Procédé de terrassement d’une fondation pour éolienne terrestre

La présente invention concerne, notamment, un procédé de terrassement d’une fondation destinée à former un massif pour une éolienne terrestre.

Pour ériger sur le sol une éolienne, il convient au préalable de construire une fondation. On fixe ensuite le mât de l’éolienne sur cette fondation, on monte la nacelle et son rotor au sommet du mât, puis l’on monte le nez de pales ainsi que les pales sur le rotor.

Pour créer un terrassement pour la fondation d’une éolienne, il est connu de creuser une excavation globalement circulaire dans un sol relativement plat, de couler dans le fond du terrassement une couche de béton dite de propreté et qui constitue une séparation entre le sol et la fondation pour faciliter la pose de cales sur une surface lisse et sur lesquelles il convient de faire poser l'armature constitutive d'un ferraillage, attendre le durcissement du béton, assembler sur celui-ci un moyen d'ancrage, tel qu’une cage d’ancrage, qui va supporter le mât de l’éolienne et assurer la liaison et la transmission des charges entre le mât de l’éolienne et sa fondation, installer le ferraillage destiné à renforcer la structure monolithique de la fondation, faire un coffrage pour un volume de coulage de béton puis couler le béton dans le coffrage. Le fond circulaire de la fondation ainsi construite repose par toute sa surface sur le sol sous-jacent. A l’issue d’une durée de vingt huit jours, la fondation peut être utilisée. On installe, quand le moyen d’ancrage est une cage d’ancrage, une couronne métallique sur celle-ci, encore appelée pied de tour dans la profession et l’on monte ensuite le mât de l’éolienne sur la couronne métallique, puis on fixe le mât par boulonnage. On assemble ensuite la nacelle au sommet du mât et on monte les autres composants de l’éolienne.

Partant de ce constat, le demandeur a cherché à concevoir un mode opératoire pour réaliser un terrassement alternatif pour construire une fondation pour éolienne qui puisse être implantée sur un terrain de plus petite surface et qui puisse être plus économique, notamment, en volume de béton coulé.

A cet effet, est proposé un procédé de terrassement d’une fondation conçue pour former un massif pour une éolienne terrestre, comprenant une étape d’excavation dans le sol d’un renfoncement destiné à réceptionner, d'une part, un moyen d’ancrage qui va être utilisé pour lier le mât à la future fondation, et d'autre part, un coulage de béton pour former après durcissement ladite fondation ; selon l’invention, le procédé consiste :

- à creuser au niveau du centre du renfoncement, un décaissement,

- à déposer dans ce décaissement, un matériau compressible,

- à recouvrir ledit matériau d’une couche de béton et attendre son durcissement.

Un terrassement ainsi élaboré permet la construction d’une fondation pour une éolienne, notamment par un coulage de béton, et dont la partie centrale ne prend pas appui sur le sol ou prend un appui négligeable sur le sol. Il en résulte que la pression au sol est accrue et elle est délimitée sur une zone annulaire périphérique située autour de sa partie centrale. Cette répartition annulaire des charges permet à la fondation d’accepter une excentricité de charges plus importante. On peut dès lors réduire le diamètre de la fondation, réduire le volume de béton entrant dans sa fabrication. La résistance au soulèvement de la fondation, pendant le fonctionnement de féolienne, est préservée.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le procédé consiste à choisir comme matériau, une plaque ou plusieurs plaques, adjacentes et/ou superposées et fabriquée(s) en polystyrène expansé.

Ce type de plaque est disponible dans pratiquement tous les pays industriels.

Cette ou ses plaques s’affaissent sous la masse de la fondation, sans transférer la charge dans le sol sous-jacent.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le procédé consiste, avant l’étape de dépôt du matériau compressible dans le décaissement, à couler une couche de béton dans ledit décaissement.

Cette couche de béton constitue une séparation entre le sol et la fondation, et procure une surface plane, horizontale et lisse. Cette surface est utilisée avantageusement pour positionner les pieds d’un moyen d’ancrage.

