Sujet de thèse IFSTTAR

English version
Fiche détaillée :

Titre : Modélisation physique et numérique des systèmes d’ancrage mutualises pour champ d’éoliennes flottantes

Laboratoire principal - Référent principal GERS - CG  -  ABADIE Christelle      tél. : +33 240845681

Directeur du laboratoire principal BLANC Matthieu  -

Spécialité de la thèse Geotechnical Engineering, Offshore Geotechnics

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)

Directeur de thèse prévu BLANC Matthieu  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - CG

Co-directeur de thèse prévu ABADIE Christelle  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - CG

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

1 | CONTEXTE ET MOTIVATION

L'éolien offshore joue un rôle crucial dans la transition vers les énergies renouvelables, mais les coûts élevés de construction des systèmes d'ancrage pour les éoliennes en eaux profondes représentent un obstacle majeur. L'optimisation de la géométrie des fondations tout en assurant leur durabilité face à des chargements cycliques importants provenant de différentes directions - telles que le vent, les courants et les vagues - reste un défi majeur.

En parallèle, le développement des éoliennes en mer dites « flottantes » progresse en France, en Europe et dans le monde. Ces éoliennes flottantes atteindront bientôt une maturité technologique permettant leur installation en champs éoliens de plusieurs dizaines d'unités. Pour réduire les coûts d'installation, d'investigations géotechniques et de maintenance des ancrages, la mutualisation de l'ancrage est une solution prometteuse. Chaque éolienne est ainsi ancrée au fond marin par trois lignes d'ancrage, et chaque ancre pourrait retenir trois lignes pour trois éoliennes différentes, espacées de 120°. Ainsi, le nombre d'ancres nécessaire pour un champ éolien pourrait être réduit de plus de moitié.

Cependant, la mutualisation des ancres induit un chargement complexe présentant une forte multi-directionnalité, un aspect peu étudié en géotechnique offshore. Les études actuelles proviennent principalement de la pratique pétrolière, qui n'a pas nécessité de champs de structures flottantes avec des ancres mutualisées. De plus, pour des raisons de sécurité, les lignes d'ancrage des plateformes pétrolières sont souvent triplées, voire quadruplées, afin d’anticiper une éventuelle rupture de certaines lignes. Ceci induirait des coûts prohibitifs pour l’éolien offshore et cette solution n’est pas possible. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l'impact de ces chargements multidirectionnels cycliques sur les systèmes d'ancrage et de les modéliser rigoureusement dans les codes de dimensionnement.

2 | OBJECTIFS

Ce travail de thèse portera sur les problèmes d’interactions sol-ancre liés à des chargements en tension multidirectionnels et cycliques.

Axe de recherche 1 : Essais sur modèles réduits en centrifugeuse
La réalisation d’essais de fondations sur site en mer est trop couteuse pour être envisageable. Pour cette raison, en géotechnique offshore, la profession se tourne vers des essais réalisés sur modèles réduits centrifugés. L’intérêt de placer ces modèles réduits dans un champ de macro-gravité est de générer sur ce modèle le même état de contrainte qui est appliqué sur le prototype en vraie grandeur. Ainsi, un modèle réduit au 1/100ème soumis à un champ de macro-gravité de 100×g (100 fois la gravité terrestre) se comporte comme le système à échelle réelle.
L’Université Gustave Eiffel possède sur le Campus de Nantes l’unique centrifugeuse géotechnique de France et l’une des cinq plus grande d’Europe. Lors de ce travail de thèse, une campagne expérimentale sur des modèles réduits sera conduite en centrifugeuse permettant des essais de chargements d’ancre en tension, multidirectionnels et cycliques. En effet, lors d’essais en centrifugeuse, l’environnement et les conditions aux limites sont imposées et contrôlées et permettent une analyse systématique et rigoureuse du système d’ancrage. Les objectifs de cette campagne seront de i) mieux comprendre les conséquences de la mutualisation de l’ancre sur comportement à long terme et ii) fournir des données précises et fiables permettant la calibration d’un modèle numérique. Ces essais en centrifugeuse permettront de créer l’une des premières base de données sur le comportement des ancres sous chargement multidirectionnel cyclique.

