Effets des charges dynamiques sur les lignes aériennes: impact sur les structures

Comme le montre la Figure 1 la majorité des charges mécaniques des lignes de transport varient au cours du temps, mais dans la conception des lignes ces charges variables sont prises en compte comme quasi statiques. Les lignes de transport sont des superstructures de grande étendue et sont exposées à une variété de conditions météorologiques, topographiques et géographiques. Le vent et les tempêtes de neige et glace, ainsi que les tremblements de terre sont des exemples de charge dynamique. En plus de ces situations, il existe d'autres types de charges dynamiques, provoquées par la rupture d'un conducteur ou d'une chaîne d'isolateurs, qui peuvent aussi impacter le comportement des lignes de transport.

Pour une analyse dynamique il faut définir plusieurs paramètres en plus de la raideur structurelle statique. Dans ces paramètres on trouve la masse des composants, les paramètres d'amortissement, et les charges dynamiques qui sont fonction du temps. Pour un système linéaire typique, une comparaison simple de ces paramètres est donnée ci-après par les deux équations d'équilibre, respectivement pour les analyses statique et dynamique.

Un support de ligne de transport est une partie d'un système comportant de nombreux supports reliés par de multiples systèmes de conducteurs. Ces composants structurels possèdent des caractéristiques dynamiques spécifiques et peuvent être soumis à des charges dépendant du temps de magnitudes différentes. Les possibilités de réalisation des analyses dynamiques perfectionnées se sont accrues continument au cours des dernières décennies, avec le développement des méthodes numériques et des capacités des ordinateurs. La Figure 2 donne un diagramme illustrant les types des solutions appliquées dans une analyse dynamique. Les deux approches basiques qui sont envisagées dans une analyse dynamique sont les approches linéaire et non linéaire. L'analyse non linéaire peut s'appliquer pour les déplacements importants, ainsi que pour les comportements inélastiques

Pratiquement toutes les charges structurelles appliquées aux systèmes de lignes de transport peuvent être considérées comme dynamiques. Ce peut être le cas dans l'état initial, avec le vent, ou quelquefois pendant l'exploitation avec un délestage de glace, une rupture de conducteurs, ou une défaillance de chaîne d'isolateurs. On présente dans le document les principaux événements qui provoquent des charges dynamiques dépendant du temps des lignes de transport. Le vent étant la source la plus courante des charges dynamiques des composants des lignes, on peut classer les charges dynamiques impactant les lignes en charges induites par le vent, et en charges non liées au vent. La conception structurelle des composants des lignes de transport est, dans une large mesure, conditionnée par les charges de vent, pour les pays du monde non affectés par le givrage atmosphérique. Ces charges varient avec le temps, mais elles sont considérées comme statiques, leurs magnitudes, varient verticalement pour les supports et les conducteurs, et également horizontalement pour les portées de conducteurs (Figure 3).

La figure 4 représente les variations dans le temps des contraintes des membrures principales d'un support, en réponse à un événement de vent. Les normes de conception traditionnelles des lignes de transport appliquent des modèles simplifiés (quasi statiques) de vent, basés sur les vents synoptiques des couches limites créés par les grands systèmes de pression (EPS), c. à d. les cyclones extratropicaux. Les événements EPS sont responsables des rafales de vents les plus fortes dans de nombreuses parties du monde. Le comportement des supports de transport conçus pour la valeur extrême de vitesse de vent appropriée a habituellement été acceptable. Il faut noter que bien que ces modèles soient largement utilisés, et que l'expérience a démontré qu'ils conduisent à des résultats qui conviennent dans de nombreuses situations, ils ne peuvent pas représenter correctement tous les épisodes de vent ou permettre d'évaluer totalement l'impact sur les structures.

Les défaillances de supports peuvent, pour la plupart, être attribuées à des rafales étroites de vent de vitesse élevée, dépassant la vitesse de vent de conception. Une rafale étroite de vent fort peut impacter un seul pylône, ou à la fois la structure et les portées adjacentes de la ligne de transport. La prise en compte d'une rafale étroite de vent fort est en en outre rendue plus compliquée par le fait que l'on ne comprend pas bien les caractéristiques des vents de haute intensité localisés provoqués par les rafales descendantes, souvent qualifiées de vents d'orage.

