effet dynamique du vent

selon les deux grands spécialistes canadiens W. A. Dalgliesh et D. W. Boyd*
****************************************************
Les surcharges de vent ont pris une importance particulière à cause
des immeubles très élevés qu'on construit de nos jours. D'autres
facteurs, néanmoins, ont contribué à donner beaucoup d'importance au
vent dans les calculs, comme les toits légers à pente douce, les
murs-rideaux et les "formes aérodynamiques" de certains ouvrages.

De hauts bâtiments atteignant des hauteurs où le vent souffle très,
rapidement ont tangué. Des toits légers, mai attachés, ont été emportés
par le vent et des éléments de toitures ont été soulevés par des
aspirations locales très fortes et finalement arrachés. Ce sont des
problèmes de ce genre qui ont amené les spécialistes à s'occuper
davantage du vent et de ses effets.

La forme du profil vertical des vitesses des vents violents dépend
principalement du degré de la rugosité de la surface, c'est-à-dire de
l'effet total de ralentissement des bâtiments, des arbres et autres
obstacles qui s'opposent à l'écoulement du vent à la surface. Trois
profils typiques de vitesse du vent sont indiqués à la figure 1 où
l'effet de la rugosité variable de la surface sur les vitesses de vent
moyennes est indiqué pour un vent de gradient dont la vitesse est
arbitrairement fixée à 100 milles à l'heure.



Figure 1. Profils de vitesses moyennes sur trois types de terrain pour un vent de 100 milles à l'heure.

Chaque ouvrage a une fréquence naturelle de vibration et si une
charge dynamique devait se produire sur lui ou près de lui des ruptures
de charpente pourraient se produire lesquelles seraient dis
proportionnées par rapport à l'importance de la charge. Par exemple des
ponts capables de supporter des charges plus grandes que le poids d'une
compagnie de soldats se sont effondrés sous la charge dynamique
d'hommes marchant au pas.

De même, certaines rafales périodiques dans le large spectre des
rafales de vent peuvent entrer en résonance avec la fréquence de
vibration naturelle d'un bâtiment et quoique la force totale provoquée
par cette fréquence particulière de rafale soit bien inférieure à celle
de la charge statique calculée pour le bâtiment, des oscillations
dangereuses peuvent se produire. Ceci s'applique non seulement à
l'ouvrage dans son ensemble mais aussi il des éléments comme les
panneaux des murs-rideaux, les vitres, etc. Un second effet dynamique
est provoqué par l'instabilité de l'écoulement autour de certains
ouvrages. Les longs ouvrages étroits comme les cheminées et les ponts
suspendus sont particulièrement sensibles à ce genre de charge. Dans de
tels cas l'instabilité dynamique de l'écoulement peut se produire
lorsque des tourbillons se séparent d'abord d'un côté puis de l'autre
côté de l'objet, ce qui donne lieu à une répartition alternée de
tourbillons qui se forment dans son sillage. Une poussée latérale est
ainsi exercée sur l'objet de la même façon que la poussée qui s'exerce
sur un plan aérodynamique et du fait que cette poussée alterne en
direction une vibration petit en résulter. Ce phénomène se retrouve
lorsqu'on fait passer une baguette droite dans l'eau laquelle se met à
vibrer. Un autre exemple est fourni par les lignes de transport de
courant qui "galopent" et qui donnent beaucoup d'ennuis aux compagnies
d'électricité.

Peut-être que l'exemple le plus dramatique de la sensibilité des
ouvrages à l'instabilité dynamique de l'écoulement a été la rupture du
pont suspendu de Tacoma Narrows. Des vents très modérés ont provoqué des oscillations allant jusqu'à 50 pouces en amplitude tandis que des vents très violents avaient peu d'effet. Lorsque la rupture de la
travée centrale de 2800 pieds s'est produite en novembre 1940 la
vitesse du vent n'était que de 42 milles à l'heure et pendant deux
heures, auparavant, un vent régulier de 38 milles à l'heure avait
soufflé.

Conclusion

Quelques-unes des caractéristiques du vent près de la surface de la
terre ont été brièvement décrites dans le présent Digeste. Une
attention particulière a été portée à la question des rafales et au
taux d'augmentation de la vitesse du vent moyen et de la vitesse
maximum des rafales en fonction des altitudes. Une méthode permettant
de déterminer les vitesses de vent standard à partir des observations
faites au Canada a été décrite. Ces vitesses forment la base nécessaire
pour la conversion des vitesses de vent en charge de vent pour divers
types d'ouvrages.

