Brevet FR2837509A1 — publié le 20030926

- catégories,respectivement, A et A2 perpendiculaires l'un à l'autre. 1. Domaine technique La présente invention concerne la fondation de structures hautes et élancées (monopodes ou multipodes) et offrant une grande prise au vent, telles des pylônes ou des éoliennes, sur des massifs (ou semelles) solidarisés au sol par des ancrages actifs constitués de câbles ou de barres. Constituée d'un " mât " ou " fût " (1) de quelques dizaines de mètres de hauteur, surmonté d'un aérogénérateur muni de pales d'hélice de grandes dimensions lorsqu'il s'agit d'une éolienne, une telle structure est soumise à des sollicitations mécaniques importantes et irréqulières, en fonction de l'intensité et de l'orientation du vent, lequel tend à provoquer le renversement de ladite structure haute et élancée. Sa fondation sur ou dans le sol doit permettre de garantir la stabilité de l'équipement face à ces sollicitations. Il est de plus hautement souhaitable de disposer d'un procédé de réalisation des fondations qui permette de limiter l'impact des travaux sur l'environnement. 2. Etat de la technique antérieure et problèmes posés Actuellement il existe trois types de fondations, dont on peut par exemple trouver une description plus complète dans les cahiers des " Techniques de l'ingénieur, traité Construction " (cahier C 2 682 de Monsieur Gérard Philiponnat). Un premier type (figure 1) consiste à réaliser une fondation constituée d'un massif " poids " en béton armé (2). Dans ce type, le poids du béton et de ses éventuels remblais (3) associé à des dimensions en plan importantes, pouvant atteindre par exemple celles d'un carré de 15 mètres de côté pour une éolienne de 60 mètres de hauteur, assure la stabilité de l'équipement. Le poids de la structure elle-même est en effet presque toujours insuffisant pour contribuer à la stabilité de l'ensemble semellestructure. Dès lors, il peut parfois être nécessaire d'augmenter la quantité de béton à mettre en _uvre dans la semel le dans le seul but de conférer un poids suffisa nt à l 'ensemble. Ce type de fondation nécessite la réalisation de travaux de terrassement importants et la mise en _uvre d'une quantité de béton armé élevée, ce qui a pour effet d'entraner une agression du site d'installation de la structure d'une part, et de coûter cher d'autre part. En outre, dans le cas o le sol d'assise du massif ne présenterait pas des caractéristiques géo- mécaniques uniformes, il peut se prod uire, sous l 'effet des sol licitations auxq uelles est soumise la structure en service, des tassements différentiels préjudiciables au comportement de I'ouvrage. j_ - - 2 Un deuxième type de fondation (figure 2) consiste à réaliser un massif en béton armé similaire à celui qui vient d'être présenté, mais en l'ancrant plus profondément dans le sol (2). Il est ainsi possible de bénéficier d'un effet d'encastrement dans le sol qui vient compléter le pouvoir stabilisant du poids de la semelle. Cet effet d'encastrement est dû au fait que le sol exerce sur la partie haute de la paroi verticale de la semelle située en aval de la direction da ns laq uel le ag it la sollicitation (sollicitation d u vent par exemple) u ne pression directement opposée à la direction de la sollicitation, tandis qu'une contre- pression est exercée par le sol sur la partie basse de la paroi verticale de la semelle située en amont de la direction dans laquelle agit la sollicitation. Le couple résultant de I'action de cette pression et de cette contre-pression s'oppose au basculement de la semelle et de la structure qu'elle supporte, dès lors que les caractéristiques mécaniques du terrain d'une part, et la profondeur d'encastrement de la semelle d'autre part, sont suffisantes, ce qui permet de réduire d'autant plus la surface d'appui de la semelle que sa profondeur d'encastrement sera plus élevée. Là encore, la réalisation d'une telle semelle nécessite des travaux de terrassement importants, et de plus à une profondeur élevée, en même temps que la mise en place d'une grande quantité de béton armé, avec les mêmes inconvénients que précédemment. Un troisième type de fondation (figure 3) utilise la possibilité qu'on a de transmettre des efforts importants à un sol de bonne qualité grâce à des pieux ou des micropieux (4) scellés dans ce sol. Dans ce type de fondation, on réalise d'abord une série de pieux situés à une distance convenable de l'axe vertical de la structure haute et élancée, puis un massif (ou semelle) en béton armé (2) qui vient coiffer les pieux tout en leur étant solidement relié, et sur lequel on vient ensuite fixer la