Une fondation pour une éolienne terrestre, comprenant un bloc de béton délimité par une base cylindrique surmontée d’un tronc de cône et dont la petite base est située au-dessus de sa grande base, fabriquée selon le procédé décrit ci-avant, fait partie également de l’invention.

La fondation est destinée à être construite dans une excavation pour constituer un massif pour une éolienne terrestre, la base cylindrique étant délimitée par une paroi de fond ; selon l’invention, la paroi de fond comprend un disque central entouré d’un anneau plan et atteignant la périphérie de la fondation, disposés parallèlement l’un à l’autre, le disque étant disposé en surépaisseur de l’anneau.

La masse de la fondation, la masse et les charges de l’éolienne à l’issue de sa pose sur la fondation, exercent sur le sol une pression par l’intermédiaire de la partie de son fond en forme d’anneau.

Il en résulte que la pression au sol est accrue et elle est délimitée sur une zone annulaire périphérique située autour de sa partie centrale.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, la fondation inclut un moyen d’ancrage.

Le moyen d’ancrage, tel qu’une cage d’ancrage, inclus dans la fondation sert au montage et à la fixation du mât de l’éolienne.

Une éolienne terrestre comprenant un mât au sommet duquel est montée une nacelle et son rotor, fait aussi partie de l’invention. Le mât de l’éolienne est fixé sur une fondation telle que décrite ci-avant.

Pour une même taille d’éolienne, l’éolienne de l’invention peut être implantée sur un terrain de plus petite surface comparativement à l’implantation d’une éolienne conventionnelle.

Un terrassement destiné à réceptionner la construction d’une fondation pour former un massif pour une éolienne terrestre, comprenant une excavation dans le sol faite d’un renfoncement dimensionné pour réceptionner, d'une part, un moyen d’ancrage qui va être utilisé pour lier le mât à la future fondation, et d'autre part, un coulage de béton pour former après durcissement ladite fondation fait aussi partie de l’invention. Le terrassement comprend, au niveau du centre du renfoncement, un décaissement, un matériau compressible, disposé dans ledit décaissement, une couche de béton étant disposée à recouvrement par-dessus ledit matériau.

Un tel terrassement permet la construction d’une fondation pour une éolienne terrestre, notamment par un coulage de béton, et dont la partie centrale ne prend pas appui sur le sol ou prend un appui négligeable sur le sol. Il en résulte que la pression au sol est accrue et délimitée sur une zone annulaire périphérique située autour de sa partie centrale. Cette répartition annulaire des charges permet à la fondation d’accepter une excentricité de charges plus importante. On peut dès lors réduire le diamètre de la fondation, réduire le volume de béton entrant dans sa fabrication.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :

[Fig 1] représente une vue en coupe d’un terrassement pour une éolienne terrestre selon l’invention,

[Fig. 2] représente une vue en coupe d’une fondation pour une éolienne terrestre construite dans un terrassement pour une éolienne terrestre selon l'invention,

[Fig 3] représente une vue en coupe d’un terrassement pour une éolienne terrestre et dont le fond du terrassement est recouvert par une couche de béton selon l’invention,

[Fig 4] représente une vue en coupe d’un terrassement pour une éolienne terrestre et dont la partie centrale du fond est recouverte par une plaque fabriquée dans un matériau compressible selon l’invention,

[Fig 5] représente une vue en coupe d’un terrassement pour une éolienne terrestre et dont la plaque fabriquée dans un matériau compressible est recouverte par une couche de béton selon l’invention,

[Fig 6] représente une vue en coupe d’un terrassement pour une éolienne terrestre selon l’invention et dans lequel est déposée une cage d’ancrage destinée à supporter le mât d’une éolienne dans sa future fondation, un ferraillage de renforcement pour la future fondation selon l’invention et,

[Fig. 7 - Fig. 11] représentent des vues en coupe d’un terrassement à fond plat et les étapes de construction d’une fondation pour une éolienne terrestre sur ce terrassement plat selon l’invention.

