Lignes de transport mettant en œuvre des composites renforcés de fibres

Chef de File (IS)
A.B. JONASSON

Secrétaire (CA)
J. TOTH

C.G. BARRIOS (ES), J. BARTSCH (SE), T. BJARNASON (IS), D. CHAMBERS (UK), J.B. DA SILVA (BR), V. DALE (NO), P. DE HORA (IE), P.W. DULHUNTY (AU), M. ERMOSHINA (RU), G FECHT (CA), M. HUGHES (US), S. LABOCHA (PL), S. LANGLOIS (CA), F. LIRIOS (AU), J. LUCEY (IE), L. NAZIMEK (PL), E. PLATENKAMP (NL), X. POLETTA (FR), A. RUFFIER (BR), B. WAREING (UK), O. WELGAARD (NO),

Membres Correspondants : A. BANGOR (AU), F.K. GBEDEY (BJ), R. GEARY (IE), T. GILLESPIE (AU), C. HUGHES (IE), D. LOUDON (NO), A. MOGILEVSKY (CA), M. RAMASWAMY (IN), V. ROULET (FR), D. SMAZNOV (RU), O. SEMENKO (UA), K. VALIMAA (FI)

Réviseurs : M. ELLENBOGEN (IL), W. TROPPAUER (AT), K. VALIMAA (FI)

Que sont les composites polymères renforcés de fibre ?

Deux composants principaux entrent dans la constitution des matériaux composites polymères renforcés de fibre. Les fibres et le système de résine tiennent en place les fibres. D'autres composants peuvent être ajoutés au système, tels que des matières de charge, des inhibiteurs des ultra-violets (UV) et des additifs améliorant les propriétés.

Les systèmes de résine

Les résines sont des substances solides ou très visqueuses qui sont transformées en polymères. Quand elles sont transformées en polymères elles retiennent solidement les autres composants, tels les matières de charges, les modificateurs, les additifs et les fibres. Pour les lignes de transport on utilise principalement deux types de résine, les Vinylesters et les Polyuréthanes. Chacun d'eux offre des avantages et des désavantages, mais pour les structures des lignes de transport leurs propriétés sont globalement très bénéfiques.

Les fibres

De nombreux types différents de matériau de fibre peuvent être utilisés avec des polymères composites, comme le carbone, le verre, le basalte, et les aramides (polyamides aromatiques). Pour des raisons de coût, de disponibilité, de propriétés chimiques, électriques et mécaniques, les fibres de E-Verre sont le renforcement le plus utilisé pour les matériaux composites utilisés pour les lignes de transport. E-Verre est non conducteur de l'électricité, peu coûteux (autour de 10 % du coût de la fibre de carbone), et possède des propriétés mécaniques intéressantes pour les lignes de transport.

Les méthodes de fabrication des structures des lignes de transport en composites polymères renforcés de fibre

Il existe trois principales méthodes de fabrication utilisées pour réaliser des composants de lignes de transport en FRP, le bobinage de filaments, la pultrusion (extrusion par tirage) et le moulage par centrifugation.

Bobinage de filament

Le bobinage de filament est le procédé de fabrication en moule ouvert qui consiste à envelopper des fibres saturées de résine autour d'un mandrin effilé ou cylindrique. Un procédé typique de bobinage laminaire consiste à envelopper à pas opposés, avec la possibilité de d'ajuster l'angle de positionnement de la fibre (Figure 1).

Figure 1 - Illustration du processus de bobinage de la fibre

Le procédé de pultrusion (Figure 2) permet de produire des pièces de section constante et coupées à longueur donnée, qui peuvent être utilisées pour une grande variété de composants structurels.

Figure 2 - Illustration du procédé de pultrusion

Les sections peuvent être circulaires, rectangulaires ou polygonales. Une large variété de formes peut être produite par pultrusion pour les lignes de transport (Figure 3).

Figure 3 – Exemples de sections FRP obtenues par pultrusion

Moulage par centrifugation

Les poteaux en fibre de verre filée de section circulaire sont faits de complexes de fibre de verre et de résine polyester et sont fabriqués au moyen d'un procédé de centrifugation (Figure 4).

L'utilisation des FRP pour les structures des lignes de transport

L'utilisation des FRP pour les lignes de transport apporte de nombreux avantages, tels qu'une durée de vie longue, la résistance à la corrosion, le poids réduit, une tenue mécanique spécifique, une tenue diélectrique élevée, la stabilité dimensionnelle, la tenue au feu, l'absence d'impact sur l'environnement, une résistance aux agressions des animaux (tels que les pics), un produit technique et ductile avec, sur le cycle de vie complet, un coût plus faible que pour les autres matériaux. La Brochure Technique donne des détails complémentaires, le présent résumé ne développant que certains points importants.

Tenue diélectrique élevée

Les matériaux FRP ont une tenue diélectrique si élevée qu'ils sont considérés comme des isolants électriques. Ceci rend leur usage souhaitable pour augmenter la sécurité pour les travaux sous tension. En outre les caractéristiques électriques et le comportement à la foudre des lignes utilisant des structures FRP sont meilleures que celles des lignes utilisant des matériaux traditionnels.