En nous permettant de mieux connaître la structure du vent et des
interactions complexes qui se produisent entre le vent et les
bâtiments, la recherche nous donne le moyen d'utiliser plus
judicieusement les matériaux dont nous disposons. Elle nous donne
également le moyen d'estimer avec plus de précision les charges
statiques et d'inclure dans les calculs les charges dynamiques sans
lesquelles il serait difficile de concevoir un ouvrage à toute épreuve.

Merci bcp rachid les sujet sur l'effet du vent sont tres peu traité ici
parfait .

merci

Pressions du vent et phénomènes d'aspiration sur les toits

Publié à l'origine en octobre 1967.

W.A. Dalgliesh et W.R. Schriever

Les toits des maisons sont exposés au danger d'endommagement lorsque
le vent souffle avec une violence d'ouragan. La plupart des personnes
ont une notion vague de ce fait, mais ignorent la nature et la
répartition des forces engendrées par le vent. La question est
complexe; une étude correcte de toit doit cependant reposer sur une
connaissance suffisante de la circulation de l'air autour des
bâtiments. L'objet du présent digeste est d'aider le lecteur à
l'acquérir.

Les effets les plus frappants de l'action du vent sur les toits
consistent dans les dommages causés par des vents extrêmement violents.
Leur étude permet de tirer trois enseignements:

1. Il arrive souvent que des toits entiers soient soulevés et arrachés
   d'un bâtiment; le vent doit donc exercer sur les toits de puissants
   efforts de soulèvement plutôt que des pressions.
   
2. Les dommages sont souvent concentrés sur de petites sections
   voisines des angles et des faîtes. Les forces exercées par le vent ne
   sont donc pas uniformément réparties, mais présentent des valeurs
   extrêmes dans certaines zones.
   
3. Les dommages sont parfois limités au revêtement externe du toit
   (bardeaux ou multicouche) et n'affectent pas la totalité de
   l'assemblage qui constitue la toiture. Il doit donc exister une
   différence de pression entre les deux faces du revêtement d'étanchéité
   du toit plutôt que de part et d'autre de l'ensemble de la toiture.
   

Les pressions positives du vent, c'est-à-dire les forces exercées
sur le toit et dirigées vers le bas, n'engendrent presque jamais de
dommages. S'il arrive qu'elles prennent naissance, elles sont
normalement neutralisées par le fait que les toitures canadiennes sont
prévues pour résister aux pressions vers le bas exercées par la neige.

Notions de base

La figure n° 1 représente le cas le plus simple d'un élément à
arêtes vives faisant obstruction à un écoulement d'air au-dessus du
sol. L'élément obstructeur est un mur infiniment long, de sorte que
l'écoulement d'air n'est que bi-dimensionnel. Le mur modifie la
quantité de mouvement de l'écoulement en repoussant vers le haut les
filets fluides. Il en résulte une pression positive sur le mur. Il
existe, en avant du mur de la figure n° 1, une région tourbillonnaire
triangulaire, où 1'"air emprisonné" est soumis à une pression qui est
positive si on la compare à la pression régnant dans l'écoulement d'air
non perturbé.




Figure 1. Ecoulement de l'air au-dessus d'un mur de grande longueur.

Les filets fluides indiquent non seulement la direction de
l'écoulement d'air, mais aussi les changements de vitesse. Plus ils
sont serrés, plus grande est la vitesse dans la section considérée.
Ceci résulte de ce qu'à hauteur d'une section quelconque, la même
quantité de fluide doit passer entre deux filets fluides. En tout point
d'un écoulement laminaire, la pression peut être calculée en fonction
de la vitesse des particules; l'énergie totale, somme de l'énergie
cinétique et de l'énergie due à la pression, est en effet constante.

Les relations mathématiques entre les vitesses d'un point à un
autre, de même que la constance de l'énergie totale, ne peuvent pas
toujours être utilisées pour calculer la répartition des pressions. Ce
calcul n'est possible que si le courant de fluide se partage entre une
zone d'écoulement laminaire, et une zone de turbulence contenant
l'élément obstructeur. Si cet élément affecte une forme aérodynamique,
les filets fluides peuvent longer sa surface. Il ne se forme pas dans
ce cas de régions tourbillonnaires.

