Application du toron en acier précontraint dans les cylindres des tours éoliennes

Le système de précontrainte est l'une des technologies clés des tours éoliennes hybrides. Il joue un rôle essentiel dans l'amélioration de la portance, de la résistance au vent et de la stabilité structurelle des cylindres de la tour. En disposant symétriquement des torons d'acier sur les parois cylindriques et en appliquant une précontrainte pour former un champ de contrainte précomprimé, il supprime efficacement les fissures et améliore la rigidité et la résistance à la flexion, constituant ainsi une mesure essentielle pour garantir la sécurité de fonctionnement du corps de la tour.

Les torons d'acier précontraints comptent parmi les principaux composants porteurs des tours éoliennes hybrides (appelées « tours hybrides »). Grâce à l'optimisation des contraintes appliquées aux structures en béton, ils s'adaptent à l'environnement de travail spécifique des tours éoliennes : charges élevées, déplacements importants et exposition prolongée à des charges alternées, améliorant ainsi considérablement la sécurité, la rentabilité et la durabilité des tours.

Les informations suivantes détaillent le contexte de l’application, les fonctions principales, les points forts techniques et les avantages :

I. Contexte de la demande :

Demande et défis des tours éoliennes hybrides. Les tours d'éoliennes doivent supporter la nacelle (y compris les générateurs) et les pales (dont le poids total atteint des centaines de tonnes), dépassant généralement 100 mètres (voire plus de 200 mètres) de hauteur. Elles doivent résister à des charges complexes :
> Charges statiques : Poids propre, poids de la nacelle, poids de la pale ;
>Charges dynamiques : Vibrations induites par le vent (impact et contraintes alternées sous vents forts), charges périodiques dues à la rotation des pales ;
Charges environnementales : tremblements de terre, variations de température, corrosion (en zones côtières/industrielles). Les tours traditionnelles en acier pur sont confrontées à des défis au-delà de 100 mètres : consommation d'acier élevée (coûteuse), rigidité insuffisante (soumise aux vibrations), maintenance anticorrosion difficile ; les tours conventionnelles en béton armé souffrent d'une faible résistance aux fissures (fissuration facile sous tension, entraînant la corrosion des barres d'armature) et d'un poids propre excessif (augmentation de la charge sur les fondations).
Par conséquent, les tours hybrides en béton précontraint (constituées de sections inférieures en béton avec des structures supérieures en acier ou en béton entièrement précontraint) sont devenues le choix privilégié, les torons en acier précontraint servant de support technique principal.

II. Fonctions principales des torons en acier précontraint

En pré-encastrant des torons en acier à haute résistance dans des segments de tour en béton et en appliquant une précontrainte au béton pendant la mise en tension, ces torons contrecarrent les contraintes de traction causées par des charges externes, réalisant les fonctions suivantes :
> Amélioration de la résistance aux fissures : La pression du vent et les vibrations provoquent des contraintes de traction circonférentielles et verticales dans les parois cylindriques en béton. La précontrainte des torons d'acier compense une partie de ces contraintes, maintenant ainsi la compression du béton à long terme pour éviter les fissures (qui entraînent la corrosion des barres d'armature et une réduction de la rigidité).
> Renforcement de la rigidité et de la stabilité : la précontrainte assure une répartition plus uniforme des contraintes dans le béton, réduisant ainsi la déformation (flexion, torsion), diminuant l'amplitude des vibrations de la tour sous des vents forts et empêchant la résonance avec les pales et les nacelles (ce qui aggrave la fatigue structurelle).
>Optimisation de la section transversale et réduction du poids propre : la précontrainte améliore la « capacité portante effective » du béton, permettant des dimensions de section transversale plus petites (en particulier dans les sections supérieures à diamètre variable), réduisant ainsi l'utilisation du béton et diminuant les coûts de fondation (représentant plus de 30 % des dépenses totales d'infrastructure).
Amélioration de la résistance à la fatigue : Les éoliennes subissent des charges alternées (les cycles de charge variant à chaque rotation des pales). Grâce à l'utilisation de matériaux à faible relaxation et à haute résistance à la fatigue, comme les torons d'acier de 1 860 MPa, les torons d'acier précontraints peuvent supporter des contraintes alternées prolongées et prévenir les fractures.