Le terrassement T présenté sur la Fig. 1 est destiné à réceptionner une fondation pour une éolienne terrestre.

La fondation 100 présentée sur la Fig. 2 est construite pour former un massif pour une éolienne terrestre. Elle est destinée à être implantée sur le site d’érection de l’éolienne pour la soutenir pendant son montage et pendant son fonctionnement. Elle doit notamment supporter la masse importante de l’éolienne et résister aux contraintes qu’elle génère notamment pendant son démarrage, son fonctionnement et lors de son arrêt. Pendant le fonctionnement quasi permanent (QP) de féolienne (voir l'explication page 8), le soulèvement du massif doit obligatoirement être évité.

Sa géométrie est définie par la présence d’une base cylindrique Bc surmontée d’un tronc de cône Te et dont la petite base est située au-dessus de sa grande base. La base cylindrique Bc est définie par une paroi de fond qui est délimitée dans l’invention par un disque Q central à la fondation entouré par un anneau O plan et atteignant la périphérie de la fondation. Le disque Q et l’anneau O sont disposés parallèlement l’un à l’autre, le disque Q étant, sur cette Fig. 2, disposé en surépaisseur de l’anneau O, c'est-à-dire en étant situé plus bas que ledit anneau.

Des travaux d’excavation sont nécessaires avant de mettre en œuvre la construction de la fondation.

Les travaux de terrassement T consistent, en référence à la Fig. 1, à creuser dans un sol S relativement plat, un renfoncement Rf de section pratiquement circulaire, puis à creuser, dans ce renfoncement Rf et au niveau du centre de celui-ci, un décaissement De. On peut à cet effet utiliser une pelleteuse pour réaliser ce terrassement. Ce décaissement De présente préférentiellement une section pratiquement circulaire. Les deux fonds Fl et F2 du renfoncement Rf et du décaissement De sont plans et horizontaux. La hauteur de la profondeur du renfoncement Rf correspond pratiquement à la hauteur de la fondation. Le renfoncement Rf peut encore présenter, pour simplifier sa construction, une section polygonale définie par une multitude de facettes, en place de la section circulaire.

La hauteur de la profondeur du décaissement De est pratiquement comprise entre 50 cm et 1 mètre.

On coule ensuite, en référence à la Fig. 3, sur les deux fonds Fl et F2 du renfoncement Rf et du décaissement De, respectivement deux couches de béton, Btl et Bt2, dites de propreté, c'est-à-dire qui sont à même de constituer une séparation entre le sol S et la fondation, à procurer une surface plane, horizontale et lisse. L’épaisseur de chaque couche de béton Bt est de l’ordre de 10 cm. Les deux couches Btl et Bt2 sont disjointes du fait de leur situation sur deux niveaux différents. La dépose de la couche de béton Btl est une pratique usuelle utilisée dans la construction d’une fondation pour une éolienne.

Dans l’invention, l’on dépose dans le décaissement De et sur la couche de béton Bt2 préalablement durci, une couche d’un matériau compressible. Sur la Fig. 4, le matériau est une plaque Pq fabriquée en polystyrène expansé qui a été déposée sur la couche de béton Bt2. On peut utiliser plusieurs plaques jointives compte tenu du relatif grand diamètre du décaissement De. On peut encore utiliser plusieurs niveaux de plaques pour atteindre l’épaisseur requise. L’épaisseur de la plaque, des plaques ou des plaques superposées est comprise entre 10 et 30 cm avec une valeur préférentielle de l’ordre de 20 cm. Le polystyrène expansé (EPS) est conforme actuellement à la norme EN 13163 ou équivalente (par exemple, la norme ASTM C578), en respectant les critères suivants. La contrainte de compression avec 10 % de la déformation doit être comprise entre 100 KN/m ² et 120 KN/m ² pour une lourde fondation.