Axe de recherche 2 : Modélisation numérique par éléments finis 3D
Le deuxième axe de recherche consiste à établir une modélisation numérique du comportement d’une ancre mutualisée à l’aide de la méthode des éléments finis 3D. Le point clé de cette étape sera dans le choix de la loi de comportement pour le sol et l’interface sol/ancre qui devra prendre en compte l’effet des cycles de chargement. Ce modèle numérique sera calibré à partir des essais réalisés en centrifugeuse.
Le modèle calibré permettra i) de conduire une étude paramétrique sur les différents éléments clés du dimensionnement d’une ancre mutualisée et donc, de limiter le nombre d’essais nécessaires en centrifugeuses et ii) d’obtenir des données qui ne sont pas accessibles expérimentalement (état de contrainte dans le sol, pression locale sur l’ancre, mécanismes de déformation du sol, etc).

Axe de recherche 3 : Développement d’un outil de dimensionnement simplifié pour l’ingénierie
Une fois le comportement de l’ancre finement étudié par l’approche expérimentale en centrifugeuse et modélisation numérique 3D, le problème devra être « simplifié » afin de développer un outil de dimensionnement utilisable en ingénierie. Pour cela, l’ancre sera modélisée par un élément finit 1D (une poutre) ou par un macro-élément, destiné au dimensionnement industriel.
La modélisation de la réponse de la fondation au chargement multidirectionnel cyclique requiert la prise en compte des effets néfastes de l'action répétée des chargements cycliques (comme l'accumulation des déformations et le changement de rigidité) tout en considérant les effets de couplage entre les différentes directions de chargement. À ce jour, il n'existe pas de modèle numérique simple capable de traiter ces aspects de manière exhaustive.
Cependant, il existe des modèles spécialisés : le modèle HARM pour modéliser les effets de l'action répétée des chargements, et REDWIN, récemment développé pour aborder les effets de couplage entre les différentes directions de chargement. L'objectif est donc de fusionner numériquement et mathématiquement ces deux modèles, afin de permettre une modélisation complète de la réponse des fondations. Le modèle final développé sera mis en ligne en Open Source sur une plateforme de téléchargement. Cette avancée pourrait révolutionner la conception et la durabilité des fondations d'éoliennes offshore.

3 | DEROULEMENT DE LA THESE ET PROGRAMME INDICATIF

Le doctorat utilisera les deux premières années de thèse pour la réalisation de la campagne expérimentale (axe 1) et la modélisation numérique des comportements observés (axe 2). La dernière année de thèse permettra de transférer les connaissances acquises vers le milieu industriel (axe 3) et de diffuser les travaux de thèses (plateforme Open Source et rédaction de papiers).

4 | ENCADREMENT

Directeur de thèse - taux d’encadrement : 51%. Matthieu Blanc (HDR) a plus de 13 ans d’expérience dans la modélisation physique en centrifugeuse appliquée à la géotechnique offshore.

Encadrante – taux d’encadrement : 49%. Après l’obtention de sa thèse de doctorat en 2015 réalisée à l’Université d’Oxford sur le comportement cyclique des monopieux et le développement du modèle HARM, Christelle Abadie a poursuivi son parcours de recherche à l’Université de Cambridge comme « assistant professor » travaillant en géotechnique pour le développement d'infrastructures durables dans le contexte du changement climatique. Recrutée à l’Université Gustave Eiffel fin 2023, elle continue d’explorer des thématiques en lien avec l’émergence de nouvelles fondations pour les Energies Marines Renouvelables.

5 | PARTENAIRE

Le modèle REDWIN ayant été développé par une chercheuse du Norwegian Geotechnical Institute (NGI), ce projet fera l’objet d’une collaboration avec le laboratoire de recherche du NGI dans le cadre de laquelle des conseils experts sur le développement de modèles constitutifs seront apportés à l’équipe encadrante et au/à la doctorant.e sélectionné.e afin de développer le modèle numérique. Une visite de quelques semaines en Norvège pourra être envisagée dans le cadre de la thèse pour faciliter ces échanges.

6 | LABORATOIRE D’ACCUEIL

La thèse se déroulera dans le laboratoire Centrifugeuses Géotechniques du campus de Nantes de l’Université Gustave Eiffel. Une courte visite de quelques semaines dans les laboratoires du Norwegian Geotechnical Institute à Oslo (Norvège) peut-être envisageable dans le cadre de cette thèse.

