About twenty years ago, the first French wind turbines flourished on the hills in the south and the great plains in the north of the country. Today, wind power is the second largest primary source of renewable energy. However, after twenty years of operation, wind farms are in danger of becoming obsolete, causing economic and environmental problems. The FEDRE¹ project aims to optimise the foundations of existing wind turbines in the face of the constraints imposed by new equipment, which is more powerful than a few years ago. Meeting with Laurent Briançon, associate professor at laboratoire GEOMAS (Geomechanics, Materials, Structure) and scientific director of the project.

As onshore wind turbines have a lifespan of between twenty and twenty-five years, the problem of re-equipment is beginning to emerge on French wind farms. For wind farm operators, there is an alternative way to increase energy supply without installing additional wind turbines: ‘repowering’ consists of replacing old equipment with more powerful models. ‘As we will soon reach the maximum number of wind turbines that can be installed in France, the manufacturers propose increasing the power to avoid building new ones, but there are technical constraints to this’, explains Laurent Briançon.

Made up of a rotor, a nacelle and a mast, a conventional on-shore wind turbine² rests on a circular reinforced concrete base with a diameter of about twenty metres. The new equipment offered by repowering is larger, heavier and, above all, more of a burden on the foundation. ‘The current proposed solution to replace the equipment is to deconstruct the entire reinforced concrete footing to build a stronger one to accommodate the new masts. Our team is working to adapt this new equipment to the existing foundations to avoid this costly and environmentally unfriendly solution. It should be noted that the construction of a foundation alone accounts for 10% of the total cost of the wind turbine, and the used concrete blocks are neither reusable nor recyclable because of their scrap density. The tonne of cement needed to manufacture the new footing represents almost 900kg of carbon dioxide. Imagine the number multiplied by the 8000 or so wind turbines installed in France!’ 

In the next ten years, 50% of Europe's wind farms will have to be re-equipped. The FEDRE project team hopes to participate in improving the integration of wind power in the energy landscape and to improve the competitiveness of the sector. ‘If our solution is viable, we would like to set up an economic interest grouping with the consortium we have formed. The share of renewable energies in the world is still too low compared to fossil fuels. We hope to be able to participate in cleaner repowering of wind turbines’, concludes the laboratoire GEOMAS researcher.

¹ Foundations of Sustainable Wind Turbines and Repowering

2 An onshore wind turbine is by definition installed on land and differs from offshore wind turbines installed at sea.

Ça n’est pas la terre qui a tremblé à l’INSA Lyon mais la plateforme Eiffel du laboratoire GEOMAS et du département Génie Civil et Urbanisme (GCU). L’équipe¹, composée de treize enseignants-chercheurs, ingénieurs, professeur, technicien et doctorante, a réalisé son premier essai pseudo-dynamique. L’objectif ? Évaluer la vulnérabilité d’une structure en béton armé lorsqu’elle est soumise à des ondes sismiques. Explications sur la maîtrise d’une technique qui offre de belles perspectives pour le laboratoire. 

Forces et structures
Lorsqu’un bâtiment subit un tremblement de terre, ses fondations sont soumises à des forces d’ondes capables de mettre à mal la stabilité et la résistance du bâtiment en quelques minutes. « Le génie parasismique se compose en trois grands domaines d’études. D’abord, il faut prévoir l’action sismique, c’est le travail du sismologue, puis étudier la réaction des bâtiments aux ondes sismiques en interaction avec le sol et leur environnement, et enfin évaluer leur fragilité en vue de les adapter aux zones d’implantation. L’objectif de notre travail de recherche est de prédire le comportement d’une structure face à cet aléa sismique », explique Stéphane Grange, enseignant-chercheur au département GCU et au laboratoire GEOMAS.

