Brevet FR2477198A1 — publié le 19810904

L'invention concerne un dispositif pour l'ancrage dans une fondation de structures autoporteuses de grande hauteur telles que des mats, des tours ou analogues. De telles structures de grande hauteur peuvent être ancrées dans une fondation de différentes façons. Il est possible d'encastrer ces structures de grande hauteur dans la fondation de façon fixe. on a toutefois cons- taté, par exemple pour les mats de grande hauteur tels qu'ils sont utilisés dans les centrales éoliennes, des détériorations de la fondation déjà après peu de temps de fonctionnement, dues aux charges dynamiques. Dans ce cas, les charges dynami- ques proviennent par exemple de la force des vents ou de vi- brations transmises par l'hélice à l'installation. Par ailleurs, on peut également haubaner de telles structures à l'aide de câbles; il en résulte toutefois des problèmes avec les câbles, les têtes de câbles, les articula- tions et les fondations pour l'ancrage des câbles. En outre, le haubanage prend beaucoup de place de sorte que, dans les centrales éoliennes mentionnées, il peut survenir des problèmes d'accessibilité et d'interférence avec le rotor. La tension élevée des câbles doit en outre être également encaissée par la fondation de la structure de grande hauteur de sorte qu'il en résulte des forces normales supplémentaires provoquées par les composantes verticales des forces de traction des câbles. Il est connu d'après la demande de brevet allemand DE-OS 24 50 064 de monter élastiquement dans une fondation par exemple des parcmètres, des plaques indicatrices de rues ou de direction, des mats d'éclairage de rues, des mâts porte-drapeaux ou des poteaux de clôture. Par rapport à un montage fixe, un tel montage élastique présente l'avantage que la structure ne peut pas se rompre aussi facilement. Selon la solution connue, le poteau ou le mât est introduit dans un forage tubulaire de la fondation; sur le bord supérieur de ce forage, on place un manchon en matière élastique ancré dans la fondation dans lequel on introduit par pression entre le manchon et le mât une gaine entourant le poteau ou le mât. Le manchon est ici comprimé d'environ 30 % de son volume; l'agencement constitué par le manchon et la gaine reste toutefois encore élastique dans certaines limites. Dans cette publication, rien n'est dit par ailleurs sur le logement du poteau ou du mât. En ce qui concerne les structures de grande hauteur autoporteuses dont il est question ici, on entend par exemple les mâts des centrales éoliennes. Dans les projets actuels, ces mâts atteignent des hauteurs supérieures à 100 mètres et portent au sommet du mât un rotor qui est actionné par le vent et est couplé à un générateur. Les forces agissant sur de telles structures proviennent, pour une part, du vent qui agit sur le mât et le rotor d'o il résulte des charges de pliage et de flexion sur le mât; il se produit en outre des forces dynamiques qui proviennent également du vent, mais également de la transmission des oscillations ou vibrations du rotor au mât. Ces forces peuvent à leur tour provoquer des vibrations du mât qui correspondent, soit aux vibrations propres du mât, soit à une interférence de ces vibrations avec d'autres vibrations du système: Si l'on songe que le sommet du mât d'une telle centrale éolienne effectue des mouvements pendulaires de plusieurs mètres pour les forces d'attaque correspondantes, il est bien évident que le logement du mât a une importance considérable. Le but de l'invention est de fournir un logement de construction simple pour une structure autopDrteuse sans haubanage, permettant de maltriser les forces agissant sur la structure dans le sens de la hauteur et dans le sens transver- sal. Ce but est atteint conformément à l'invention par le fait que dans la fondation, la structure est soutenue à son extrémité inférieure dans un logement articulé et qu'au-dessus de celui-ci, elle est encastrée élastiquement. Cette combinaison selon l'invention d'un palier pivotant de soutien et d'un encastrement élastique présente plusieurs avantages. Contrairement à un haubanage de la structure, le palier pivotant inférieur n'a à encaisser comme composante verticale que le poids propre de l'installation. Le logement articulé permet, en liaison avec l'encastrement élastique, à la structure d'osciller d'un seul tenant autour du palier de pied. Si l'extrémité inférieure de la structure était encastrée fixement, il en résulterait, lors des flexions de la partie située entre la fixation élastique et la fixation inférieure fixe, des charges élevées qui