Programme

POSITIONNEMENT

Les fondations en béton, dont la construction et l’installation remontent au début du XX^ème siècle, sont le plus souvent inaccessibles et les dimensions et caractéristiques des fondations en béton ne sont pas toujours connues. Le vieillissement du béton et le développement de pathologies (qui peuvent se déclencher après plusieurs années et durer plusieurs centaines d’années) peuvent entraîner des problèmes de stabilité mécanique en cas de séisme ou d’actions climatiques extrêmes (tempête, sécheresse, inondation, canicule). Les 26, 27 et 28 décembre 1999, deux tempêtes exceptionnelles ont balayé la France. Près de 1 000 pylônes électriques ont été détruits ou gravement endommagés, 8 000 km de lignes ont été indisponibles et trois millions et demi de foyers ont été privés d’électricité (RTE, 1999).

Plusieurs études internationales imputent aux problèmes de qualité et de durabilité du béton les problèmes de stabilité des pylônes à haute tension ou aux inondations exceptionnelles (e.g. West, 1996; Oyetola and Oritola, 2007 ; Luo et al., 2020). Il apparaît donc urgent de développer de nouvelles technologies pour inspecter les fondations en béton et les sols, de développer des modèles pertinents alimentés par des mesures in-situ pour prédire le comportement ultime des pylônes en cas d’événements climatiques extrêmes, malheureusement de plus en plus fréquents. En Norvège, près de 40% des coupures de courant sont liées à des événements météorologiques entraînant des coûts de 90 millions d’euros par an (Kjølle, et al. 2003). Près de la moitié des accidents sont associés à des problèmes structurels (Doukas et al., 2011). L’émission de France TV « L’envers du béton » nous a rappelé la confiance aveugle et illusoire dans le béton, un matériau qui était censé être éternel au début de la construction en béton.

OBJECTIFS

À partir des travaux de recherche, l’objectif industriel est d’élaborer une stratégie de gestion des actifs des liaisons aériennes adossée à des outils d’aide à la décision pour gérer les fondations en béton des pylônes du réseau électrique, en tenant compte de leur état et des effets de l’environnement (sol et climat, en particulier en lien avec la recrudescence d’évènements climatiques majeurs). En adoptant une stratégie de maintenance pertinente, différentes études ont montré que les dépenses de maintenance pourraient être réduites jusqu’à 20%.

La chaire HEAT COFFEE offre l’opportunité à RTE d’approfondir les mécanismes d’endommagement des fondations en béton, qui pour certaines datent du début du XXème siècle, et ainsi de guider la stratégie de gestion des actifs des liaisons aériennes en apportant des critères objectifs aux décisions de renouveler, réhabiliter ou prolonger les fondations. Un plan de maintenance adéquat permettrait également d’éviter l’épuisement des ressources naturelles (énergie fossile/nucléaire et matériaux de construction), l’émission de gaz à effet de serre liés à la production d’acier et de béton et de réduire la vulnérabilité de RTE au regard de l’approvisionnement de ces composants.

DÉMARCHE SCIENTIFIQUE

Le projet recouvre à la fois des aspects expérimentaux et théoriques multidisciplinaire. Pour développer des méthodes à même d’évaluer l’intégrité de ces fondations, le projet « HEAT COFFEE » s’appuie sur des compétences en mécanique, en Génie Civil, en mathématiques appliquées et intelligence artificielle (IA), et en instrumentation et traitement du signal dans trois laboratoires en sciences pour l’ingénieur de l’ENS Paris-Saclay : le LMPS (mécanique et Génie Civil), le Centre Borelli (mathématiques et IA) et le SATIE (instrumentation et traitement du signal). De telles méthodes d’évaluation nécessitent en effet de développer des systèmes de mesure appropriés, de modéliser et simuler les phénomènes en jeu (pathologies et vieillissement naturel des structures en béton, comportements mécaniques sous sollicitations climatiques extrêmes en lien avec le changement climatique, interactions ondes / milieu sondé), et d’interpréter des données massives.

Le projet est décomposé en 3 axes principaux :

1. Le premier axe de recherche consiste à développer des méthodes de sondage in-situ du sol et du béton – via des mesures par radar – afin d’avoir accès à l’état initial de la structure. Il s’agit d’obtenir des informations sur la porosité (fraction volumique, taille) et sur la présence éventuelles de fissures susceptibles d’impacter sa résistance mécanique. Une maquette incluant un sol idéalisé et une fondation en matériaux cimentaires est crée pour réaliser des mesures radar et challenger le modèle d’inversion développé. Plusieurs fondations différentes, incluant des porosités et des fissures idéalisées seront testées.

2. Le deuxième axe de travaux vise à mesurer et modéliser l’évolution des propriétés des bétons (vieillissement, pathologies, impact du changement climatique) de fondation pour en déduire leur impact sur l’intégrité de la structure. Une modélisation thermodynamique et des essais sur maquettes à échelle réduite sont réalisés. Un vieillissement accéléré – 2 mois équivalent à 50 ans – est mis au point pour mener des essais au tomographe à rayons X pour déterminer les modes de dégradation et de rupture grâce à l’imagerie 3D. Une modélisation numérique sera développée et comparée aux essais, pour ensuite être utilisée lors de simulations numériques sur des ouvrages réels.

3. Enfin, le troisième axe de recherche porte sur les structures réelles de fondations de pylônes électriques à haute tension. Par l’instrumentation, la mesure laser et l’utilisation de jumeaux numériques, la relation entre le mode de vibration des pylônes à l’état de dégradation des fondations en béton sera étudié. En s’appuyant sur les données précédentes, la géométrie des fondations, la nature du béton, la nature des sols et le climat en France, un outil d’aide à la décision sera développé pour prédire les risques de vulnérabilité des fondations existantes.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES :

Doukas H., Karakosta C., Flamos A., Psarras J., 2011. Electric power transmission: An overview of associated burdens, Volume 35, Issue 11, p. 979-988.

(France TV, 2022) https://www.france.tv/documentaires/science-sante/2928589-l-envers-du-beton.html

Kjoelle G. H., Heggset J., Gjerde O., Hartsjoe B. T. 2003. Fault statistics for safety, control and automatization equipment 1-420 kV[Electric power], 63 p., Technical Report

Luo G., Zhong Y., Yang Y., 2020. Failure Mechanism and Mitigation Measures of the G1002 Electricity Pylon Landslide at the Jinping I Hydropower Station, Article ID 8820315, 15 p.

Oyetola E. B., Oritola S. F., 2006. Investigation into the Causes of Electric Transmission Concrete Pole Failures, Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, Issue 9, p. 17-24

(RTE, 1999) https://www.rte-france.com/actualites/20-ans-apres-la-tempete-1999

West G., 1996. Alkali-aggregate Reaction in Concrete Roads and Bridges, Thomas Telford, 163 p.