Béton et fissures
Dans le cadre de ses travaux de thèse, Chaimaa Jaafari (école doctorale MEGA) s’est concentrée sur le béton, qui compose la majorité des infrastructures existantes. « Le béton connaît un phénomène particulier lors de sa prise que l’on appelle ‘jeune-âge’. Il correspond à la phase de réaction chimique du ciment avec l’eau et à l’évaporation de cette dernière, où le matériau se solidifie et créé naturellement des fissures. Nous avons tenté de mesurer les effets de ce phénomène sur le comportement d’une structure en béton armé en cas de séisme. Pour cela, nous avons testé deux portiques : l’un en conditions endogènes, c’est-à-dire, entouré de cellophane pour limiter les échanges d’eau avec l’extérieur et donc l’apparition de fissures ; l’autre en conditions non-endogènes, en laissant l’eau s’évaporer naturellement à l’air libre ».

Calculs et tremblements
Pour simuler les ondes sismiques, Chaimaa, et l’équipe M2S² n’ont pas attendu le prochain tremblement de terre, mais ont fait vibrer la plateforme Eiffel du département GCU. « Pour imiter le séisme, nous avons décidé d’expérimenter la méthode pseudo-dynamique qui consiste, à l’aide d’un mur de réaction et d’un couplage avec un algorithme numérique, à soumettre les structures à des sollicitations sismiques réelles, et ainsi perfectionner les modèles numériques que nous avions établi au préalable », explique la doctorante. Grande première à l’INSA Lyon, cette technique offre une meilleure observation des impacts sismiques : « l’essai se déroule en temps dilaté. Contrairement à une table vibrante, notre installation nous permet de maîtriser tous les moyens de mesure. Le séisme est une accélération du mouvement du sol en fonction du temps. Ici, nous avons pu décomposer les mouvements de dix secondes de séisme sur deux heures d’expérience. Nous en avons conclu que les dommages antérieurs, comme l’effet du jeune-âge sur le béton, pouvaient avoir des conséquences non négligeables en zone de sismicité modérée, comme c’est le cas de l’activité sismique en France métropolitaine. D’autres structures pourraient être évaluées avec d’autres actions sismiques grâce à la maîtrise de cette technique. Notre objectif futur est de tester des structures encore plus grandes, et d’acquérir un mur de réaction encore plus haut ! », conclut Stéphane Grange.
 

Le projet EarlyQuake a été financé par un Bonus Qualité Recherche (BQR) de l’établissement. 

¹ Chaimaa Jaafari, doctorante ; Stéphane Grange, enseignant-chercheur (GEOMAS) ; David Bertrand, enseignant-chercheur (GEOMAS) ; Romain Trunfio, ingénieur ; Emeric Bruyère, technicien ; Tina Guillot, ingénieure ; Nouredinne Chateur, ingénieur ; Éric Augeard, Attaché Temporaire d’Enseignement et de Recherche ; Jean-François Georgin, enseignant-chercheur (GEOMAS) ; Fabien Delhomme, enseignant-chercheur (GEOMAS) ; Philippe Chaudet, ingénieur ; Nicolas Tardif, enseignant-chercheur (LaMCos) ; Élodie Prud’homme, enseignant-chercheure (MATEIS)

² M2S : équipe de recherche en Mécanique des Matériaux et des Structures
 

Le laboratoire GEOMAS (GÉOmécanique, MAtériaux, Structure) de l’INSA Lyon mène des recherches qui répondent à des enjeux de société dans les domaines de la construction et de l’environnement. Spécialisés dans la mécanique des structures, les enseignants-chercheurs confrontent leurs résultats théoriques à la réalité du terrain. Découverte des moyens mis en place pour récolter des données et anticiper le futur avec le cas de la tour Silex 2 dans le quartier de la Part-Dieu à Lyon.

La construction d’un bâtiment suit de nombreuses étapes nécessaires et obligatoires : études des sols, modélisation, tests, choix des matériaux… Le laboratoire GEOMAS réalise de nombreux essais sur des plateformes de qualité afin de pouvoir tester des solutions et simuler les conditions réelles. Une des étapes importantes qui précède la construction d’un bâtiment est la caractérisation du sol.