Bien qu'on ne puisse ordinairement pas en obtenir une connaissance
exacte, la forme de la couche-limite séparant les régions
tourbillonnaires des régions à écoulement laminaire devrait en principe
intervenir dans le calcul des vitesses et pressions. En pratique,
lorsqu'on étudie les répartitions des pressions sur des formes à arêtes
vives, on ne recourt pas à l'analyse mathématique; on utilise de
préférence des expériences en soufflerie sur maquettes à l'échelle. Si
les idées qui précèdent ont été exposées, ce n'est pas en vue de
permettre au lecteur de calculer les distributions des pressions, mais
seulement pour lui donner une description qualitative de l'écoulement
de l'air autour des bâtiments. Il lui sera ainsi plus aisé de
comprendre la signification des répartitions de pression que révéleront
les essais en soufflerie.

Concernant l'emploi des notions de base qui précèdent, la suggestion
ci-après pourra être utile, car elle fournit une représentation
visuelle des points où se produisent les pressions et les aspirations.
Partout où la couche-limite de l'écoulement laminaire est repoussée
vers le haut, il se produit une pression; si, au contraire, elle est
repoussée vers le bas, une aspiration prend naissance. Plus la courbure
de la couche-limite est accentuée, plus les pressions ou aspirations
ont des valeurs élevées.

Applications des notions de base

On peut voir sur la figure n° 1 la forme réelle de l'élément faisant
obstruction à l'écoulement de l'air. Il s'agit de matériaux faisant
saillie dans la trajectoire de l'écoulement d'air perpendiculairement à
la direction de celui-ci. On constate que les filets fluides sont
déformés exactement comme si l'élément avait la forme d'une bosse à
surface lisse. Les perturbations ainsi créées dans "l'écoulement
aérodynamique" donnent lieu à la naissance, à l'avant, d'une région
tourbillonnaire à surpression, et, à l'arrière, d'une région
tourbillonnaire plus grande à pressions négatives.

Dans le cas de la figure n° 2, l'écoulement est encore
bi-dimensionnel. On a représenté un bâtiment entier dont le toit est en
pente assez raide pour faire saillie dans la couche-limite de
l'écoulement d'air, constituée par le mur de façade seul. Cette
situation a pour effet de repousser davantage encore vers le haut
l'écoulement laminaire, de sorte que la pente du toit faisant face au
vent est soumise à une pression. Si l'inclinaison du toit diminue, on
atteint d'abord une position dans laquelle la pression sur cette rampe
devient nulle. Si l'inclinaison décroît encore, la couche-limite du
courant est d'abord aspirée vers le bas tandis que l'écoulement d'air
continue le long de la pente. La pression se transforme alors en
aspiration. Si l'inclinaison décroît davantage, de fortes aspirations
locales prennent naissance près de l'avant-toit. Comme le montre la
figure n° 3, il se forme soudainement une troisième région
tourbillonnaire à fortes pressions négatives.




Figure 2. Ecoulement bi-dimensionnel de l'air au-dessus d'un bâtiment (d'après Jensen).




Figure 3. Décollement à l'avant-toit produisant une forte aspiration (d'après Jensen).

Lorsqu'un certain angle critique de pente est atteint, les valeurs
maximales d'aspiration se produisent. Si l'angle décroît davantage, la
force d'aspiration se relâche. Il en est ainsi lorsque le petit
tourbillon fusionne avec le "sillage" plus grand du bâtiment. La
toiture entière se trouve alors plongée complètement, dans une région
où l'aspiration est assez uniforme et de force modérée. S'il survient,
dans cette région, d'autres changements de pente ou de forme, les
pressions n'en sont pas grandement affectées.

Les dommages causés à la construction par des vents très violents
(heureusement assez rares) constituent l'effet le plus visible du vent
sur les toits, mais les vents modérés jouent eux aussi un rôle dans la
situation d'ensemble. On doit également tenir compte des mouvements de
l'air à travers les espaces vides des combles. Il peut d'autre part
exister des ouvertures, soit ménagées à dessein, soit dues à des causes
accidentelles. Les mêmes systèmes de pressions engendrés par le vent,
auxquels sont dues les charges supportées par les constructions,
peuvent donc, même en cas de vitesse modérée du vent, contraindre l'air
à s'écouler des régions de haute pression vers les régions de basse
pression. Aussi faut-il tenir compte du facteur vent lorsqu'on choisit
les dimensions et situations des ouvertures de ventilation. Des cas
divers peuvent naturellement se présenter. C'est ainsi qu'en cas de
faibles vitesses du vent, la surpression produite par appareillage
mécanique et régnant à l'intérieur du bâtiment peut être du même ordre
de grandeur que les différences de pression dues au vent. Il en est de
même de l'effet de tirage en hiver. En principe, cependant, il est
préférable de placer les orifices d'évacuation dans des zones où règne
un état d'aspiration continue, c'est-à-dire indépendante de la
direction du vent.

