Cette recherche porte sur le phénomène des vibrations éoliennes de structures cylindriques, une instabilité aérodynamique qui affecte généralement les corps non-profilés. Le détachement tourbillonnaire causé par l'interaction fluide-structure peut amener une structure en résonance si la fréquence d'émission tourbillonnaire correspond à une de ses fréquences naturelles. Il est possible d'estimer les vitesses critiques de ce détachement en appliquant la relation de Strouhal qui utilise la fréquence naturelle de la structure, la vitesse d'écoulement et le nombre de Strouhal propre à la géométrie extérieure. Les expérimentations antérieures ont démontré que différents types de détachement tourbillonnaire se produisaient lors de cette instabilité, les dit 2P et 2S par exemple. Chaque type de détachement est associé à une différente courbe ou"branche" d'amplitude de vibration en fonction de la vitesse. Il a également été observé que ces deux courbes d'amplitude peuvent être présentes pour une même plage de vitesse, causant ainsi un hystétéris au phénomène. En utilisant un montage expérimental à très faible amortissement mécanique, ces branches d'amplitude ont été observées et étudiées pour extraire les caractéristiques des comportements instationnaire et permanent. L'ajout d'un nouveau système de visualisation haute vitesse a permis d'observer les types de détachement tourbillonnaire associés à ces branches. Les données obtenues étaient cohérentes avec la littérature et présentaient certains éléments de nouveauté. Une modélisation semi-empirique basée sur les travaux de Scanlan et les données expérimentales ont permis de déterminer les paramètres aérodynamiques nécessaires à sa formulation. Une solution numérique a été mise au point et le développement d'un code numérique a permis de reproduire les comportements vibratoires observés expérimentalement. Afin de recréer certains comportements, tels que la composante hystérétique du phénomène, l'utilisation de générateurs de nombres aléatoires s'est avérée indispensable.

Ce travail porte sur le développement d'un modèle de câble multicouche permettant la modélisation de son comportement en flexion libre, en tenant compte de l'élasticité des interfaces de contact entre les brins. Le nouveau modèle reprend plusieurs éléments de modèles considérant uniquement un comportement de type stick-slip (non-glissement - glissement) et qui ont déjà fait l'objet de publications. L'influence de l'élasticité des contacts est intégrée dans le modèle en utilisant la théorie des contacts élastiques d'Hertz. Les dimensions des ellipses de contact sont calculées en considérant un comportement élastique-parfaitement plastique. Les forces et les déplacements aux ellipses de contact sont calculés séquentiellement, en débutant par les interfaces entre la couche externe et la couche sous-jacente, pour une valeur de courbure imposée à l'axe central d'un élément de câble de longueur unitaire. La force de traction tangente à chacune des interfaces est calculée en utilisant une fonction continue de la position angulaire du brin, et le déplacement aux interfaces est calculé de manière indépendante pour chacun des brins. Le modèle est validé en comparant les résultats numériques obtenus avec ceux générés par d'autres modèles de câble ayant fait l'objet de publications, pour un conducteur AAC, un conducteur ACSR et un câble en acier. Les résultats montrent que la prise en compte de l'élasticité des contacts réduit considérablement la rigidité initiale du câble et cette valeur devient dépendante de la tension appliquée. Le comportement du câble devient non-linéaire pour de faibles valeurs de courbure, même lorsqu'aucun brin n'est en glissement. À l'aide d'un outil de calcul par éléments finis développé dans le cadre de ce travail, certains essais quasi-statiques sont reproduits numériquement, et les résultats obtenus sont comparés à des résultats expérimentaux publiés dans la littérature.

Les vibrations éoliennes sont la cause principale de bris de conducteurs en fatigue des lignes aériennes de transport d'énergie électrique. Ces vibrations sont dues à des détachements tourbillonnaires produits dans le sillage du conducteur. Une méthode commune de réduction des vibrations est l'ajout d'amortisseurs de vibrations près des pinces de suspension. Contrairement aux essais en ligne expérimentale, la modélisation numérique permet d'évaluer rapidement et à faible coût la performance d'un amortisseur de vibration sur une portée de ligne aérienne. La technologie la plus fréquemment utilisée fait appel au principe de balance d'énergie (PBE) en évaluant le niveau de vibrations pour lequel la puissance injectée par le vent est égale à la puissance dissipée par le conducteur et l'amortisseur. Les méthodes actuelles pour la prédiction des vibrations reposent sur des hypothèses simplificatrices quant à la modélisation de l'interaction conducteur-amortisseur. Une approche prometteuse pour la prédiction des vibrations est l'utilisation d'un modèle numérique temporel non linéaire qui permet de mieux représenter la masse, la géométrie, la rigidité et l'amortissement du système. L'objectif principal de ce projet de recherche est de développer un modèle numérique avec intégration temporelle directe d'un conducteur et d'un amortisseur en vibration permettant de reproduire le comportement dynamique du système pour la gamme de fréquence et d'amplitude typique des vibrations éoliennes des conducteurs. Un modèle par éléments finis d'un conducteur seul en vibration résolu par intégration temporelle directe a d'abord été développé en considérant une rigidité de flexion variable. Comme une rigidité de flexion constante et égale à 50% de la rigidité de flexion maximale théorique ( EImax ) est jugée adéquate pour la modélisation du conducteur, c'est cette valeur qui a été utilisée pour la suite du projet. Ensuite, des modèles non-linéaires pour deux types d'amortisseur de vibrations (Stockbridge et Hydro-Québec) ont été développés. Ces modèles reproduisent adéquatement le comportement dynamique des amortisseurs pour une grande gamme de fréquences et d'amplitudes de déplacement. Finalement, les modèles d'amortisseur ont été intégrés au modèle de conducteur et uil nouvel outil de prédiction de vibrations éoliennes basé sur le principe de balance d'énergie (PBE) a été développé. Celui-ci permet de bien reproduire des àmplitudes de vibration mesurées sur une ligne expérimentale, en particulier dans la gamme 8 à 35 Hz. À plus long terme, un tel modèle pourrait servir de point de départ vers une modélisation temporelle complète du phénomène de vibrations éoliennes des conducteurs incluant l'excitation éolienne, l'auto-amortissement des conducteurs et des conditions limites réalistes pour les lignes aériennes.