III. Spécifications techniques

1. Sélection du matériau Type de toron d'acier :
Principalement des torons d'acier haute résistance à faible relaxation de nuance 1860 MPa, avec une résistance à la traction ≥ 1860 MPa et un taux de relaxation ≤ 2,5 % (1000 heures) pour garantir une perte minimale de précontrainte à long terme. Protection anticorrosion : Protégé par des « revêtements non collés (graisse + gaine PE) » ou « coulis de ciment collé + additifs anticorrosion » pour résister aux environnements corrosifs tels que les zones humides et côtières.
2. Méthode de disposition basée sur les caractéristiques de charge de la tour,
les torons d'acier précontraints sont disposés selon des configurations circonférentielles et verticales :
Précontrainte circonférentielle : Répartie uniformément sur la circonférence de la tour (des dizaines par cercle) pour résister à la contrainte de traction circonférentielle induite par le vent (similaire à une « période de serrage »), nécessitant notamment un espacement plus dense au niveau des sections de grand diamètre (charge de vent maximale). Précontrainte verticale : Répartie verticalement sur la hauteur de la tour pour résister à la contrainte de flexion verticale due au poids propre et aux charges de la nacelle, avec une distribution optimisée au niveau des sections de transition de diamètre pour éviter la concentration des contraintes.
3. Techniques de construction Canaux pré-encastrés : Préinstaller des tubes ondulés (ou des tubes ondulés en plastique) avant le coulage du béton comme passages de torons d'acier, en s'assurant que la courbure du canal correspond à la section transversale de la tour. Contrôle de la tension : Une fois que la résistance du béton atteint la valeur de conception (généralement ≥ 85 %), utiliser des vérins pour synchroniser la tension des torons d'acier (double contrôle de la contrainte et de l'allongement) pour une distribution uniforme de la force. Ancrage et protection : Post-tension, fixation avec des dispositifs d'ancrage (de type bride ou de type tête de pilier) et remplissage des espaces des canaux avec du coulis haute pression pour prévenir la corrosion.
4. Assurance des performances Résistance à la fatigue : Les torons d'acier doivent subir 2 millions de cycles d'essais de chargement alterné (avec une amplitude de contrainte de 120 MPa) pour garantir la résistance à la rupture par fatigue sur une durée de vie supérieure à 20 ans. Contrôle de la perte de précontrainte : Grâce à des mesures telles que les torons d'acier à faible relaxation, la surtension (1,03 fois la contrainte de conception) et la tension différée (pour réduire la perte de fluage du béton), la perte totale de précontrainte est contrôlée à 15 %.

IV. Avantages de l'application

Français Par rapport aux structures en acier pur ou aux tours en béton conventionnelles, les principaux avantages des tours hybrides à torons d'acier précontraints sont les suivants : Coût inférieur : Pour les hauteurs de tour supérieures à 120 mètres, les sections en béton précontraint permettent d'économiser 30 à 50 % sur les coûts de matériaux par rapport aux structures en acier (les prix unitaires du béton sont nettement inférieurs à ceux de l'acier). Durabilité améliorée : Le revêtement en béton et le traitement anticorrosion prolongent la durée de vie des torons d'acier à plus de 25 ans, éliminant ainsi les entretiens fréquents (les structures en acier nécessitent une peinture régulière à des coûts élevés). Adaptabilité plus large : Peut supporter des tours plus hautes (160 mètres et plus), s'adapter aux régions à faible vent (les altitudes plus élevées offrent des vitesses de vent plus stables) et améliorer l'efficacité de la production d'électricité.

V. Études de cas Largement adoptées à l’échelle mondiale :

Par exemple, les projets éoliens terrestres en Allemagne et en Espagne (tours de 140 à 160 mètres de haut) et les zones à faible vent comme la Mongolie intérieure et le Gansu (utilisant des tours hybrides « section inférieure en béton + section supérieure en acier » de 120 mètres de haut) ont tous atteint un fonctionnement sûr et stable grâce à la technologie des torons en acier précontraint.
En conclusion, les torons en acier précontraint résolvent les problèmes fondamentaux de résistance à la fissuration, de rigidité, de fatigue et de coût des éoliennes hybrides en optimisant l'état de contrainte du béton. Ils constituent un support essentiel au développement de la technologie des éoliennes de grande hauteur. À l'avenir, avec l'expansion de l'énergie éolienne en haute altitude et dans les zones à faible vent, son application se développera.