« Les immeubles ont un poids important, réparti sur une surface réduite. Les fondations doivent alors être résistantes et bien ancrées dans le sol pour assurer la fiabilité de la tour. Nous devons donc bien connaître sa nature et son comportement pour prévoir les fondations et anticiper l’enfoncement naturel du bâtiment dans le sol sous son propre poids. Plus la tour est haute, plus les fondations sont importantes », précise Rosy Milane, doctorante au laboratoire, dans l’équipe spécialisée dans la mécanique des sols.

La Part-Dieu, un quartier complexe
À la Part-Dieu, quartier d’affaires en plein centre de Lyon, les chantiers de construction se multiplient et les projets d’immeubles de grande hauteur fleurissent. Rosy Milane explique pourquoi le dimensionnement des fondations des immeubles est devenu complexe.

« Les contraintes à prendre en compte pour les calculs sont nombreuses. La densité de constructions dans le quartier, l’influence des bâtiments de proximité et la mauvaise connaissance du sol impliquent de grosses marges d’erreurs pour établir les fondations. En effet, les vingt premiers mètres de profondeur sont composés d’alluvions¹ et ensuite de molasse². Les alluvions sont assez bien connues car les fondations sont traditionnellement implantées dedans. Mais dans le cas de tours plus hautes, les fondations s’intègrent dans la molasse qui est sableuse et dont les caractéristiques ne sont pas bien connues ».

Silex 2, tour pilote pour caractériser la molasse
Le laboratoire GEOMAS et le bureau d’études Antea Group travaillent sur le projet de recherche FondaSilex. Ce projet, financé en partie par la région Auvergne-Rhône-Alpes, consiste à instrumenter les fondations de la nouvelle tour Silex 2, afin de récupérer des données sur le comportement du sol et des fondations. Des capteurs de déformation, de déplacement et de pression sont en train d’être fixés depuis février 2019 dans six des vingt pieux ancrés dans le sol sous Silex 2. Rosy Milane rédige une thèse depuis février 2018 sur le sujet.

« Ma thèse est en trois étapes : l’instrumentalisation des fondations, la réalisation d’essais expérimentaux sur des échantillons de sols récupérés pendant le forage et la création d’un modèle numérique pour traiter les données des capteurs. Ces données seront récoltées en temps réel pendant près de dix ans et permettront de mieux connaître la molasse », conclut Rosy.

À terme, une surface de 4200 m² de sol sera caractérisée. Les résultats obtenus permettront d’optimiser les calculs des futurs projets de construction, et ainsi éviter le surdimensionnement des fondations.

¹ Dépôts de sédiments abandonnés par un cours d'eau.

2 Roche sédimentaire argilo-calcaire.

The Engineering Mechanics Institute International Conference

The topics of the conference are related to Civil and Mechanical Engineering with an interest on cross- and/or multi-disciplinary fields such as Material and Environmental Sciences, Urban Planning, IT and Big Data analysis, Social impact of Natural Hazards etc.

EMI International Conference is organized under the auspices of Engineering Mechanics Institute (EMI), which is a Department of the American Society of Civil Engineers (ASCE).

L’ERC (European Research Council) est une subvention européenne reconnaissant la valeur et le potentiel de très haut niveau des recherches exploratoires. Le dispositif étant extrêmement compétitif, l’Université de Lyon au travers de l’Élan ERC identifie les chercheurs susceptibles de postuler au financement européen sur les campagnes 2019 et 2020, pour les accompagner dans leur démarche. D’une durée de 5 ans, le financement ERC est compris entre 1,5 et 3,5 millions d’euros et est attribué à un chercheur, débutant ou confirmé, dont le travail exploratoire est susceptible de constituer le fondement de nouvelles industries, nouveaux marchés et innovations sociales. 

Mis en place par l’Université de Lyon depuis le début de l’année 2018, le dispositif Élan ERC accompagne les chercheurs et les enseignants-chercheurs dans la candidature d’appel à projets ERC. Parmi les 16 dossiers sélectionnés sur le bassin lyonnais et stéphanois, deux chercheurs de l’INSA Lyon : Angela Madeo, du laboratoire GEOMAS (Géomécanique, Matériaux, Structure) et Guilhem Baeza, laboratoire MATEIS (Matériaux Ingénierie et Science).

