Quand les vagues se joignent à la force du vent

Mesure de force dans un anneau de la structure

Le capteur de force S9M de HBM enregistre la charge  exercée par les vagues sur la structure des éoliennes offshore

Lorsque les vagues se brisent sur les éoliennes implantées en mer, des chocs se produisent sur les éléments constituant la structure supportant l’éolienne et peuvent arriver à les surcharger même en eau peu profonde. Pour améliorer les méthodes de calcul de dimensionnent d’une  structure de type treillis, également appelé jaket, des expériences de modélisation physiques ont été menées dans un très grand tunnel de vagues du centre Coastal Research Center (FZK) d’Hanovre, en Allemagne. Le capteur de force S9M de HBM a permis de délivrer des résultats décisifs.

Tests de chargement dans un des plus grands tunnels de vagues au monde

Vue de la structure dans le tunnel à vagues

Les coups de bélier particulièrement provoqués par des «vagues déferlantes» sont extrêmement critiques pour les structures. Il existe quelques modèles analytiques qui décrivent le chargement de vagues déferlantes sur différents poteaux ronds. Cependant, ce type d’approche ne peut pas s’appliquer entièrement aux structures en forme de treillis utilisées pour le maintien des éoliennes en pleine mer. Cela n'est pas très étonnant étant donné les différents niveaux de complexité de ces structures en ce qui concerne les propriétés  hydrodynamiques.

Pour améliorer les méthodes de calcul de dimensionnement d ces structures treillis de manière à supporter le chargement dû aux coups de bélier, des expériences de modélisation physique ont été menées dans le plus grand tunnel générateur de vagues de FZK. Ces modélisations rentrent dans le programme de recherche européen HYDRALAB IV. Les expériences ont été commissionnées par l'Université Norvégienne de Sciences et de Technologie (NTNU) de l'Université de Trondheim et Stavanger (UiS).

Mesurant 320 mètres de long, 5 mètres de large et 7 mètres de profondeur, cet immense canal d’eau générateur de vagues de FZK est parmi l’un des plus grands du monde. Pour une utilisation optimale de 800 kilowatts en sortie du générateur de vagues, l’échelle de 1/8 a été choisie pour le modèle de structure. Les vagues projetées sur la structure à cette échelle étaient à plus de deux mètres de hauteur. Des tubes en acier de 14 cm de diamètre composaient le treillis de cette structure. Les dimensions de la structure globale étaient de 2.4m x 2.4m x 4.9m.

Tous les chargements sont enregistrés métrologiquement

Pour enregistrer métrologiquement les phénomènes hydrauliques et les effets sur la structure de type treillis choisie, le tunnel de vagues et la structure elle-même ont été équipés d'un grand nombre de capteurs différents :

  • Capteurs de niveau de vagues et capteurs de débit ont permis de mesurer la fluctuation du niveau d’eau et les conditions d'écoulement sur le devant et à l’intérieur de la structure.
  • Des capteurs de force et des accéléromètres ont mesuré le comportement de la structure soumise aux assauts des vagues.
  • Un système vidéo synchronisé avec l'acquisition des mesures a fourni des informations visuelles détaillées sur la nature des vagues déferlantes et l'amplitude des vagues heurtant la structure.

Le plus grand défi : La mesure de force

Mesure de la force totale (au-dessus)
Mesure de la force totale (en dessous)

Les diverses mesures de force sur la structure représentaient un vrai défi. Une des tâches était de déterminer la répartition des charges sur certains tubes choisis du cadre. La seconde était de déterminer la force totale agissant sur les différents tubes et la force agissant sur la structure globale.

Comme les capteurs de force, destinés à mesurer la répartition des charges, étaient submergés par intermittence ou de manière permanente, les opérateurs ont choisi les capteurs de force HBM réf S9M en raison de leur très bon degré de protection IP 68. Dans les différents tubes instrumentés, construit avec aluminium robuste, quatre capteurs de force ont été placés. Le chargement perpendiculaire des vagues a été mesuré à 5 cm des anneaux du cadre attachés à chacun de ces capteurs de force. Les différentes mesures ont été prise en compte pour déterminer la répartition des charges sur un tube.

Capteur à deux composantes pour mesurer la force latérale

Quatre capteurs de force du même type ont été utilisés pour déterminer la force totale horizontale agissant sur la structure. Pour éviter des shunts de force, la structure entière du cadre a été attachée sur des fixations pendulaires articulées et les capteurs de force ont été adaptés sur les quatre appuis pendulaires selon la direction d'impact des vagues.

Des capteurs deux-composantes développés par HBM pour mesurer les forces ont été installés sur six tubes également choisis. Ces six tubes équipés chacun de deux capteurs ont été intégrés dans la structure-treillis. Une conception très compacte a dû être développée pour s’adapter au diamètre intérieur spécifique des tubes (14 cm) et aux forces importantes prévues (force latérale (évaluée) nominale de 20 kN). Pour éviter un chargement de flexion sur les capteurs de force, ceux-ci ont été montés sur la structure à l’aide de rotules spécifiquement développées pour cette application.

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