Contexte – problématique

L’énergie photovoltaïque connaît un fort développement du fait de son adéquation avec les enjeux actuels de développement durable. On constate l’émergence de solutions technologiques associées à l’implantation de panneaux solaires dans beaucoup de situations différentes (façades de bâtiments, couvertures de toitures, ombrières de parking, pergolas), l’objectif étant toujours de « rentabiliser » un espace exposé au soleil remplissant une fonction annexe (souvent un abri). Parmi les différentes solutions, on assiste au développement de champs photovoltaïques qui permettent de valoriser des terrains agricoles soit en assurant une seconde fonction en plus de leur fonction première de pâturage, soit en utilisant des terrains ayant une faible valeur agricole (ancien site pollué, site industriel, site pauvre en nutriments). Dans ce dernier cas, les panneaux solaires couvrent la totalité de l’espace disponible. Ces ouvrages reposent sur le sol naturel par le biais d’une fondation monopode ou bipode (portique). Les charges transmises sont relativement légères comparées aux charges usuelles de bâtiment, mais ces structures subissent des charges horizontales et des charges de traction verticale non négligeables du fait de l’action du vent et de l’envergure des panneaux. Or si le comportement des fondations (et notamment des pieux) est bien maîtrisé d’un point de vue scientifique et règlementaire en ce qui concerne la réponse en compression [1-3], le comportement en traction et flexion, avec des sollicitations cycliques reste à mieux appréhender. Des travaux sont menés sur cet aspect pour étudier la stabilité des éoliennes [4-6], mais dans le cas des mats photovoltaïques, des études spécifiques sont nécessaires car les fondations de ces ouvrages sont souvent des structures élancées enfoncées sur une faible profondeur (environ 1.5m) dans un sol souvent de qualité médiocre et hétérogène [7]. De plus, la catégorie d’importance de ce type d’ouvrage implique qu’en France, aucune obligation assurantielle n’est requise pour le constructeur : c’est-à-dire que l’entreprise responsable des travaux n’est pas obligée de contracter d’assurance pour garantir la viabilité de la structure édifiée. Le contexte règlementaire est donc quasiment inexistant alors que la spécificité technique de ces ouvrages conduit à une multitude de solutions technologiques proposées pour répondre au besoin de fonder correctement ces structures. Enfin, le retour d’expérience sur la construction d’ouvrages de ce type dans le passé n’est que peu éclairant du fait de l’essor extrêmement récent de ces technologies.

En particulier, les fondations de ces ouvrages sont souvent des structures élancées enfoncées dans le sol sur une faible profondeur (environ 1.5m) : le sol environnant étant de mauvaise qualité. Les principes de dimensionnement et les connaissances associées des fondations profondes ne sont que peu applicables dans ce cas, du fait de la hauteur limitée de ces fondations. Ainsi, des études sont nécessaires pour mieux comprendre le fonctionnement de ces fondations élancées peu profondes, afin d’aboutir à des méthodologies de dimensionnement.

Comportement des fondations de mats photovoltaïques : approches fiabilistes, numériques et expérimentales

Objectifs

Ce projet de thèse a pour objectif d’évaluer la réponse en traction et en chargement latéral de fondations de mâts photovoltaïques, en fonction des paramètres de la fondation et du sol support. Il s’agit d’évaluer le comportement d’ensemble de la fondation dans un massif de sol de propriétés hétérogènes.

Description du projet proposé

Ce travail examinera le comportement de fondation de structures légères sous sollicitations complexes (traction et chargement latéral cyclique) en intégrant la variabilité des terrains. Le type de sol (granulométrie, densité) sera aussi varié. L’étude commencera par des modélisations numériques aux éléments discrets. Celles-ci reproduiront les étapes de mise en œuvre (battage, vibration, fonçage) des fondations ainsi que les chargements : des chargements combinés traction + charge latérale seront aussi envisagés car plus représentatifs de la réalité du terrain. Ensuite, des essais expérimentaux à échelle réduite sur des modèles de fondations (battues ou foncées) de quelques centimètres de diamètre seront réalisés dans différents types de sols, y compris des sols cohérents, donc non granulaires. Le cas échéant, les résultats expérimentaux seront comparés avec la modélisation numérique. Enfin, des essais expérimentaux dans la fosse d’essai géotechnique (3m de profondeur) seront réalisés sur un modèle de fondation foncée et battue dans un massif de sol. Les résultats expérimentaux seront comparés avec la modélisation numérique.