7 | PROFIL DU CANDIDAT RECHERCHÉ

Nous recherchons un.e candidat.e dynamique ayant une solide formation en ingénierie géotechnique. Les étudiants en master/école d’ingénieur en génie civil, en génie géotechnique ou en géotechnique offshore sont particulièrement les bienvenus. Une expérience en programmation, en modélisation numérique (par exemple, analyse par éléments finis) et en conception de fondations est bénéfique, mais non obligatoire pour ce poste. Une bonne maîtrise de l’anglais est obligatoire pour ce projet.

8 | REFERENCES

Herduin, M. (2019). Multi-directional loading on shared anchors for offshore renewable energy: Definition and preliminary investigation into soil behaviour and anchor performance. Ph.D. thesis, Oceans Graduate School, Univ. of Western Australia.
Zhao, L., Bransby, M. F., & Gaudin, C. (2020). Centrifuge observations on multidirectional loading of a suction caisson in dense sand. Acta Geotechnica, 15(6), 1439-1451. https://doi.org/10.1007/s11440-020-00970-4
Gaudin, C., O’Loughlin, C., & Herduin, M. (2020). The modelling of piles under multidirectional loading. 4th European Conference on Physical Modelling in Geotechnics, 247-254.
Jenck, O., Obaei, A., Emeriault, F., & Dano, C. (2021). Effect of Horizontal Multidirectional Cyclic Loading on Piles in Sand: A Numerical Analysis. Journal of Marine Science and Engineering, 9(2), 235. https://doi.org/10.3390/jmse9020235
Zhu, F., Bienen, B., O'Loughlin, C., Morgan, N., & Cassidy, M. J. (2018). The response of suction caissons to multidirectional lateral cyclic loading in sand over clay. Ocean Engineering, 170, 43-54. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.09.005

Mots-clefs: éolien offshore, éolien flottant, géotechnique offshore, système d’ancrage, ancres mutualisées, chargement cyclique, chargement multidirectionnel, expériences en centrifugeuses, modélisation physique, modélisation numérique

