Dans notre pays, pour des raisons telles que le vieillissement des éoliennes, la fatigue due aux années passées dans les bâtiments et les erreurs de construction de plus en plus évidentes, des problèmes structurels apparaissent dans certaines structures d’éoliennes au fil du temps, empêchant l’exploitation et causant parfois même des problèmes de sécurité au travail.

Cet article fournit des informations générales sur le système structurel d’une turbine soumise à des charges dynamiques continues.

Le diagnostic et les suggestions de solutions sont également décrits en termes généraux dans les problèmes de base fréquemment rencontrés dans notre pays et à l’étranger. Notre article mentionne également un projet de renforcement conjoint fondation-tour appliqué avec succès dans notre pays.

Les éoliennes sont essentiellement des structures dotées de systèmes structurels simples. Dans ces structures, il y a plusieurs composants importants qui déterminent le système structurel et ses propriétés dynamiques. Il s’agit des fondations, de la structure de la tour et de la masse rassemblée au niveau de la nacelle. La répartition de la masse et de la rigidité le long du système structurel de l’éolienne est variable. Cela rend le comportement dynamique complexe, même si le système structurel lui-même est simple.

Quels sont les problèmes structurels courants et leurs solutions ?

Le système structurel de l’éolienne, qui se compose d’une fondation rigide, d’une tour élancée et d’une masse empilée au sommet, est non seulement simple, mais il possède également un système porteur qui n’a pas d’alternative dans la répartition des charges. L’un des éléments les plus importants de la conception structurelle est le paramètre appelé redistribution. La redistribution dans une structure signifie qu’en cas de faiblesse d’un élément de la structure, d’autres éléments commencent à supporter les charges qui ne peuvent pas être supportées en raison de cette faiblesse. Par exemple, la suppression d’un poteau ou d’une poutre dans un bâtiment en béton armé n’entraîne pas l’effondrement total de la structure. Toutefois, dans une situation similaire, le comportement des éoliennes est très différent. En effet, il n’y a pas de redistribution des charges structurelles dans les systèmes d’éoliennes. Par conséquent, les charges dynamiques de l’éolienne doivent être entièrement transférées à la fondation. La moindre faiblesse à ce niveau entraîne des problèmes structurels pour l’ensemble du système.

Il existe différentes solutions de jonction entre la tour et les fondations, appliquées par différents fabricants au cours de différentes années. Il n’existe donc pas de solution unique aux problèmes qui se posent dans cette section. La marche à suivre pour les structures de turbines qui ont des problèmes de stabilité ou de résistance, qui présentent diverses anomalies structurelles ou qui sont soupçonnées d’avoir des problèmes structurels, consiste à effectuer divers tests, y compris des mesures structurelles, à l’instar de la relation entre le patient, le médecin et l’hôpital. Ce n’est qu’ensuite que le comportement dynamique complexe peut être clarifié.

Les problèmes structurels les plus courants sur les turbines en Turquie sont liés aux fondations ou aux joints entre les fondations et la tour. Dans le cas des fondations, des questions telles que la construction en béton armé, l’emplacement et la disposition des armatures, les tolérances d’armature, la masse de béton sont au premier plan, tandis que dans le cas des problèmes de jonction entre les fondations et la tour, le problème de la séparation des fondations et de la tour dans le temps est au premier plan.

Les problèmes liés aux fondations sont généralement dus à la conception et à l’exécution des fondations. En Turquie notamment, en raison des distances et des problèmes d’accessibilité, il est fréquent que les problèmes de fondation ne soient pas visibles et qu’ils soient dissimulés par la suite dans le cadre de processus de fabrication rapides. S’ils sont diagnostiqués, ces problèmes peuvent souvent être résolus par des opérations telles que l’ajout d’éléments de renforcement à base de fibres de carbone ou de verre, l’injection de coulis, l’intégration de couches ou la réparation du béton. Parfois, la solution peut s’avérer très difficile, voire impossible.