« L’obtention de cette bourse ERC serait une aubaine pour mener mes recherches dans des conditions exceptionnelles. Le soutien de l’Université de Lyon permet d’affiner son projet et de bien comprendre le dispositif ERC », indique Guilhem Baeza, spécialiste des élastomères thermoplastiques.

Guilhem candidatera dans la catégorie « starting grant^[1] » avec un projet de développement d’un caoutchouc innovant réparable et recyclable. Ses recherches ont pour but de comprendre les propriétés des particules ferromagnétiques et d’en proposer une formulation destinée à des applications industrielles ou biomédicales. 

Angela Madeo présentera son projet en tant que « consolidator grant^[2] ». Elle travaille sur les méta-matériaux, une discipline récente développée depuis une dizaine d’année à l’INSA Lyon. En modulant leur microstructure, ces matériaux absorbent les ondes, les bruits ou les vibrations. Angela voit en l’Élan ERC une opportunité de développer ses expérimentations.

« L’Élan ERC est un réel soutien face à la sélection drastique qu’induit l’appel à projets européen. Cela nous permet de dégager du temps d’enseignement, de former une équipe en intégrant des post-doctorants sur nos projets ou d’effectuer des missions à l’étranger », ajoute Angela Madeo. 

^[1] Catégorie qui s’adresse aux jeunes scientifiques (2 à 7 ans après la thèse).
^[2] Catégorie constituant le second type de bourse destinée aux scientifiques expérimentés (7 à 12 ans après la thèse).

Comme la carapace du dragon résistante au feu, le pare-flamme Dragonskal possède des propriétés quant à lui bien réelles. Aussi léger qu’une plaque de béton cellulaire, le modèle développé dans les laboratoires de l’INSA Lyon et industrialisé par MIHB offre une perspective d’avenir en matière de sécurité incendie. Le matériau a d’ailleurs été présenté au Congrès annuel des sapeurs-Pompiers de Bourg-en-Bresse en septembre dernier. 

Tout commence en 2009, lorsque la PME oyonnaxienne MIHB rencontre le laboratoire LGCIE (Laboratoire de Génie Civil et d’Ingénierie Environnementale) de l’INSA Lyon.
L’entreprise, alors dans une dynamique de diversification de son activité de plasturgie dépendante du pétrole, se tourne vers la technologie minérale. Reconnu dans le domaine de la formulation de matériau, le laboratoire accepte le défi d’inventer des composants résistants au feu.

« Notre mission était de développer la matrice d’un produit capable de résister longtemps aux flammes. De 2009 à 2013, nous avons travaillé conjointement avec MIHB sur un panneau composite, totalement minéral », indique Jean Ambroise, professeur émérite de l’actuel laboratoire Geomas, issu du LGCIE aujourd’hui scindé en deux.

De cette collaboration est ainsi né Dragonskal aux propriétés prometteuses : le panneau de 40 mm d’épaisseur exposé deux heures à 1100° ne s’enflamme pas, ne dégage aucune fumée ni goutte enflammée et offre une résistance mécanique étonnante. Si son innovation tient dans la formule développée par l’INSA Lyon, le panneau pare-flamme répond également à une problématique environnementale puisqu’il peut être considéré comme un déchet inerte de par sa composition minérale. 

Et les applications sont nombreuses : murs coupe-feu, tunnels, espaces sensibles, gaines de désenfumage, coating de casques de pompiers... Tout est à envisager grâce à cette innovation encourageante pour le domaine de la protection des biens et des personnes.

« Le Dragonskal interpelle et questionne. Des grands groupes industriels s’intéressent à la composition du produit pour les couloirs de train, d’avions, les camions, les cuisines de restaurants… La sécurité incendie est une problématique qui concerne tous les domaines », rappelle Jean Ambroise.  

Ces années de projet collaboratif ont permis de tisser des liens forts entre le laboratoire et MIHB que le professeur émérite souhaiterait voir perdurer.