Le vieillissement des lignes de transport d’énergie électrique est une problématique majeure des réseaux. D’ailleurs, des problèmes se posent au plan de l’évaluation de l’état des conducteurs qui, soumis aux vibrations éoliennes, sont vulnérables à l’endommagement en fatigue. Surtout présent aux pinces de suspension, ce phénomène est encore difficile à quantifier, notamment quant à la prédiction de la durée de vie résiduelle des conducteurs. D’autre part, avec le besoin croissant d’optimiser l’exploitation du réseau tout en maintenant sa fiabilité, une estimation précise de l’état d’endommagement des conducteurs est primordiale. Pour cela, une caractérisation des sollicitations à l’échelle des brins est d’abord requise. L’objectif principal de cette thèse vise donc le développement d’une stratégie de modélisation et d’analyse des conducteurs sollicités en vibrations éoliennes permettant une évaluation précise des conditions de chargement locales à l’échelle des brins, tout en tenant compte de l’effet de la géométrie des pinces de suspension. Une stratégie de modélisation 3D des solides toronnés est d’abord développée avec la méthode des éléments finis selon une discrétisation individuelle des brins par éléments poutres, capable de traiter toutes les interactions inter-filaires en frottement. Cette modélisation traduit efficacement la cinématique des torons tout en donnant accès aux charges locales. Son caractère général lui permet aussi d’être appliquée à tout problème impliquant des torons. Appliquée à l’étude des conducteurs sous l’effet des vibrations éoliennes, la stratégie conduit à une description précise de leur comportement tant au plan global en flexion que de la description des contraintes aux brins. Des estimations réalistes de durées de vie en fatigue des conducteurs sont même possibles par l’application de critères d’endommagement aux contraintes. Ensuite, les pinces de suspension sont intégrées à la stratégie de modélisation selon une représentation surfacique traitant le contact pince/conducteur. Une comparaison à des mesures expérimentales met en relief la précision de l’approche. L’analyse de la solution numérique permet l’identification des zones critiques d’endommagement en contact à chacune des couches du conducteur et révèle des informations nouvelles quant à la nature de la sollicitation des brins à la pince de suspension. Finalement, des travaux exploratoires proposent un nouveau concept d’analyse multi-échelles en combinant la modélisation numérique d’un système pince/conducteur à des essais de fatigue sur brins individuels. Une mise en œuvre préliminaire de l’approche permet de valider le concept et en jette les bases en vue de son application future. En somme, la stratégie de modélisation développée dans cette thèse constitue un puissant outil d’analyse qui ouvre maintenant la voie à une caractérisation appropriée de la fatigue des conducteurs en vue ultimement de prédire leur durée et vie résiduelle. / Abstract : The aging of overhead transmission lines is a major concern for utilities. In particular, problems arise in assessing the integrity of conductors whose exposure to Aeolian vibrations renders them vulnerable to fatigue damage. Occurring mainly at the suspension clamps, conductor fatigue is still difficult to quantify, especially regarding the prediction of their residual life. With the increasing need to optimize the power grid while maintaining its reliability, accurate evaluations of the conductor damage state become crucial. To this matter, a characterization of the stress levels at the wire scale is first required. The main objective of this thesis is therefore to develop a strategy for the modeling and analysis of conductors subjected to wind induced vibrations, allowing an accurate description of the local load conditions, while accounting for the effects of the suspension clamps. A finite element wire strand modeling strategy is first developed based on a 3D beam element discretization, considering all frictional wire interactions. The modeling approach efficiently reproduces the wire strand kinematics while giving access to the local loads. Its general formulation also allows it to be applied to any problem involving strands. Applied to the study of conductors subjected to Aeolian vibrations, the strategy leads to an accurate description of their behavior at both the global strand deformations and the wire stress description. Realistic conductor residual life estimates are even possible with the use of common damage criteria. The suspension clamps are then incorporated into the modeling strategy using a surface representation of the conductor/clamp contact. Comparisons with experimental measurements highlight the precision of the approach. The model response analysis allows now the identification of the critical damage zones within each conductor layers and reveals new information about the nature of the wire stresses at the suspension clamp. Finally, exploratory works propose a new concept of multi-scale analysis combining the numerical conductor/clamp modeling strategy to experimental fatigue tests on individual wires. A preliminary implementation of the approach validates the concept and lays the foundations for its future application. In summary, the modeling strategy developed in this thesis constitutes a powerful analytical tool which now opens the way to an appropriate characterization of conductor fatigue with the ultimate objective to eventually predict their residual life.