Dans un système de ligne de transport, il peut exister des structures et composants structurels qui sont sensibles aux charges dynamiques de vent, et il faut penser dans ce cas à une analyse dynamique complète. Ce sont par exemple les cas des traversées des rivières larges et des pylônes de configuration spéciale. Les charges de vent appliquée dans le cas des très longue portées, avec ou sans pylônes de transport de grande hauteur, doivent être soigneusement examinées, pour prendre en compte tout potentiel effet dû à la réponse dynamique du système des conducteurs, ou à l'interaction dynamique avec le "système de support" de grande hauteur. Les membrures des pylônes (tubulaires ou à treillis) peuvent également soumises à des vibrations de vortex de décollement induites par le vent. Dans des situations exceptionnelles on a observé des dommages de fatigue au niveau des assemblages de membrures. Les portées de câbles peuvent être soumises à de charges variables dans le temps et ceci peut entrainer des vibrations dynamiques des câbles. La vibration éolienne est un mouvement à haute fréquence et à faible amplitude qui peut conduire à une fatigue des conducteurs, qui se développera probablement aux points de fixation des conducteurs, au point de sortie de la pince. Ce type de vibration peut aussi provoquer un développement de fissures de fatigue sur les membrures des pylônes et desserrer les boulons des assemblages, si le système n'est pas convenablement amorti. Le galop des conducteurs, à la différence des vibrations, est un mouvement essentiellement vertical, de fréquence faible et de forte amplitude, induit par un vent modérément fort et stable, sur un conducteur qui a pris une forme asymétrique par l'accrétion de givre. En cas de galop le mouvement du conducteur peut conduire à ne plus respecter les distances d'isolement entre phases, à des défaillances des assemblages d'isolateurs et des équipements de protection, ainsi qu'à des dommages des membrures de la structure. Les vibrations induites par le vent sur les faisceaux de conducteurs peuvent provoquer des problèmes différents de ceux rencontrés dans le cas d'un conducteur unique. En plus du galop et des vibrations éoliennes les faisceaux de conducteurs sont aussi affectés "d'oscillations de sous-portée" provoquées par des effets de sillage entre sous-conducteurs, et ceci peut conduire à des dommages de conducteur au niveau des entretoises amortissantes.

En plus des charges dynamiques induites par le vent, il existe d'autres charges dynamiques, indépendantes du vent, qui peuvent impacter significativement les composants des lignes, et qu'on doit prendre en compte dans la conception de la ligne. Ces sont les décharges de glace et de neige, les ruptures de conducteur et de câble de garde, les ruptures de chaîne d'isolateurs, et les tremblements de terre.

Les événements d'accrétion de glace et de neige sont habituellement classés comme charges statiques. Mais après la tempête de neige ou de glace, cette charge peut devenir dynamique, au moment de la décharge de la neige ou de la glace des conducteurs, et affecter des portées complètes, ou seulement des sections des portées, du fait de variations de la température. Ces événements de charges sont appelés des "sauts de neige fondue" ou des "sauts de neige", et ils provoquent deux effets, des mouvements de conducteurs qui peuvent être importants et des charges d'impact. Un événement de décharge de glace peut provoquer des charges de fléchissement et de torsion sur un pylône, qu'il faut prendre en compte dans ces situations.

La rupture de conducteur peut entraîner des charges d'impact, élevées et déséquilibrées, sur les pylônes de transport et on la considère comme étant l'origine la plus fréquente des graves défaillances progressives, en cascade longitudinale, des structures des lignes (Figure 5). Une rupture de conducteur provoque une onde de choc qui se propage dans tout le système de la ligne (habituellement sur une section de ligne encadrée par deux supports d'arrêt).

Au cours des décennies passées, les compagnies d'électricité ont, partout dans le monde, mis au point et mis en œuvre plusieurs systèmes et stratégies pour atténuer les effondrements de ligne, mais certaines d'entre elles ont rencontré des succès limités. La philosophie de conception dite de la maîtrise des défaillances est une stratégie de limitation de l'effondrement en cascade. Dans cette stratégie on détermine des facteurs longitudinaux d'impact de charge de conception, et on place sur le tracé de la ligne des supports qui limiteront à un nombre acceptable les défaillances de supports dans la section de ligne. D'autres dispositifs de limitation des cascades, tels que les pinces à glissement et les systèmes de limitation de charges, protègent les supports contre les charges excessives en apportant un mou additionnel et une dissipation locale d'énergie.

En ce qui concerne le comportement sismique des lignes de transport en cas de tremblement de terre, une analyse dynamique complète est le seul moyen d'examiner la réponse des systèmes de ligne de transport (pylônes, conducteurs et interaction sol-fondation) aux événements sismiques. Cependant l'analyse du comportement sismique n'est pas habituellement appliquée dans la conception des lignes de transport. Historiquement les lignes de transport se sont comportées correctement face aux charges inertielles lors des événements sismiques. Des destructions de supports de lignes se sont produites, mais elles ont été généralement liées à des défaillances de fondations par liquéfaction, à des déplacements latéraux des terres, ou à des glissements de terrain provoqués par le séisme. Un autre type de défaillance des supports des lignes de transport est la destruction par la chute de rochers provoquée par le séisme. Bien que pour des conditions habituelles les observations d'événements passés puissent être utilisées pour les structures de ligne de transport, il est recommandé de prendre en compte avec beaucoup d'attention les événements sismiques quand il s'agit de structures de ligne de transport spéciales ou uniques, telles que les traversées de grandes portées et les pylônes de très grande hauteur ou très élancés installés dans des zones d'activité sismique.

Il est important d'avoir une compréhension de base des paramètres et des hypothèses de modélisation utilisés dans une analyse dynamique. Les valeurs correctes de la masse, de l'amortissement, et de la raideur du modèle structurel, sont essentielles pour obtenir des résultats réalistes de réponse dynamique.