L’étape suivante consiste, en référence à la Fig. 5, à couler une troisième couche de béton Bt3 de propreté sur cette plaque Pq. On peut déposer un film plastique de séparation sur la plaque Pq (ou sur le matériau) avant de procéder au coulage du béton. Le niveau de cette couche Bt3 à sa périphérie est coplanaire avec le niveau de la première couche de béton Btl . L’épaisseur de cette troisième couche de béton Bt3 peut atteindre 40 cm sur son bord périphérique. Cette couche de béton est destinée, d'une part, à constituer une séparation entre la plaque Pq et la fondation et, d'autre part, à former une surface plane, horizontale et lisse pour recevoir un moyen d’ancrage, tel qu’une cage d’ancrage et une partie du ferraillage. Le moyen d’ancrage peut encore être formé, par une paroi cylindrique communément appelée virole d’ancrage, des câbles reliant le mât de l’éolienne avec sa fondation. Seul l’exemple de la cage d’ancrage est considéré dans cette description.

La partie centrale de cette troisième couche de béton Bt3 est creusée d’une réservation Rv formée, par exemple, à l’aide d’un coffrage, non représenté. La couche de béton Bt3 est alors définie par sa face supérieure, coplanaire à la face supérieure de la couche de béton Btl et une face plane formant son fond Fd et qui est disposée à un niveau inférieur.

A titre d’illustration, le diamètre du renfoncement Rf peut être compris entre pratiquement 18 et 28 mètres. Le diamètre du décaissement De peut être compris entre pratiquement 6 et 14 mètres.

Les préparations du terrassement T étant terminées, les étapes suivantes consistent à construire, dans le terrassement, la fondation pour l’éolienne.

- On pose au centre du terrassement T, en référence à la Fig. 6, une cage d’ancrage Cg qui va être utilisée comme embase pour lier le mât de l’éolienne avec sa fondation en lui transmettant les charges supportées par ledit mât. La cage d’ancrage Cg se compose d’une pluralité de boulons, de relativement grande longueur, disposés verticalement en cercle, dans la position d’utilisation de ladite cage d’ancrage, et qui sont réunis en partie basse par un anneau prenant place dans la réservation Rv. La cage d’ancrage Cg présente une géométrie en forme de cage cylindrique. L’anneau prend appui sur la seconde couche de béton Bt2, par l’intermédiaire de pieds P. Ceux-ci sont réglables pour servir à régler la verticalité de la cage d’ancrage Cg. La réservation Rv sert également à délimiter un volume pour l’enrobage de l’anneau et des extrémités basses des boulons et des armatures du ferraillage. La présence de la couche plane et horizontale de béton Bt3 facilite grandement la pose et le réglage en position de la cage d'ancrage Cg.

- On pose, à l’intérieur de la cage d’ancrage Cg et autour de la cage d’ancrage Cg et dans le volume défini pour la fondation, un ferraillage F fait d’une construction d’une armature métallique. La disposition de ce ferraillage très dense est conçue par un calcul manuel ou un calcul par ordinateur, pour conférer à la future fondation des caractéristiques mécaniques particulières, la rendant apte à supporter les charges qu’est amenée à subir une éolienne pendant sa durée de vie comprise actuellement entre 20 et 30 années.

- Des opérations annexes, telles que des passages de gaines pour le raccordement électrique de l’éolienne peuvent également être réalisées à ce stade.

- On procède ensuite à un coulage de béton B pour remplir les volumes de la base cylindrique et du tronc de cône de la future fondation. Pour mettre en œuvre ce coulage de béton, un coffrage Cfl peut être construit autour du volume de la base cylindrique de la future fondation. On attend la durée prescrite de vingt huit jours pour que la fondation ainsi créée puisse présenter la résistance mécanique requise.