provoquent souvent des détério- rations de la structure et/ou de la fondation. On peut choisir l'encastrement élastique de la structure dans la fondation au-dessus du palier pivotant de façon à éviter les vibrations dangereuses de la structure, ou à les réduire à des valeurs acceptables. on peut influencer les caractéristiques des vibrations de la structure par le choix des caractéristiques élastiques ou d'amportissement des fixations et par le choix de la disposition de la fixation sur le mât, c'est-à-dire par la distance entre le palier pivotant et l'encastrement élastique. Ainsi, par le choix appropiré des paramètres précités, on peut influencer les vibrations propres de la structure de façon qu'elles se trouvent en-dessous des vibrations apparaissant de toutes façons dans le système, par exemple pour la centrale éolienne mentionnée, en-dessous de la fréquence du rotor. Avec d'autres construc- tions, par exemple des structures montées fixes et même avec des structures fixées par haubans, il n'est pratiquement pas possible d'obtenir de façon économiquement acceptable ce com- portement surcritique du système. Avec l'encastrement selon l'invention et en utilisant la souplesse en flexion de la structure non encastrée, on peut réduire les fréquences propres par des moyens simples. La construction du palier pivotant peut être de type usuel; il faut toutefois être sûr que le poids de l'installa- tion est supporté de telle sorte que le mouvement de pivotement acceptable soit assuré, dans les limites de tolérances définies, pendant la durée de vie prévue pour l'installation. Comme encastrement élastique, on peut utiliser par exemple des encastrements en élastomère, ou des dispositifs hydrauliques, pneumatiques et mécaniques, ou des combinaisons de ceux-ci. Outre les spécifications précitées concernant le soutien et les caractéristiques d'élasticité et d'amortissement, les paliers et la structure doivent être assurés contre tous mouvements radiaux et axiaux. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seule- ment, de plusieurs formes de réalisation représentées schémati- quement sur le dessin, sur lequel: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un mât monté conformément à l'invention pour une centrale éolienne, comportant un palier pivotant au pied du mât et une fixation 2 477198 élastique. - la figure 2 est une coupe longitudinale d'une fixation élastique du mât dans une deuxième forme de réalisation; et, - la figure 3 est une coupe longitudinale d'un palier pivotant selon une autre forme de réalisation de l'invention. La figure i représente une éolienne 1 qui comporte un mât 2, ainsi qu'un rotor 3 monté au sommet de celui-ci. Le mât 2 est tenu dans une fondation 5 dans le sol 4. La fondation a une section transversale annulaire et est réali- sée en béton armé. Dans cet exemple de réalisation, le mât 2 comporte à son extrémité inférieure une rotule 6 qui pénètre dans une cuvette 7 d'une plaque d'appui 8 ménagée au fond de la fondation 5. La rotule et la cuvette, ou la plaque d'appui constituent ensemble un palier pivotant 10 pour le mât 2. On peut encore placer sur la plaque d'appui 8 une plaque de blocage 9 qui empêche que la rotule puisse sortir de la plaque d'appui. Sur le bord supérieur de la fondation est placée, entre la paroi intérieure de celle-ci et le mat, un encastre- ment élastique ll qui est bloqué dans la fondation 5. Un tel encastrement élastique est constitué par exemple, comme indiqué sur la figure 1, par plusieurs éléments amortisseurs élastiques 12 disposés l'un au-dessus de l'autre. Dans les cas les plus simples, ces éléments peuvent être des anneaux de caoutchouc placés l'un au-dessus de l'autre et ancrés dans la fondation; ceci ne convient toutefois que pour des structures relativement légères; pour des structures lourdes le frottement interne élevé dans de tels encastrements élastiques produirait de grandes quantités de chaleur qui s'accumulerait dans la matière du support. Ici d'autres constructions sont nécessaires telles que par exemple représentées sur la figure 2. La figure 2 représente une coupe longitudinale d'un palier en élastomètre l1'. Sur la paroi de la fondation est fixé un support annulaire 13 constitué par un profilé en U; entre la nervure supérieure et la nervure inférieure du profilé en U sont empilés alternativement des anneaux en élastomère 14 et des lamelles de soutien et de refroidissement 15; dans le cas présent, on prévoit huit anneaux en élastomère 14 et six lamelles de soutien et de refroidissement 15. De son côté, le mât est entouré dans la zone des anneaux