structure haute et élancée (1). Le moment de renversement qui s'exerce sur la structure haute et élancée est alors équilibré par une réaction de compression verticale ascendante exercée par les pieux qui se trouvent en aval de la direction dans laquelle agit la sollicitation, tandis que les pieux situés en amont de cette direction vont exercer un effort de traction, vertical et descendant. Une telle disposition permet de réduire notablement les dimensions en plan de la semelle, sans nécessiter en contrepartie une approfondissement excessif de celle ci. Elle présente cependant l'inconvénient d'une souplesse souvent excessive, car la mise en compression et en traction des pieux s'accompagne de l'allongement ou du raccourcissement de ceux-ci, ce qui provoque la rotation de la semelle par rapport à son plan d'appui et, du fait de l'élancement de la structure, un déplacement horizontal non négligeable de la tête de la structure. Le caractère alternatif des efforts auxquels est soumise la structure, en raison notamment de l'irréqularité de la direction et de l'intensité J J du vent, peut en outre entraner un phénomène de fatigue des pieux préjudiciable à leur tenue dans le temps. Ce problème peut être résolu par un surdimensionnement important des pieux permettant d 'augmenter la rig idité de la fondation, mais le surcoût induit par cette disposition annule en grande partie l'économie réalisée par la réduction des dimensions du massif en béton. 3. Exposé de l'invention L'objet de la présente invention est d'apporter une solution plus avantageuse que celles évoquées précédemment, c'est-à-dire permettant de réaliser une semelle en béton armé de dimensions réduites tout en restant suffisamment rigide pour ne pas entraner de mouvement important de la tête de la structure sous l'action de sollicitations telles que le vent, et ceci pour un coût avantageux, dès lors que l'implantation de la semelle peut se faire sur un sol de bonne qualité tel que du rocher ou un sol alluvionnaire très consolidé. Elle consiste (figure 4) à appliquer la technique de la précontrainte active en fixant au sol une semelle en béton armé de faibles dimensions (2) par des tirants d'ancrage constitués de barres ou de câbles (5) qui seront mis et maintenus durablement à un niveau de tension élevé. On applique ainsi à la semelle un effort vertical descendant permanent toujours supérieur à l'effort de décollement ou d'arrachement exercé par la structure (1) soumise à sollicitation. Cette précontrainte remplit donc vis-à-vis du risque de basculement le même rôle stabilisateur que le poids, sans cependant nocessiter la mise en _uvre d'importantes quantités de matières telles que le béton armé ou les remblais qui surmontent la semelle. De plus, il est alors possible d'augmenter,dans les limites que peut supporter le sol, I'effort vertical autant qu'on le souhaite, et ainsi de réduire concomitamment les dimensions de la semelle pour une même stabilité. Enfin, comme seule la valeur de l'effort de traction et d'ancrage exercé par les tirants tendus intervient dans le pouvoir de stabilisation, il est possible de les disposer de façon indifférente sur l'emprise de la semelle, pourvu que soit respectée une symétrie de la disposition autour de l'axe de la structure et de la semelle. En outre, la mise en tension des tirants entrane une compression du terrain situé entre le dessous de la semelle et l'extrémité des ancrages qui permet, notamment dans le cas d'un terrain fracturé, une consolidation -du sol et une amélioration de ses caractéristiques mécaniques. Le dimensionnement, la mise en _uvre et le contrôle des tirants d'ancrages se font dans le respect des " Recommandations TA 95 concernant la conception, le calcul, I'exécution et le contrôle des tirants d'ancrage " publiées par le Comité Français de la Mécanique des Sols et des Travaux de Fondations (éditions Eyrolles - 1995) . - 4 Ces tirants permanents bénéficient d'une protection contre la corrosion qui leur assure une durée de vie identique à celle de la semelle en béton armé. 4. Réalisation de l'invention La description qui suit permettra de mieux juger, sur un exemple (figure 5), la façon de réaliser l'invention, et d'apprécier ses avantages. Le cas proposé est celui d'une éolienne de hauteur 44 mètres à l'axe du moyeu de l'aérogénérateur (6), soumise à ce niveau à des vents d'une vitesse de 36 m/s (environ km/h). Le terrain d'assise est un sol marnocalcaire plus ou moins fracturé, pour lequel on a retenu comme caractéristiques macaniques une pression limite (pl) de 4 MégaPascals (MPa) et un module pressiométrique (Em) de 50 Mpa. Dans