- Pour finaliser la construction de la cage d’ancrage Cg, on peut faire, en référence à la Fig. 2, une reprise de bétonnage Rb sur la petite base du tronc de cône de la fondation. Pour mettre en œuvre ce coulage de béton B, un coffrage Cf2, visible sur la Fig. 6, peut être construit autour du volume de cette reprise de bétonnage Rb. On prévoit, sur la Fig. 2, un chenal périphérique au sommet de cette reprise de bétonnage Rb et qui est destiné à contenir, à l’issue du durcissement du béton, un mortier de scellement Ms et dans lequel est déposée une couronne métallique Cm qui va former la base du mât de l’éolienne. Celle-ci est déposée de sorte à ce que les boulons N constitutifs de la cage d’ancrage Cg puissent la traverser. Après séchage du mortier, la couronne métallique Cm est bridée dans le mortier Ms de scellement durci, par un serrage des écrous de mise en contrainte par traction des boulons. La cage d’ancrage Cg est pendant ce boulonnage des écrous mise en précontrainte par traction.

- On remblaie le pourtour de la fondation pour que seule la partie haute de la cage d’ancrage Cg demeure visible. On monte et on fixe ensuite le premier tronçon du mât de G éolienne sur cette cage d’ancrage, puis l’on érige le second tronçon et le cas échéant les autres tronçons. On notera que le mât peut être conçu en un seul tronçon. On monte ensuite la nacelle et son rotor au sommet du mât, puis l’on monte le nez de pales ainsi que les pales sur le rotor.

Dans l’invention, la masse de la fondation 100 ainsi que la masse et les charges auxquelles est soumise l’éolienne, exercent une pression sur le sol qui est répartie, non pas sous la forme d’un disque, mais sous la forme d’un anneau plan. En effet, la nature compressible de la plaque Pq ne transfère qu’une infime proportion de la charge sous le disque du sol situé sous le décaissement De. La pression annulaire exercée par la masse de la fondation 100 ainsi que la masse de l’éolienne supposée montée et avec une condition de vent nul, est indiquée par la pluralité de flèches P.

La pression exercée sur le sol S est plus grande que celle exercée par une fondation de même diamètre et dont la surface d’appui est un disque plein.

Comparaison de l’état limite de service (ELS-QP)

ELS est l’état limite de service.

QP est le cas de charge quasi permanente de féolienne.

Ainsi, avec le même diamètre D de la fondation et avec un diamètre d de surface non portante, il est possible d’obtenir une excentricité de charge plus importante pour une fondation annulaire. Il est alors possible de réduire le diamètre D de la fondation. Il en résulte :

- la possibilité de construire une fondation sur un terrain de plus petite surface,

- une réduction du volume d’excavation du sol nécessaire pour creuser le terrassement,

- une réduction significative du volume de béton, comprise entre 10 % à 18 %.

Dans une variante de réalisation présentée sur les Figs. 7 à 11, la fondation est construite sur un terrassement conventionnel, dépourvu de décaissement.

Sur la Fig. 7, le renfoncement Rf creusé dans le terrassement T présente un fond Fl plan et globalement circulaire.

Sur la Fig. 8, une couche de béton Btl a été coulée sur le fond Fl du renfoncement Rf.

Sur la Fig. 9, un matériau compressible, tel que notamment une ou des plaques Pq adjacentes et/ou superposées, fabriquées en polystyrène, a été déposé sur le béton Btl durci et au niveau du centre du fond Fl.

Sur la Fig. 10, une couche de béton Bt3 a été coulée sur le matériau compressible

Pq. A l’issue de son durcissement, un moyen d’ancrage et un ferraillage, tel qu’une cage d’ancrage, sont posés sur les deux couches de béton Btl et Bt3 et dans un mode opératoire semblable à celui qui a été décrit précédemment.

Sur la Fig. 11, du béton B a été coulé dans un coffrage pour former la fondation 100 et dans un mode opératoire semblable à celui qui a été décrit précédemment.

Le disque Q et l’anneau O sont disposés parallèlement l’un à l’autre, le disque Q étant, sur cette Fig. 11, disposé en renfoncement de l’anneau O, c'est-à-dire en étant situé plus haut que ledit anneau.