en élastomère par un manchon 16 d'o part radialement un anneau de soutien 17. Celui-ci pénètre entre le quatrième et le cinquième anneau en élastomère 14 et y est fixé de façon appropriée. Ce palier de poussée en élastomère encaisse bien les forces de bascule- ment et de poussée qui se produisent, tandis que la chaleur accumulée s'évacue par les lamelles de refroidissement 15. Les lamelles de refroidissement peuvent être parcourues, par exemple, par un liquide de refroidissement, ou bien elles sont reliées de façon appropriée à un corps évacuant la chaleur, non représenté. Outre les paliers en élastomère, on peut envisager pour l'encastrement élastique du mât d'autres constructions, par exemple constituées par des éléments mécaniques ou hydropneumatiques, ou des combinaisons de ceux-ci, ou par des élastomères. Indépendamment de sa construction, l'encastrement élastique 11 est réalisé de telle sorte que le mât peut se déplacer radialement de tous côtés, mais que l'encastrement élastique oppose une force antagoniste à ce mouvement et que les oscillations qui se produisent sont amorties. La figure 3 représente un palier de pivotement 10 en élastomère qui comporte plusieurs anneaux de soutien en élas- tomère 18 empilés les uns sur les autres alternant avec des anneaux métalliques 19 qui, de leur côté s'appuient dans un siège 20. Comme pour l'encastrement élastique 11 déjà décrit, les anneaux métalliques servent également d'anneaux de soutien ou d'anneaux de refroidissement. Le pied du mit repose sur l'empilage d'appui institué par les anneaux de soutien en élastomère 18 et les anneaux métalliques 19. Pour régler la position du mât, on utilise des coins de montage et de réglage 21 qui sont disposés entre l'empilage d'appui et le siège d'appui. En plus de l'encastrement élastique, on peut, grâce à ce montage, agir de façon positive sur les fréquences propres de la structure. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la fondation se termine au niveau de la surface du sol 4 et le mât 2 est encastré élastiquement sur le côté supérieur de la fondation. Cet encastrement n'est toutefois donné qu'à titre d'exemple; il est tout à fait possible d'effectuer l'encas- trement au-dessus de la surface du sol. L'endroit de l'encas- trement du mât, et de ce fait la distance entre l'appui de pivotement inférieur et l'encastrement, ainsi que la caracté- ristique de l'appui, sont réglés de telle sorte que les fréquences des vibrations propres du mât soient abaissées le plus possible et que les amplitudes correspondantes soient le plus possible amorties. Dans les installations qui fonctionnent de façon surcritique, on doit choisir l'encastrement du mât de telle sorte que les vibrations propres du mât se trouvent en- dessous de la fréquence d'excitation principale. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'ancrage dans une fondation de structures autoporteuses de grande hauteur telles que des mâts, des tours ou analogues, caractérisé en ce que la struc- ture (2) est soutenue dans la fondation (5) avec son extrémi- té inférieure dans un support flexible (10) et qu'elle est encastrée élastiquement (en 11) au-dessus de celui-ci. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'encastrement élastique comporte au moins un élé- ment ayant une caractéristique de ressort amortisseur (12, 14) placé entre la fondation (5) et le mât (2>. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la caractéristique de ressort amortisseur de l'encastrement élastique et la distance entre l'appui pivotant (10) et l'encastrement élastique (11) sont réglés par rapport à l'autre pour influencer, notamment pour abaisser la fréquence propre de la structure (2). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'encastrement élastique est réalisé sous forme d'appui de poussée en élastomère (11') cons- titué d'anneaux en élastomère 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'encastrement élastique (11') comporte des moyens de refroidissement (15) pour rendre inoffen- sives les contraintes thermiques apparaissant lors du mouvement de la structure (2). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'appui pivotant à l'extrémité inférieure de la structure (2) est réalisé sous forme d'appui en élastomère (10') constitué de plusieurs anneaux de soutien en élastomère (18) empilés les uns sur les autres. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'appui pivotant en élastomère (10') comporte des moyens de refroidissement (19) pour minimiser les effets des contraintes thermiques apparaissant lors du mouvement de la structure (2).