« Ayant été l’interface entre le laboratoire et l’entreprise, j’aimerais passer le flambeau aux plus jeunes pour conserver cette relation de confiance essentielle à ces travaux d’innovation car les possibilités d’applications sont infinies pour répondre aux problématiques de sécurité incendie ».  

Un mois après le tremblement de terre qui a frappé le Mexique en plein cœur, l’INSA accueille le séminaire Projet d’investissement d’avenir PIA-SINAPS@, Séisme et Installation Nucléaire : Améliorer et Pérenniser la Sûreté, les 9 et 10 novembre 2017 à la Bibliothèque Marie Curie de l’INSA Lyon.

Entretien avec Stéphane Grange, Professeur à l’INSA Lyon et chercheur au laboratoire GEOMAS, ex-SMS-ID (Sols Matériaux Structures – Intégrité et Durabilité).

Que va-t-il se passer durant ce séminaire ?
On attend tous les acteurs de ce projet qui vont faire leur restitution de l’année en matière de risque sismique, principalement associée aux infrastructures de génie civil, de type centrales nucléaires. Ce projet rentre dans sa 5^e et dernière année d’existence, avec l’objectif de faire le lien entre les sismologues qui traitent les données permettant d’évaluer l’aléa sismique, et les acteurs du génie civil qui ont besoin de ces données pour avancer sur l’amélioration de la sûreté des installations nucléaires.

Ce projet SINAPS a démarré aux lendemains de la catastrophe de Fukushima (mars 2011), survenue à la suite du séisme et du tsunami qui a frappé l’est du pays. L’Agence Nationale de la Recherche (ANR) a lancé un appel à projets en 2013, doté de 50 M€, pour la recherche en sureté nucléaire et en radioprotection.

La France est perçue comme étant un pays à risque sismique modéré. Cela a-t-il changé ?
Notre contexte est différent de celui du Japon, mais s’il est vrai qu’en France métropolitaine, les risques sont modérés, ce n’est pas le cas en Guadeloupe et Martinique. Les Antilles sont en zone de sismicité forte comme on peut le voir sur la carte du zonage sismique de la France. Ce nouveau zonage entré en vigueur en 2011 a d’ailleurs été revu à la hausse car les connaissances en la matière ont évolué et se sont enrichies. On a une meilleure prédiction pour les séismes modérés car on dispose de plus de données, et c’est aussi une des raisons du lancement de ce projet. Ces données peuvent aujourd’hui nous amener à penser qu’une plus grande probabilité de risque sismique existe et il faut arriver à mieux cerner d’où viennent les marges sismiques, à mieux les maitriser, dans le but d’augmenter la durée des vies des ouvrages.

L’Italie, qui est en zone de sismicité forte, a subi des séismes qui ont rasé des zones habitées entières.

En Métropole, le quart sud-est est à surveiller.

Et si on se réfère au passé historique de la France, notre pays a connu en 1909 un séisme de magnitude 6,1 sur l’échelle de Richter. Ce séisme de Lambesc est le tremblement de terre de magnitude la plus élevée enregistrée en France métropolitaine. S’il avait lieu aujourd’hui, compte tenu du développement économique actuel, il ferait beaucoup plus de dégâts.

Quelle est la place de l’INSA dans l’étude de ces problématiques ?
La thématique sismique est traitée à l’INSA, elle a d’ailleurs donné lieu à d’importants projets par le passé, notamment menés par Jean-Marie Reynouard, Professeur émérite au laboratoire SMS-ID et ancien Directeur de la Recherche à l’INSA Lyon. En intégrant il y a un an ce laboratoire, j’ai renforcé la compétence « structure ». Diplômé de l’ENS Cachan, j’ai effectué ma thèse à l’Université de Grenoble dans le domaine du génie parasismique et un post-doc à l’Université de Californie de Berkeley, très concernée par la question puisque située dans une région à fort risque sismique. Après 7 ans en tant que Maître de Conférences à l’Université de Grenoble-Alpes, j’ai intégré l’INSA et aujourd’hui, nous accueillons cette séance plénière qui va amener de la visibilité à notre laboratoire et nos compétences, dans une région où le risque sismique est plus important que partout ailleurs en France.