Adjonction de la troisième dimension

Dans le cas d'un écoulement tri-dimensionnel de fluide, le courant
laminaire normal est dévié aussi bien autour des côtés qu'en dessus du
bâtiment. Il se produit une séparation aux angles vifs et, sous
certaines orientations du vent, il existe une possibilité de
réaccrochage du courant aux murs latéraux. Certains paramètres jouent
un rôle important dans la détermination de la forme de l'écoulement
d'air. Ce sont les rapports existant entre hauteur et largeur du
bâtiment, ainsi qu'entre largeur et longueur. A titre d'exemple, la
pente critique correspondant à l'aspiration maximale s'exerçant sur le
toit (écoulement d'air perpendiculaire aux avant-toits) pour un
bâtiment de 100 pieds de largeur et de 250 pieds de longueur sera de 5
degrés pour une hauteur de 12 pieds, 20 degrés pour une hauteur de 100
pieds, et 30 degrés pour une hauteur de 200 pieds.

C'est principalement dans le cas de toits longs et à faible pente
que les aspirations maximales se produisent près de l'angle exposé au
vent et lorsque celui-ci souffle dans une direction formant un angle de
45 à 50 degrés avec l'avant-toit. C'est ce que représente la vue en
plan de la figure n° 4, où sont reportées les isobares. Près d'un
angle, on peut observer des aspirations de pointe atteignant -4 fois la
pression de stagnation du vent. Un fort tourbillon à pression négative
prend en effet naissance à hauteur de l'angle, lorsque l'écoulement
d'air s'incurve vers le haut et au-dessus des deux murs exposés au
vent, et se divise à hauteur de l'arête vive. Si le toit est long,
l'écoulement d'air peut être aspiré de nouveau vers le bas et se
réaccrocher à la surface du toit. La région tourbillonnaire est ainsi
effectivement emprisonnée de tous côtés. Il ne peut alors survenir le
long du toit aucune inversion d'écoulement qui aurait pour effet de
réduire la forte aspiration.




Figure 4. Vue en plan du toit avec répartition des pressions négatives indiquées par les isobares (d'après Leutheusser).


Parapets

On n'a jusqu'à maintenant étudié dans le présent digeste que le cas
de toits ne présentant ni parapets ni porte-à-faux. Ces éléments
exercent cependant une influence considérable sur la répartition des
pressions. Des essais sur maquettes exécutés récemment à l'Université
de Toronto indiquent que les parapets peuvent contribuer à réduire les
fortes aspirations précédemment décrites. A condition que sa hauteur
soit adéquate, un parapet provoque un relèvement de l'écoulement d'air
et des couches-limites. La hauteur de ce relèvement peut être assez
grande pour empêcher le réaccrochage de celles-ci à la surface du toit.
Il se forme ainsi une seule grande région tourbillonnaire "absorbant"
la petite région existante qui est solidement emprisonnée.

Si, d'un autre côté, le parapet est trop bas, les aspirations
locales peuvent devenir encore plus fortes. A la suite d'essais sur
maquettes effectués à l'Université de Toronto, on a mis au point une
formule empirique permettant de choisir la hauteur de mur du parapet en
fonction des dimensions de la construction. C'est ainsi qu'un bâtiment
large de 50 pieds long de 100 pieds et haut de 25 pieds, exige un mur
de parapet haut de 5 pieds pour réduire les valeurs maximales locales
de l'aspiration de -3.3 à -1.2.

Pressions intérieures

Il a été tacitement admis dans ce qui précède que la pression
intérieure du bâtiment égalait la pression barométrique dans
l'écoulement non perturbé, c'est-à-dire le niveau de référence ou
pression de "référence". Cette hypothèse ne serait cependant exacte que
si le bâtiment était hermétiquement fermé, ou si les "fuites" étaient
réparties assez uniformément, c'est-à-dire en proportions convenables
entre les régions de surpression et les régions d'aspiration. Si les
ouvertures prédominent dans une région d'aspiration, la pression
intérieure tend à se transformer en aspiration. Si par contre les
ouvertures sont principalement situées sur le côté exposé au vent, la
pression intérieure deviendra positive.