Poids réduit

Les structures des lignes de transport en FRP sont beaucoup plus légères que les éléments en bois, acier et béton assurant les mêmes fonctions. Les coûts de transport et d'installation sont réduits, dans la mesure où des moyens plus légers suffisent pour la construction et, qu'avec les moyens utilisés pour les autres matériaux, des quantités plus importantes sont transportées (Figure 5). En outre il est souvent possible de manipuler les poteaux électriques FRP à la main dans les espaces réduits (Figure 6).

Figure 5 - Un grand nombre de poteaux FRP transportés sur site avec un seul camion

Figure 6 – Poteau FRP porté à l'épaule sur un site d'installation

Absence de pourriture rot, d'éclat ou de corrosion

Les matériaux FRP peuvent supporter des environnements agressifs bien mieux que les autres matériaux, même sous des climats sévères et dans des zones polluées.

Pas d'impact sur l'environnement

Les matériaux FRP sont sans effet sur l'environnement et ne laissent pas filtrer des composants à proximité. Même s'ils requièrent un traitement de fin de vie, ils peuvent être stockés dans des décharges normales du fait de leur neutralité chimique.

Non affectés par les termites, les pics et les vermines

Les matériaux FRP peuvent résister aux insectes, aux pics et autres animaux. Dans beaucoup des endroits où les pics endommagent les poteaux en bois, les poteaux HFRP sont le choix de remplacement.

Une durée de vie longue

Quand la protection contre les UV est correctement traitée, les structures FRP durent beaucoup plus longtemps sans appeler d'intervention, que celles en matériaux traditionnels.

Raideur

Le module d'élasticité des matériaux GRFP est plus faible que celui du bois ou de l'acier et ils fléchissent différemment. La valeur de la rigidité, qui détermine la flexion, est influencée par deux facteurs, le module d'élasticité et les propriétés de la section. La conception des éléments FRP doit les prendre en compte et les compenser si nécessaire.

Structures FRP des lignes de transport

Il est possible de fabriquer avec des matériaux FRP beaucoup d'éléments structurels qui sont similaires aux structures bois, acier ou béton. Les structures les plus courantes sont les poteaux, les consoles, les croisillons, les fondations, les ancres, les pieux et les pylônes treillis.

Poteaux

Les structures FRP de ligne de transport les plus largement utilisées sont les poteaux. Plusieurs fournisseurs produisent des poteaux à filaments bobinés, produits par pultrusion et moulés par centrifugation. Habituellement la section est circulaire, mais il existe des poteaux de section octogonale.

Consoles

Il existe des consoles constituées d'éléments de section carrée ou en U. Leur utilisation habituelle est le remplacement des consoles existantes en bois.

Croisillons de contre flambage

Les croisillons en FRP peuvent être utilisés avec des supports portiques. La Figure 7 montre un exemple de croisillons de contre flambage sur support portique entièrement en matériau composite.

Dalles d'ancrage

Les traditionnelles dalles d'ancrage (appelées semelles dans certains pays) sont faites de bois. Les dalles d'ancrage FRP peuvent remplacer les dalles de bois, et constituer ainsi une alternative économique, plus légère et durable, à la conception originale.

Pieux et palplanches

Comme les pieux et les palplanches sont des éléments de section constante, on peut les fabriquer en utilisant le procédé de pultrusion.

Structures à treillis

Trois pylônes à treillis FRP sont en service, depuis le milieu des années 1990, sur une ligne à 230 kV, dans un environnement côtier hautement corrosif, en Californie aux USA (Figure 8). L'assemblage facile et rapide, la grande résistance à l'environnement corrosif ont constitué une plus-value importante pour la compagnie d'électricité qui les a installés.

Figure 8 - Structure 230 kV FRP à treillis

Comparaison des coûts des structures de ligne de transport FRP

La Brochure CIGRE comporte une section dans laquelle on compare de façon très détaillée le coût des structures FRP et celui des structures bois et acier. La conclusion générale est que les solutions FRP constituent des alternatives satisfaisantes et économiques aux structures bois, acier et béton.

Conclusions

Les structures de ligne de transport en composites polymères renforcés de fibres sont des nouveautés pour l'industrie de l'électricité. Cependant les industries aérospatiales, maritimes, les constructions de pont et les bâtiments commerciaux utilisent les FRP avec beaucoup de succès, depuis longtemps.

Les FRP fournissent des solutions efficientes, respectant l'environnement, durables et fiables pour répondre aux défis auxquels l'industrie de l'électricité doit faire face.

Apprendre à la communauté des lignes de transport quels sont les avantages et les utilisations des FRP, est important pour voir l'utilisation de cette technologie se développer à grande échelle.

La Brochure Technique 818 du CIGRE constitue un outil essentiel pour cet objectif, et doit être un document de référence fortement recommandé aux professionnels du domaine.