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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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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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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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