Comment améliorer la résistance au vent des tours de transmission d’énergie ?

Mécanismes de charge éolienne agissant sur les tours de lignes électriques

Les mécanismes de charge éolienne engendrent des contraintes critiques sur les tours de transport d'électricité, ce qui exige une compréhension précise pour concevoir efficacement une résistance au vent. Les interactions aérodynamiques génèrent des schémas de forces complexes — notamment sur les structures treillis à ossature ouverte — où l'écoulement turbulent, le détachement de tourbillons et l'amplification dynamique se combinent pour mettre à l'épreuve l'intégrité structurelle lors d'événements venteux intenses.

Séparation de l'écoulement turbulent et déséquilibre de pression autour des surfaces des tours treillis

Lorsque le vent passe à proximité des tours treillis, il crée des zones de turbulence et une répartition inégale de la pression à la surface. Ces différences de pression génèrent des forces de traînée importantes qui exercent une contrainte supplémentaire sur les joints structurels et les parties fines du châssis, phénomène particulièrement marqué lorsque l’écoulement d’air se retrouve piégé à l’intérieur de la structure interne de la tour. Lors de rafales intenses, on observe fréquemment des écarts de pression dépassant 30 % entre les faces opposées de la tour, ce qui accélère l’usure de ces points de connexion essentiels. Des recherches menées en soufflerie confirment ce phénomène : selon des résultats publiés en 2017 dans le Journal of Wind Engineering, ces déséquilibres de pression constituent l’une des principales causes des cycles répétés de contrainte subis par les structures de lignes aériennes treillis. Pour remédier à ce problème, les ingénieurs commencent par ajuster l’espacement entre les traverses. Cette modification de conception permet de perturber les motifs organisés de l’écoulement d’air et de réduire les différences de pression avant qu’elles ne se propagent à l’ensemble du châssis de la tour.

Effets de détachement tourbillonnaire, d’ombre aérodynamique et d’amplification dynamique

Lorsque le vent s'écoule autour des éléments d'une tour, il crée un phénomène appelé décollement tourbillonnaire, qui engendre des forces de portance et de traînée alternées (avant-arrière) sur les structures. Parfois, ces forces entrent en résonance avec les modes de vibration naturels de la structure, ce qui provoque des problèmes. Des éléments situés en amont, tels que d'autres tours à proximité ou même des caractéristiques du relief, projettent ce que les ingénieurs appellent des « ombres aérodynamiques ». Ces ombres perturbent les schémas de vent normaux et aggravent en réalité la turbulence dans certaines zones. La combinaison de tous ces facteurs peut considérablement amplifier la réponse structurale. Des essais sur site ont montré que, dans ces cas, les contraintes exercées sur les matériaux peuvent augmenter d’environ 40 %, selon des études citées dans le Manuel ASCE 74 de 2010. Lorsque le vent arrive sous un angle, ces effets d’ombre deviennent encore plus marqués. C’est pourquoi les ingénieurs doivent installer des systèmes d’amortissement, tels que des ailettes hélicoïdales enroulées autour des mâts ou des amortisseurs à masse accordée, comme ceux que l’on observe sur les immeubles de grande hauteur. Ces dispositifs contribuent à désorganiser les motifs tourbillonnaires avant qu’ils ne deviennent incontrôlables et ne provoquent des dommages par effet de chaîne.

Modes de défaillance critiques et vulnérabilités structurelles lors d’événements de vent fort

Flambement des assemblages et instabilité des éléments : leçons tirées du typhon Mangkhut (2018)

Les vents de 200 km/h provoqués par le typhon Mangkhut ont mis en évidence des faiblesses graves dans la manière dont les pylônes treillis sont assemblés, déclenchant une réaction en chaîne d’effondrements à travers le réseau électrique du Guangdong. Les forces du vent agissant hors-centre sur les joints boulonnés ont entraîné un flambement progressif des éléments structuraux inclinés, particulièrement visible aux jonctions des traverses, où les contraintes de flexion combinées aux efforts de compression ont dépassé la résistance des liaisons. L’analyse des dégâts a révélé qu’environ les trois quarts de tous les effondrements de pylônes lors du typhon Mangkhut étaient dus à ces problèmes de jonction, causant des dommages s’élevant à plus de 1,2 milliard de dollars, selon une étude publiée en 2022 par Chen et ses collègues. Ce qui distingue ce phénomène d’une simple défaillance de composant, c’est que les défauts de liaison se propagent rapidement à l’ensemble de la structure treillis. C’est pourquoi les nouvelles normes sectorielles, telles que la norme IEC 61400-24 de 2019, exigent désormais que les ingénieurs réalisent des analyses dynamiques non linéaires lors de la conception des jonctions destinées aux zones fréquemment touchées par des typhons.