Les effets de la vitesse des charges dynamiques sur la tenue des composants des lignes sont aussi un problème très important. Une charge rapide se produit en cas de rupture de conducteur, de décharge de neige, etc., et la question qu'il faut examiner est comment un composant de ligne (par ex. membrure de pylône, chaîne d'isolateurs et fondations) répond à un événement de charge rapide. Plusieurs systèmes structurels et composants ont été testés pour déterminer les effets de la vitesse des charges dynamiques sur les modes de défaillance. Le comportement de la tenue des fondations soumises à des charges dynamiques rapides a également été étudié au moyen d'essais complets portant sur la rupture de conducteur de lignes de transport (BT 788, CIGRE).

Il existe un nombre important de publications dans lesquelles des analyses structurelles dynamiques avancées ont été appliquées pour mieux comprendre le comportement des systèmes de lignes de transport. Ces études fournissent des exemples sur la manière de réaliser et d'appliquer des analyses dynamiques sur des lignes aériennes, et dans certains cas pour comparer des analyses. Elles montrent que les méthodes numériques peuvent être extrêmement puissantes, c. à d. qu'elles peuvent produire des résultats très précis quand elles s'appuient sur une formulation théorique solide et quand elles sont correctement calibrées au moyen d'essais expérimentaux.

Il est important de garder présent à l'esprit que les charges statiques équivalentes, habituellement fournies par les codes de conception, sont déterminées pour donner à un composant une réponse similaire à celle qu'il aurait s'il était soumis à une charge dynamique réelle. Par conséquent ces charges statiques équivalentes données sont valables pour une plage d'applications qui répond aux hypothèses dans lesquelles elles ont été déterminées. La frontière entre le domaine où elles sont valables et celui où elles ne sont pas correctes dépend de la configuration structurelle et du type de la charge, et peut être imperceptible par l'industrie et/ou par les ingénieurs des lignes de transport, qui peuvent ne pas être familiarisés avec les concepts modernes d'analyse structurelle. Dans ce contexte, les possibilités qu'offre l'analyse structurelle dynamique sont un outil important pour bien comprendre le comportement structurel des composants d'une ligne de transport soumise à des charges dépendant du temps. Les analyses structurelles dynamiques requièrent des efforts exceptionnels en termes de modélisation des charges, de tenues des membrures et de réponses structurelles.

Un Groupe de Travail CIGRE, GT B2.24, a été mis en place sur cette question, pour analyser la bibliographie existante, ainsi que pour collecter les pratiques de l'industrie de par le monde, et rassembler les informations dans un document unique qui pourrait constituer une référence sur le sujet pour les ingénieurs des lignes de transport.

Les membres du Groupe de Travail estiment que l'industrie de la conception des lignes de transport va en tirer un bénéfice, alors que les études et les recherches continuent à démontrer l'intérêt de l'utilisation des outils d'analyse dynamique moderne pour mieux comprendre le comportement du système support/ligne. Les études en cours ont montré qu'un équilibre est à rechercher entre les impacts des charges transitoires (charges de courte durée avec une vitesse de montée rapide) sur les composants structurels et l'accroissement de la tenue structurelle. En conclusion, dans la philosophie de la méthodologie de conception par les facteurs de charge et de tenue (LRFD), la caractéristique dynamique devrait prise en compte être simultanément des deux côtés de l'équation de conception par l'utilisation de coefficients appropriés pour aboutir à une pratique de conception cohérente. Les résultats des essais à grande échelle, explorés par le GT pour plusieurs composants, confirment solidement cette conclusion.

Dans ce cadre la Brochure Technique CIGRE produite traite les différents thèmes mentionnés précédemment et fournit une vue d'ensemble des phénomènes dynamiques impactant les supports des lignes de transport, et des techniques d'analyse dynamique mises en œuvre pour déterminer la réponse de la ligne aux charges dépendant du temps. Les concepts fondamentaux de l'analyse dynamique et de la modélisation sont examinés, ainsi que les événements dynamiques pertinents induisant des charges dynamiques dépendant du temps agissant sur les composants des lignes de transport. Une rapide revue des publications de recherche traitant de l'application des techniques d'analyse dynamique structurelle avancée est fournie pour souligner l'importance des problèmes de comportement dynamique des lignes de transport. Des exemples d'applications d'analyse dynamique dans le domaine temps pour prédire la réponse de sections de lignes typiques aux charges dynamiques sont également proposés. Ces exemples illustrent l'utilisation des analyses dynamiques modernes pour des applications aux lignes de transport et, pour chaque exemple, les procédures suivies pour résoudre les équations de mouvement sont discutées. Les aspects les plus importants de la modélisation, par ex. les types d'élément, la génération des charges dynamiques introduites, et les conditions aux limites, sont mentionnées, avec les principaux paramètres d'analyse adoptés, tels que les pas de temps d'intégration et les valeurs de l'amortissement. La nécessité de l'analyse dynamique est discutée dans la perspective des pratiques normales de la conception structurelle des lignes de transport.