ;

c'est--dire que la contrainte

engendre dans le brin de lhauban

soit infrieure la contrainte ultime

du cble de lhaubanage. Tout

dsquilibre du pylne peut causer

des dgts humains et matriels

important. Selon la hauteur du

pylne, on peut tre amen

utiliser 2,4,6,8 etc. dont les points

dancrage sont rpartis sur un

cercle dune faon quidistante.

6.2 Ralisation des pointsdancrage

Il existe quatre types dancrage

utiliss pour assurer la fixation des

haubans assurant lquilibre du

pylne ; le type choisit est fonction

du support destin recevoir le

pylne. Le tableau 1 suivantmontre les diffrentes alternatives

possibles.


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ICPWE: Analyse des contraintes mcaniques agissant sur un pylne hauban darognrateur 129

Les figures 7a et 7b illustrent schmatiquement ces types dancrage largement usits:

7

a7b

7 c 7 d Fig.7: les diffrents types dancrages rencontrs


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dun arognrateur avec une flche de

levage. Avant de soulever le pylne, il

faut sassurer que tous les colliers sont

serrs judicieusement ainsi que tous

les boulons sur les diffrents crochets

des cbles de haubanage. La fig.8 et lafig.9 illustrent clairement le procd

de manutention du pylne ainsi que le

dtail dun crochet de cble hauban.


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Fig. 8: procd schmatique simplifi de levage du pylne

REFERENCES

[1] L. Soder and T. Ackerman, Wind Energy Technology and Current Status:a Reviews,

Renewable and sustainable energy reviews; vol.4:315-374, 2000[2] F. Belhamel, Etude et dimensionnement des structures portantes darognrateurs Rapport interne N1-

Laboratoire dnergie olienne CDER - 2002


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F. Belhamel et al.130

Fig. 9: dtail dun crochet de cble hauban

[3] F. Belhamel, Analyse des contraintes agissant sur un pylne hauban darognrateur de puissance ettechniques mise en uvre pour son installation , Rapport interne N2 Laboratoire de lnergie olienne CDER

2003[4] L.Hamane et A.Khellaf, Evaluation des Ressources Energtiques Eolienne de lAlgrie CHEMS2000, Alger

2000 Algrie[5] R.Hamouche, Atlas vent de lAlgrie Office National de la Mtorologie , Dar el Bida - 1990 Alger [6]

N.Kasbadji Merzouk et L.Hamane, Atlas Vent, Limites et Mthodes dinterpolation : Application au nord est delAlgrie AlSIG 99, Alger 1999 [7] N.Kasbadji Merzouk, Wind Energy Potentiel of Algeria ,

Inter.J.Renewable Energy, vol. 21/3-4. pp553-562-(2000) [8]A.S. Mikhaeil et C.G. Justus, Comparison of heightExtrapolation Models and Sensitivity Analysis, Wind Engineering,

vol.5.N2 1981, pp91-106 [9] A.S. Mikhaeil, Height Extrapolation of Wind Data Journal of Solar EnergyEngineering vol.107, feb.1985 pp.10-14 [10] A. Mullane, G. Lightbody and R.Yacamini, Adaptive Control ofVariable Speed Wind Turbines, Rev. Energ. Ren:

Power Engineering (2001)101-110 [11] Southwest Windpower, Inc. site: http://www.windenergy.com ,Report # 00003-Tower Analysis 2-13-01- 1 ADEril 2000 [12] Site de Vestas (Constructeur darognrateurs):http:// www.vestas.com [13] Site de lAssociation Wind Power de lindustrie Danoise :

http://www.windpower.org [14] Site de US Department of Energy Wind Programs: http://www.eren.doe.gov [15]American Wind Energy Association www.awea.org/ [16] European Wind Energy Associationhttp://www.ewea.org/ [17] Guide tour on wind energy http://www.windpower.dk/tour/index.htm

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