Résistance à l’arrachement éolien : une solution durable pour les infrastructures hautes

Les structures hautes comme les tours radio subissent des charges de vent importantes qui génèrent des forces d’arrachement au niveau de leurs fondations, un défi dont le fardeau s’alourdit, car les phénomènes naturels comme les typhons et les tornades deviennent plus fréquents et plus sévères.

Les pylônes de transmission, les mâts de télécommunication et les installations d’énergie solaire sont particulièrement sensibles car les forces d’arrachement, plutôt que les forces de compression, influencent la stabilité des fondations. D’autre part, l’industrie de la construction est confrontée à des obstacles pour gérer les sols excavés excédentaires, dont une partie est utilisée sur site tandis que le reste est généralement transporté ailleurs pour élimination, ce qui augmente les coûts et les risques environnementaux. Les effets combinés de ces pressions ont mis en évidence la nécessité de systèmes de fondation qui améliorent simultanément la résistance au vent et permettent une utilisation plus efficace du sol sur site.

Pour relever ces défis, un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Shinya Inazumi du Shibaura Institute of Technology, au Japon, a étudié un système de fondation par pieux composites à ailettes conçu pour offrir une résistance à l’arrachement ainsi qu’une réutilisation structurelle des sols excédentaires de construction. L’étude, mise en ligne le 1er février 2026 et qui sera publiée dans la revue Results in Engineering le 1er mars 2026, évalue si les fondations combinant l’utilisation de sols excavés peuvent atteindre des capacités d’arrachement comparables à celles des pieux en acier conventionnels tout en réduisant la dépendance aux matériaux de remblai importés.

Le professeur Inazumi affirme : « Nous avons observé des projets où les exigences liées au vent augmentaient, mais de grands volumes de sols potentiellement utilisables étaient traités comme des déchets. Cette lacune de compréhension nous a motivés à explorer un système de fondation qui pourrait traiter les deux problèmes simultanément. »

Le pieu composite à ailettes se compose d’un tuyau en acier avec des ailettes de base élargies, entouré de composants structurels en acier tels que des plaques de revêtement. L’espace annulaire entre le tuyau en acier et les éléments structurels environnants est rempli de sol excédentaire généré sur site. Pour comprendre le comportement à l’arrachement, les chercheurs ont réalisé une série de 35 tests d’arrachement à l’échelle modèle couvrant sept configurations de pieux. Ces expériences ont examiné l’influence du diamètre de l’ailette de base élargie, de la densité du sol, des caractéristiques de surface des composants en acier, et de la présence ou de l’absence de plaques de revêtement sur la résistance à l’arrachement. En plus des tests physiques, des analyses par éléments finis (FEM) ont été réalisées pour des cas sélectionnés afin d’évaluer si les simulations numériques pouvaient reproduire les tendances observées expérimentalement.

Les résultats ont montré une augmentation constante de la résistance à l’arrachement avec des diamètres d’ailettes de base élargies plus importants, et ce pour toutes les configurations. Cette relation a été observée indépendamment de la densité du sol ou du type de pieu, indiquant que la géométrie de l’ailette joue un rôle dominant dans la capacité d’arrachement. Dans certaines conditions, le pieu composite à ailettes a atteint une résistance à l’arrachement comparable, voire supérieure, à celle des pieux en acier conventionnels, démontrant l’efficacité du sol excédentaire lorsqu’il est utilisé comme partie intégrante du système résistant aux charges.

Le professeur Inazumi explique : « Les pieux composites à ailettes remplis de sol excédentaire de construction peuvent offrir une résistance à l’arrachement comparable ou supérieure à celle des pieux en acier conventionnels. Ces pieux permettent la réutilisation sur site de grands volumes de sols excavés, contribuant à la sécurité structurelle et à la durabilité environnementale des fondations résistantes au vent. Nos tests ont révélé que la capacité d’arrachement augmentait avec le diamètre de l’ailette de base élargie dans toutes les configurations. »

Une découverte importante a été que la densité du sol a été identifiée comme un facteur critique influençant la résistance à l’arrachement. Une réduction de la densité du sol d’environ 20 % a entraîné une diminution moyenne de la résistance à l’arrachement d’environ 50 %. Cette réduction significative souligne l’importance du contrôle du compactage lorsque le sol excédentaire est utilisé comme matériau structurel.

De plus, l’étude a également démontré que les caractéristiques de surface des composants en acier environnants affectent la résistance à l’arrachement. Les plaques de revêtement ondulées ont fourni une augmentation de la capacité d’arrachement d’environ 12 à 13 % par rapport aux composants en acier lisses. Cela a été attribué à une résistance frictionnelle accrue et à un ancrage mécanique entre le sol et les composants en acier. L’analyse par éléments finis a également été réalisée pour examiner si les simulations numériques pouvaient reproduire les tendances expérimentales.

Expliquant les applications du système de pieux composites à ailettes, le professeur Inazumi a précisé : « Nos résultats peuvent être directement appliqués aux fondations d’infrastructures qui doivent résister à un fort arrachement éolien, telles que les pylônes de transmission, les tours radio, les mâts de télécommunication et les installations d’énergie solaire construites sur des sols sableux. Notre système offre une alternative pour ces structures, en proposant des capacités d’arrachement comparables ou supérieures à celles des pieux en acier conventionnels tout en réduisant le besoin de matériaux de remblai importés de haute qualité. »

En intégrant les résultats expérimentaux des analyses FEM, les chercheurs ont proposé des directives de conception associant la résistance à l’arrachement au diamètre de l’ailette de base élargie et à la densité du sol. L’étude établit les pieux composites à ailettes comme un système de fondation qui combine la résistance à l’arrachement avec la réutilisation sur site de grands volumes de sols excédentaires de construction, répondant à la fois aux exigences structurelles et aux besoins d’utilisation des sols excédentaires.

Article : Uplift resistance of winged composite piles with surplus soil backfill: Model experiments and numerical validation – Journal : Results in Engineering – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Shibaura Institute of Technology