Positive ou négative, la pression intérieure joue, en ce qui
concerne les forces résultantes de soulèvement, un rôle dont
l'importance est évidente. Pour prendre un exemple extrême, un hangar
d'aéroport, dont les grandes portes sont ouvertes sur le côté faisant
face au vent, est soumis à la pression positive de la région
tourbillonnaire frontale existant sous le toit. Cette pression s'ajoute
à l'aspiration extérieure pour créer une poussée vers le haut. L'effet
serait inversé si le vent provenait de la direction opposée. Pour cette
raison, et bien qu'évidemment la poussée critique de soulèvement
dépende largement de la pression intérieure, il y a lieu, lors de
l'exécution des plans, de tenir compte des vents provenant de toutes
les directions. Il importe de connaître avec certitude les éléments du
toit qui sont effectivement soumis à des différences de pression. Dans
le cas où un élément étanche à l'air ne serait pas simultanément soumis
à une charge, des difficultés pourraient se produire.

Conclusion

On s'est proposé, dans le présent digeste, de présenter les notions
de base relatives aux effets du vent sur les toitures d'une manière
telle que les architectes puissent immédiatement assimiler les exposés
détaillés sur la question et apprécier l'influence des différents
facteurs qui entrent en jeu. Le cas des tornades mis à part, les
charges dues au vent ne donnent pas naissance au Canada à des problèmes
particulièrement difficiles pour l'exécution correcte de plans de
toitures. Il importe cependant que la nature et les lois fondamentales
du phénomène soient comprises. Il est également important de se
rappeler que, même si le vent ne souffle pas assez fort pour engendrer
des pressions sérieuses sur une construction, il n'en existe pas moins
des aspirations et des pressions capables de perturber sérieusement
l'efficience d'une toiture, d'échappement de ventilateurs, d'aérateurs
et d'appareils similaires. Rien, dans toutes ces situations, ne peut
remplacer une saine compréhension de ce qui se produit réellement
lorsque le vent souffle autour d'un bâtiment.


Bibliographie

1. Jensen, M. and N. Franck. Model-Scale Tests in Turbulent Wind. Part
   II, Phenomena Dependent on the Velocity Pressure; Wind Loads on
   Buildings. The Danish Technical Press, Copenhagen, 1965.
   
2. Leutheusser, H. J. The Effect of Wall Parapets on the Roof
   Pressure-Coefficients of Block-Type and Cylindrical Structures.
   University of Toronto, Department of Mechanical Engineering, TP 6404,
   April 1964.
   
3. Davenport, A. G. Wind Loads on Structures. Division of Building
   Research, National Research Council, Canada. NRC 5576, March 1960.
   

Il ressort de ce qui précède que l'exécution d'un dessin de toit tenant
compte des effets du vent est une tâche très difficile exigeant la
collaboration de trois différents spécialistes. S'il ne dispose pas de
données techniques, l'architecte est insuffisamment armé pour préparer
des plans. Mais il lui incombe de toutes manières de se procurer et
d'utiliser toutes informations nécessaires pour préparer un projet de
toit. Il arrive que les données dont il a besoin ne soient pas
disponibles ou ne puissent être obtenues que par des essais en
soufflerie aérodynamique. Dans tous les cas le travail du projeteur
sera grandement facilité s'il possède de bonnes connaissances de base.
Elles doivent porter sur les lois régissant la répartition des
pressions sur les bâtiments, ainsi que sur les lieux et époques où
peuvent survenir des conditions atmosphériques causant un sérieux
danger potentiel.

pourquoi les etudes au vent sont sous estimeés ? ,

tres bonne question!

a mon avis rachid les études au vent sont sous estimés parceque certaint pense que l'effet du seisme est plus défavorable et que le seisme et le vent ne se produisent pas au meme temp donc certaint négligent l'effet du vent......walahou a3lam

zuut...merci pour ce travail il est trés intéréssent

merci radouane
çà marche tres bien ton projet de fin des etudes

bonjour rachid mon projet avance bien mais ça sera pour septembre parceke jé trouvé k'il y beaucoup de truc a faire et ce n'est pas aussi facile,,en tout cas je ne m'ennui pas car je veut apprendre le maximum tant ke jé l'occasion encore et j'espére ke votre vacance ne sera pas long au cas ou j'auré besoin de vous..(je rigole)....a+

La figure 1 explique trés bien pourquoi nous voyons arriver pour l'Eurocode 1 et son DAN français les classes de rugosité qui vont remplacer les 3 classements: site normal, exposé et protégé.

merci beaucoup Mr Montabone , tu es excelent

Merci

montabone a écrit:Merci

de rien

merci