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - CG - ABADIE Christelle tél. : +33 240845681
Directeur du laboratoire principal	BLANC Matthieu -
Spécialité de la thèse	Geotechnical Engineering, Offshore Geotechnics
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)
Directeur de thèse prévu	BLANC Matthieu - Université Gustave Eiffel - GERS - CG
Co-directeur de thèse prévu	ABADIE Christelle - Université Gustave Eiffel - GERS - CG
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé 1 \| CONTEXTE ET MOTIVATION L'éolien offshore joue un rôle crucial dans la transition vers les énergies renouvelables, mais les coûts élevés de construction des systèmes d'ancrage pour les éoliennes en eaux profondes représentent un obstacle majeur. L'optimisation de la géométrie des fondations tout en assurant leur durabilité face à des chargements cycliques importants provenant de différentes directions - telles que le vent, les courants et les vagues - reste un défi majeur. En parallèle, le développement des éoliennes en mer dites « flottantes » progresse en France, en Europe et dans le monde. Ces éoliennes flottantes atteindront bientôt une maturité technologique permettant leur installation en champs éoliens de plusieurs dizaines d'unités. Pour réduire les coûts d'installation, d'investigations géotechniques et de maintenance des ancrages, la mutualisation de l'ancrage est une solution prometteuse. Chaque éolienne est ainsi ancrée au fond marin par trois lignes d'ancrage, et chaque ancre pourrait retenir trois lignes pour trois éoliennes différentes, espacées de 120°. Ainsi, le nombre d'ancres nécessaire pour un champ éolien pourrait être réduit de plus de moitié. Cependant, la mutualisation des ancres induit un chargement complexe présentant une forte multi-directionnalité, un aspect peu étudié en géotechnique offshore. Les études actuelles proviennent principalement de la pratique pétrolière, qui n'a pas nécessité de champs de structures flottantes avec des ancres mutualisées. De plus, pour des raisons de sécurité, les lignes d'ancrage des plateformes pétrolières sont souvent triplées, voire quadruplées, afin d’anticiper une éventuelle rupture de certaines lignes. Ceci induirait des coûts prohibitifs pour l’éolien offshore et cette solution n’est pas possible. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l'impact de ces chargements multidirectionnels cycliques sur les systèmes d'ancrage et de les modéliser rigoureusement dans les codes de dimensionnement. 2 \| OBJECTIFS Ce travail de thèse portera sur les problèmes d’interactions sol-ancre liés à des chargements en tension multidirectionnels et cycliques. Axe de recherche 1 : Essais sur modèles réduits en centrifugeuse La réalisation d’essais de fondations sur site en mer est trop couteuse pour être envisageable. Pour cette raison, en géotechnique offshore, la profession se tourne vers des essais réalisés sur modèles réduits centrifugés. L’intérêt de placer ces modèles réduits dans un champ de macro-gravité est de générer sur ce modèle le même état de contrainte qui est appliqué sur le prototype en vraie grandeur. Ainsi, un modèle réduit au 1/100ème soumis à un champ de macro-gravité de 100×g (100 fois la gravité terrestre) se comporte comme le système à échelle réelle. L’Université Gustave Eiffel possède sur le Campus de Nantes l’unique centrifugeuse géotechnique de France et l’une des cinq plus grande d’Europe. Lors de ce travail de thèse, une campagne expérimentale sur des modèles réduits sera conduite en centrifugeuse permettant des essais de chargements d’ancre en tension, multidirectionnels et cycliques. En effet, lors d’essais en centrifugeuse, l’environnement et les conditions aux limites sont imposées et contrôlées et permettent une analyse systématique et rigoureuse du système d’ancrage. Les objectifs de cette campagne seront de i) mieux comprendre les conséquences de la mutualisation de l’ancre sur comportement à long terme et ii) fournir des données précises et fiables permettant la calibration d’un modèle numérique. Ces essais en centrifugeuse permettront de créer l’une des premières base de données sur le comportement des ancres sous chargement multidirectionnel cyclique. Axe de recherche 2 : Modélisation numérique par éléments finis 3D Le deuxième axe de recherche consiste à établir une modélisation numérique du comportement d’une ancre mutualisée à l’aide de la méthode des éléments finis 3D. Le point clé de cette étape sera dans le choix de la loi de comportement pour le sol et l’interface sol/ancre qui devra prendre en compte l’effet des cycles de chargement. Ce modèle numérique sera calibré à partir des essais réalisés en centrifugeuse. Le modèle calibré permettra i) de conduire une étude paramétrique sur les différents éléments clés du dimensionnement d’une ancre mutualisée et donc, de limiter le nombre d’essais nécessaires en centrifugeuses et ii) d’obtenir des données qui ne sont pas accessibles expérimentalement (état de contrainte dans le sol, pression locale sur l’ancre, mécanismes de déformation du sol, etc). Axe de recherche 3 : Développement d’un outil de dimensionnement simplifié pour l’ingénierie Une fois le comportement de l’ancre finement étudié par l’approche expérimentale en centrifugeuse et modélisation numérique 3D, le problème devra