Sur la base de ces résultats, des tendances seront extraites, et éventuellement interprétées via des méthodes d’analyse statistique (et/ou IA) pour corréler les paramètres d’entrée du système (géométrie, caractéristique du sol, type de sollicitation) avec les paramètres de sortie (résistance ultime, réponse en déplacement du mât).

Verrous scientifiques, techniques et technologiques

• Développer des modèles numériques adaptés pour étudier le comportement en traction et sous chargement latéral de fondations élancées et peu profondes.
• Déduire la répartition des contraintes dans les couches superficielles d’un massif de sol chargé latéralement par une fondation.
• Proposer deux systèmes expérimentaux (protocole et modèle) réalistes et pertinents pour étudier le comportement de ces fondations à échelle réduite.
• Établir des relations entre la forme de la fondation, le type de sol et la réponse en traction et en chargement latéral de l’ensemble.

Déroulement du projet de thèse

1. Analyse de la littérature sur le sujet :
   1. Essais de reconnaissance géotechnique in-situ
   2. Modèles numériques aux éléments discrets
   3. Comportement des fondations profondes (battues, foncées, vibrées)
   4. Comportement des fondations d’éoliennes et de mats photovoltaïques
   5. Modèles expérimentaux de fondations
2. Réalisation des modèles numériques
   1. Mise en place des échantillons de sol
   2. Mise en place de la fondation
   3. Essai de chargement (latéral et/ou traction)
3. Réalisation de la campagne à échelle réduite
   1. Sélection des sols parmi la base de données de 30 sols de référence présente au laboratoire
   2. Sélection des modèles de fondation
   3. Mise en œuvre du sol et caractérisation
   4. Mise en œuvre de la fondation
   5. Protocole de chargement pour les essais
4. Réalisation de la campagne à échelle ½ dans la fosse géotechnique
   1. Caractérisation du sol expérimental
   2. Mise en œuvre de la fondation
   3. Protocole de chargement des essais

Réalisation du projet

Durée : 3 ans

Encadrement : N. Savalle, P. Breul, M. Navarrete (Entreprise SolSolution)

Démarrage : dernier trimestre 2025

Responsabilités du·de la Candidat·e

• Comprendre les enjeux du sujet.
• Définir un modèle numérique du problème
• Réaliser les simulations numériques et étudier l’effet de chaque paramètre (supposé homogène et/ou hétérogène)
• Définir un protocole d’essai adapté au problème posé
• Réaliser des essais dans différentes conditions
• Analyser les données et les confronter ensemble

L’axe Mécanique, Génie Mécanique, Génie Civil, Génie Industriel (M3G) de l’Institut Pascal a pour ambition de relever les défis scientifiques que posent les exigences industrielles dans les domaines de la mécanique et du génie civil, à travers des approches innovantes et pluridisciplinaires. Les activités de recherche couvrent un spectre très large allant de la mécanique des matériaux et structures à la conception des mécanismes et des robots, en passant par les méthodes probabilistes, les techniques de mesure sans contact et les modélisations numériques des systèmes complexes. Les compétences acquises portent sur la caractérisation expérimentale et l’analyse du comportement des matériaux et structures, l’analyse multi-échelle des milieux continus et granulaires, les méthodologies d’innovation, de modélisation et d’optimisation des machines, mécanismes et robots, la prise en compte des incertitudes dans la modélisation, la conception et l’exploitation des systèmes industriels. En plus des collaborations internationales, de nombreux projets scientifiques et industriels ont été réalisés dans les domaines de la mécanique et du génie civil.

• Master 2 en Génie Civil ou Génie Mécanique.
• Connaissance solide en mécanique des milieux continus et mécanique des sols.
• Affinité avec les logiciels de simulations numériques et la programmation associée.
• Appétence pour l’intelligence artificielle et le traitement statistique des données.
• Capacité d'organisation et d'innovation pour mener une campagne expérimentale.
• Bonne connaissance de l'anglais.