Les joints de fondation des tours réduisent la rigidité de flexion de la tour au point de connexion de la tour à la fondation, et au lieu d’une connexion totalement rigide à cette jonction, cela crée un réducteur de rotation théorique (un ressort de rotation théorique) dont les propriétés ne peuvent pas être connues sans mesures. Cette situation provoque soit des vibrations excessives qui empêchent l’éolienne de tourner correctement à grande vitesse, soit des ruptures de câbles et de levage dans la fondation, soit des oscillations excessives au sommet de l’éolienne, provoquant une vibration structurelle en dehors de la bande de contrainte de vibration prévue dans les calculs de fatigue. Ce type de problèmes liés aux fondations de la tour peut parfois se manifester de manière très soudaine, et il arrive qu’ils ne puissent pas être détectés avant longtemps.

Afin de prendre des précautions structurelles au niveau des joints entre la tour et les fondations, il est d’abord nécessaire de déterminer la rigidité de flexion perdue. Parfois, une flexion permanente peut s’être produite dans la tour, ce qui doit également être pris en compte dans les calculs. La seule façon de transposer toutes ces situations dans des simulations informatiques précises est de mesurer la situation réelle sur le terrain à l’aide de capteurs. Ensuite, il faut renforcer la tour pour rétablir sa rigidité. Les difficultés les plus fondamentales de ce renforcement sont les suivantes.

  • Application rapide avec un minimum d’arrêt des turbines en fonctionnement
  • Construction d’un système basé sur la friction avec un processus de construction contrôlé, sans soudure sur le corps.
  • Détermination de la vitesse limite du vent en fonction de l’âge actuel et de la durée de vie restante de l’éolienne.

Après avoir pris tous ces éléments en considération pendant la phase de conception, le travail de renforcement peut être appliqué sous la forme d’un anneau de précontrainte au niveau du joint de la tour de fondation de l’éolienne.

Conclusion et évaluation

Il est normal que divers problèmes structurels apparaissent dans certaines des structures d’éoliennes construites au cours des processus d’investissement rapides de ces dernières années, ou que des défauts de conception et de fabrication déjà existants se fassent sentir plus clairement. Ces problèmes peuvent parfois progresser sans se révéler et provoquer des événements soudains et une perturbation de l’exploitation. Dans le cas où de tels problèmes se manifestent ou sont suspectés, la voie à suivre par l’opérateur est d’effectuer un examen de l’état structurel, comme dans de nombreux pays qui ont fait des progrès significatifs dans le domaine de l’énergie éolienne

Lorsque cet examen est effectué de manière appropriée, le problème est identifié par divers tests, comme dans la relation patient-médecin-hôpital. Ce n’est qu’ensuite qu’un traitement peut être recommandé. Bien que les interventions à base de décisions instantanées et de tâtonnements semblent parfois fonctionner, elles n’apportent pas de solution permanente à long terme. En Turquie, certaines turbines ont fait l’objet d’un contrôle structurel par capteurs, d’une réparation et d’un rééquipement par les auteurs de cet article. Une surveillance structurelle adéquate à l’aide de capteurs appropriés est le pilier le plus important de l’ensemble de ce processus. Ensuite, pour les problèmes de béton armé dans les fondations et les problèmes plus graves d’articulation des tours de fondation, des applications peuvent être faites à la lumière des principes de base présentés dans cet article ou avec des méthodes similaires. Dans les projets réalisés et mis en œuvre avec succès par les auteurs de cet article, les turbines dont le fonctionnement était préoccupant ou qui ne pouvaient fonctionner qu’à faible vitesse ont été renforcées pour produire la même vitesse de vent que les turbines normales non endommagées.  Avec des approches techniques appropriées, cela est souvent possible.

Mettre à jour les procédures d’inspection régulières pour les turbines qui ont moins de cinq ans, en particulier celles qui approchent ou dépassent les dix ans, et inclure des paramètres et des contrôles pour détecter les problèmes structurels. Les exploitants et les investisseurs peuvent être épargnés par des problèmes majeurs susceptibles de survenir ultérieurement. Les mesures effectuées à l’aide de capteurs supplémentaires sur des turbines dont on pense qu’elles présentent des problèmes fournissent également des données importantes. Elles contribuent à la détection et à la résolution des problèmes.