ces conditions, une fondation par massifs " poids " en béton armé telle que représentée à la figure 1 nécessiterait que ledit massif ait une surface d'appui d'environ m2 (soit par exemple une semelle circulaire d'environ 13 mètres de diamètre), et une masse de près de 400 tonnes. Le volume de terrassement est alors supérieur à 400 m3. Dans le cas o le massif en béton armé (2) est solidarisé au sol par des ancrages actifs (5), son assise peut être rébuite à environ 30 m2 (soit par exemple une semelle circulaire d'environ 6 mètres de diamètre), et sa masse à 130 tonnes. Le volume de terrassement est alors ramené à moins de 100 m3. L'ancrage du massif est quant à lui constitué de 4 tirants 15T15 (15 torons de 1 50mm2 de section chacun par tirant) tendus à 60% de leur limite élastique, conformément aux Recommandations TA95. Chaque ancrage a une longueur totale de mètres (8 mètres de longueur libre et 12 mètres de longueur scellée). La méthodologie de réalisation de la fondation ancrée est sommairement la suivante: - terrassement de la fouille; - bétonnage du massif, dans la semelle duquel sont réservés des passages pour le forage des ancrages; exécution des forages; - mise en place et scellement des tirants dans les forages, les tirants prenant appui sur la partie supérieure de la semelle par l'intermédiaire de leurs têtes d'ancrage; - mise en tension des ancrages aprés durcissement suffisant du produit de scellement); cachetage des têtes d'ancrage; - 5 - équipement d'au moins un tirant par massif d'une cellule de contrôle (conformément aux Recommandations TA95); - remblaiement de la fouille. L'ordre de certaines de ces opérations peut toutefois être modifié dans certains cas particuliers. Ainsi par exemple, si une incertitude demeure sur la qualité du sous-sol, le forage des ancrages peut être réalisé immédiatement après le terrassement de la fouille, et constitue ainsi une reconnaissance complémentaire des terrains en place, préalable aux travaux de construction du massif lui-même. Un autre problème qui peut se poser est celui des tassements différentiels qui pourraient se produire sous l'effet de la mise en tension des ancrages en cas de sol lépèrement compressible: de tels tassements engendreraient en effet un " basculement " du massif qui se répercuterait inévitablement sur l'implantation de la structure elle-même, avec un effet d'autant plus grand que sa hauteur serait importante. Afin de résoudre ce problème, on peut réaliser le massif en béton armé en deux phases: - une première phase, limitée à la partie basse du massif (semelle) est exécutée avant mise en _uvre des tirants; - lorsque ceux-ci ont été mis en tension et que les éventuels tassements se sont produits, on peut réaliser la seconde partie du massif (colonne) dans laquelle sont généralement inclus les dispositifs d'accrochage de la structure, en corrigeant les éventuels défauts d'implantation consécutifs à la déformation de la semelle. 5. Avantages de l'invention et application industrielle Ainsi, I'invention présentée, applicable à toutes les structures monopodes ou multipodes, telles que des pylônes ou des éoliennes, comporte de nombreux avantages: elle est économique, puisque les quantités de béton et de terrassement mises en jeu sont de 3 à 4 fois inférieures à celles d'une solution par massif " poids >; - elle est respectueuse de l'environnement: les fouilles étant réduites au minimum, I'impact des travaux sur le milieu environnant l'est tout autant; en outre, la rébuction des quantités permet de réduire les transports de matériaux, et donc les nuisances engendrées par le trafic routier généré par le chantier; - elle apporte des solutions techniques aux problèmes que peuvent poser les autres types de fondations, par massifs " poids " ou massifs fondés sur pieux ou micropleux: 35. consolidation du sol et amélioration de ses caractéristiques mécaniques; 6 suppression du risque de tassement différentiel sous la fondation lors de la mise en service de la structure; reconnaissance complémentaire du sous-sol lors de la réalisation des forages; 5. pas de phénomène de " fatigue " des ancrages; contrôle périodique de la tension des tirants. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour réaliser la fondation de structures monopodes ou multipodes telles que des pylônes ou des éoliennes, caractérisé par ce que cette fondation est constituée d'un massif solidarisé au sol par des ancrages actifs. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par ce que les ancrages actifs sont constitués de câbles à torons de type précontrainte ou de barres d'acier à haute limite