Dégradation induite par la fatigue contre effondrement statique : pourquoi l’évaluation moderne des tours doit évoluer

La plupart des méthodes traditionnelles se concentrent sur les limites d’effondrement statique, tout en négligeant les dommages progressifs dus à la fatigue causés par l’exposition répétée au vent. Selon des études récentes, environ 60 % des défaillances liées au vent proviennent en réalité de microfissures qui se propagent aux points de concentration de contraintes, plutôt que d’événements de surcharge soudaine, comme le souligne le Rapport annuel 2023 sur la résilience de l’EPRI. Ce problème s’aggrave le long des côtes, car la corrosion par l’eau salée agit conjointement avec les cycles répétés de contrainte, réduisant d’environ moitié la durée pendant laquelle les matériaux peuvent résister à ces sollicitations. En conséquence de cette compréhension, de nombreuses entreprises électriques de premier plan ont commencé à adopter des approches d’évaluation fondées sur la tolérance aux dommages, plutôt que de se limiter à la simple vérification de la résistance. Elles remplacent ainsi les anciennes techniques d’inspection par des essais ultrasonores à réseau phased array avancés, capables de détecter des défauts cachés sous la surface avant que ces fissures n’atteignent une taille critique.

Stratégies de conception éprouvées pour améliorer la résistance au vent des tours

Améliorations aérodynamiques : optimisation de la géométrie des traverses et techniques de réduction de surface

Lorsque les ingénieurs modifient la forme des traverses, ils peuvent réduire la surface frontale exposée au vent et empêcher la formation de ces tourbillons gênants. Les chiffres confirment également cet effet : selon une étude du NREL publiée en 2023, les formes elliptiques réduisent effectivement les vibrations causées par l’air tourbillonnant d’environ 15 à 20 % par rapport aux conceptions traditionnelles à section carrée ou rectangulaire. Une autre astuce consiste à réduire la surface globale exposée au vent. Cela implique, dans la mesure du possible, de supprimer certains éléments structurels et de percer des trous dans les parties non porteuses. Ces modifications permettent de réduire la traînée d’environ 10 à 14 % tout en conservant intégralement la résistance et la stabilité de l’ensemble. Des modèles informatiques, appelés simulations CFD (dynamique des fluides computationnelle), vérifient que toutes ces améliorations fonctionnent correctement, même lorsque le vent souffle sous différents angles — de 0 degré (face à la structure) à 180 degrés (vent frontal direct). Pour les tours très hautes, dépassant cinquante mètres, situées dans des zones sujettes aux typhons, il est essentiel de maintenir le rapport de pleine surface inférieur à 0,3 en espaçant davantage les composants structurels. Cette approche fait une grande différence : elle contribue à réduire les oscillations indésirables, notamment lors de conditions météorologiques chaotiques où le vent souffle simultanément depuis plusieurs directions.

Renforcement structurel : améliorations des contreventements, rigidification des jonctions et intégration de l’amortissement

Lors du renforcement des structures contre les défaillances, les ingénieurs se concentrent sur les zones problématiques à l’aide de systèmes de contreventement triangulaires qui contribuent à répartir les forces du vent agissant latéralement. L’amélioration des tirants diagonaux peut accroître la rigidité latérale d’environ 25 à même 30 %. La configuration en « K » s’avère particulièrement efficace pour empêcher le flambement des membrures comprimées lorsqu’elles sont soumises à des rafales très fortes, conformément aux normes telles que l’IEC 61400-24 de 2019. Le raidissement des assemblages implique notamment l’ajout de plaques d’about, le serrage préalable des boulons à haute résistance avant montage et le renforcement des semelles de fixation. Cette approche réduit les problèmes de rotation et diminue d’environ quarante pour cent le risque d’apparition de fissures dues à la fatigue. Pour une protection supplémentaire contre les secousses provoquées par le vent, des méthodes d’amortissement complémentaires entrent en jeu, notamment les amortisseurs à masse accordée ou des dispositifs remplis de fluides visqueux capables d’absorber environ quinze à vingt-cinq pour cent de l’énergie cinétique générée par ces vibrations induites par le vent. Dans leur ensemble, ces différentes approches repoussent le seuil d’effondrement des structures au-delà de vitesses de vent de cinquante-cinq mètres par seconde. Des essais à grande échelle ont confirmé cette efficacité dans des conditions simulées de typhon, ce qui renforce la confiance des ingénieurs dans leurs conceptions.

FAQ

Qu'est-ce que le détachement de tourbillons ?

Le détachement de tourbillons se produit lorsque le vent passe au-dessus d'une structure, entraînant des zones alternées de basse pression qui provoquent un mouvement alterné, générant ainsi des forces de portance et de traînée sur la structure.

Comment l'ombrage aérodynamique peut-il affecter un pylône de ligne électrique ?

L'ombrage aérodynamique perturbe les régimes de vent normaux, intensifiant la turbulence et augmentant les contraintes subies par la structure du pylône, en particulier dans les zones situées à l'arrière d'obstacles tels que d'autres pylônes ou des éléments du relief.

Quelles sont quelques stratégies de conception permettant d'améliorer la résistance au vent des pylônes de ligne électrique ?

Les stratégies de conception comprennent l'optimisation de la géométrie des traverses, des techniques de réduction de surface, l'ajout de renforts supplémentaires, le raidissement des assemblages et l'intégration d'amortisseurs afin de répartir les efforts du vent et d'éviter les vulnérabilités structurelles.