être « simplifié » afin de développer un outil de dimensionnement utilisable en ingénierie. Pour cela, l’ancre sera modélisée par un élément finit 1D (une poutre) ou par un macro-élément, destiné au dimensionnement industriel. La modélisation de la réponse de la fondation au chargement multidirectionnel cyclique requiert la prise en compte des effets néfastes de l'action répétée des chargements cycliques (comme l'accumulation des déformations et le changement de rigidité) tout en considérant les effets de couplage entre les différentes directions de chargement. À ce jour, il n'existe pas de modèle numérique simple capable de traiter ces aspects de manière exhaustive. Cependant, il existe des modèles spécialisés : le modèle HARM pour modéliser les effets de l'action répétée des chargements, et REDWIN, récemment développé pour aborder les effets de couplage entre les différentes directions de chargement. L'objectif est donc de fusionner numériquement et mathématiquement ces deux modèles, afin de permettre une modélisation complète de la réponse des fondations. Le modèle final développé sera mis en ligne en Open Source sur une plateforme de téléchargement. Cette avancée pourrait révolutionner la conception et la durabilité des fondations d'éoliennes offshore. 3 \| DEROULEMENT DE LA THESE ET PROGRAMME INDICATIF Le doctorat utilisera les deux premières années de thèse pour la réalisation de la campagne expérimentale (axe 1) et la modélisation numérique des comportements observés (axe 2). La dernière année de thèse permettra de transférer les connaissances acquises vers le milieu industriel (axe 3) et de diffuser les travaux de thèses (plateforme Open Source et rédaction de papiers). 4 \| ENCADREMENT Directeur de thèse - taux d’encadrement : 51%. Matthieu Blanc (HDR) a plus de 13 ans d’expérience dans la modélisation physique en centrifugeuse appliquée à la géotechnique offshore. Encadrante – taux d’encadrement : 49%. Après l’obtention de sa thèse de doctorat en 2015 réalisée à l’Université d’Oxford sur le comportement cyclique des monopieux et le développement du modèle HARM, Christelle Abadie a poursuivi son parcours de recherche à l’Université de Cambridge comme « assistant professor » travaillant en géotechnique pour le développement d'infrastructures durables dans le contexte du changement climatique. Recrutée à l’Université Gustave Eiffel fin 2023, elle continue d’explorer des thématiques en lien avec l’émergence de nouvelles fondations pour les Energies Marines Renouvelables. 5 \| PARTENAIRE Le modèle REDWIN ayant été développé par une chercheuse du Norwegian Geotechnical Institute (NGI), ce projet fera l’objet d’une collaboration avec le laboratoire de recherche du NGI dans le cadre de laquelle des conseils experts sur le développement de modèles constitutifs seront apportés à l’équipe encadrante et au/à la doctorant.e sélectionné.e afin de développer le modèle numérique. Une visite de quelques semaines en Norvège pourra être envisagée dans le cadre de la thèse pour faciliter ces échanges. 6 \| LABORATOIRE D’ACCUEIL La thèse se déroulera dans le laboratoire Centrifugeuses Géotechniques du campus de Nantes de l’Université Gustave Eiffel. Une courte visite de quelques semaines dans les laboratoires du Norwegian Geotechnical Institute à Oslo (Norvège) peut-être envisageable dans le cadre de cette thèse. 7 \| PROFIL DU CANDIDAT RECHERCHÉ Nous recherchons un.e candidat.e dynamique ayant une solide formation en ingénierie géotechnique. Les étudiants en master/école d’ingénieur en génie civil, en génie géotechnique ou en géotechnique offshore sont particulièrement les bienvenus. Une expérience en programmation, en modélisation numérique (par exemple, analyse par éléments finis) et en conception de fondations est bénéfique, mais non obligatoire pour ce poste. Une bonne maîtrise de l’anglais est obligatoire pour ce projet. 8 \| REFERENCES Herduin, M. (2019). Multi-directional loading on shared anchors for offshore renewable energy: Definition and preliminary investigation into soil behaviour and anchor performance. Ph.D. thesis, Oceans Graduate School, Univ. of Western Australia. Zhao, L., Bransby, M. F., & Gaudin, C. (2020). Centrifuge observations on multidirectional loading of a suction caisson in dense sand. Acta Geotechnica, 15(6), 1439-1451. https://doi.org/10.1007/s11440-020-00970-4 Gaudin, C., O’Loughlin, C., & Herduin, M. (2020). The modelling of piles under multidirectional loading. 4th European Conference on Physical Modelling in Geotechnics, 247-254. Jenck, O., Obaei, A., Emeriault, F., & Dano, C. (2021). Effect of Horizontal Multidirectional Cyclic Loading on Piles in Sand: A Numerical Analysis. Journal of Marine Science and Engineering, 9(2), 235. https://doi.org/10.3390/jmse9020235 Zhu, F., Bienen, B., O'Loughlin, C., Morgan, N., & Cassidy, M. J. (2018). The response of suction caissons to multidirectional lateral cyclic loading in sand over clay. Ocean Engineering, 170, 43-54. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.09.005
Mots-clefs:	éolien offshore, éolien flottant, géotechnique offshore, système d’ancrage, ancres mutualisées, chargement cyclique, chargement multidirectionnel, expériences en centrifugeuses, modélisation physique, modélisation numérique

Liste des sujets

Candidatures fermées