Introduction aux interactions vent-structures

Introduction aux interactions vent-structures

Le vent dans la couche limite atmosphérique 

Si à haute altitude (communément à plus de 1000 m), la vitesse instantanée du vent peut être approchée par sa moyenne, plus près du sol les forces de frottement tendent à perturber son écoulement. Ils réduisent la vitesse moyenne et génèrent de la turbulence, c’est-à-dire des fluctuations spatiales et temporelles du vecteur vitesse du vent. La zone dans laquelle on observe ces phénomènes est appelée couche limite atmosphérique.

Le comportement du vent au sein de la couche limite atmosphérique est inhomogène. En effet, l’intensité et la forme des turbulences sont aussi bien liées à la rugosité du sol sur le site qu’à l’altitude. Les structures du génie-civil, qui se situent dans cette couche, sont donc systématiquement soumises à des sollicitations instationnaires du vent.

La vitesse moyenne du vent dans la couche limite atmosphérique dépend généralement de l’altitude et de la rugosité du sol du site. En général les tabliers de ponts sont minces, et leur altitude moyenne varie peu, ils ne sont donc pas sujets à l’effet de variation d’altitude sur la vitesse du vent. Mais ce n’est pas le cas des structures verticales telles que les piles de grande hauteurs, les pylônes, ainsi que des bâtiments et les tours, pour lesquelles la vitesse du vent en tête est généralement plus grande qu’en pied.

En outre, en raison de la prise de conscience progressive des maîtres d’ouvrages de la nécessité d’adapter la conception des infrastructures aux problématiques liées au changement climatique [5] [6] [7] , il devient fréquent de voir des vents de vitesses supérieures aux exigences réglementaires pris en compte dans les études. Ils sont généralement liés à des évènements climatiques bien identifiés tels que la tempête Européenne Lothar de 1999, ou plus récemment de l’ouragan IRMA aux Antilles, bien qu’à priori exclus du champ des Eurocodes. A titre d’exemple, la vitesse moyenne maximale sur une minute enregistrée dans les terres lors du passage de l’ouragan IRMA est de 244 km/h (68 m/s) à Saint Barthélémy [8]. La vitesse de référence préconisée par l’Eurocode pour cette région outre-mer est de 32 m/s en moyenne sur 10 minutes, soit 115 km/h. A cette vitesse moyenne sur 10 minutes correspond une vitesse maximale instantanée de référence (telle que l’on peut la calculer à partir de la valeur de la pression de pointe associée) de 54m/s ou 196km/h, qui reste largement inférieure à celle de l’ouragan.

Effets du vent sur les structures souples 

Les effets du vent sur les structures souples peuvent se manifester sous différentes formes. Celles-ci sont aussi bien liées aux caractéristiques mécaniques et géométriques des structures, qu’à celles de l’écoulement. Il existe plusieurs façons de répertorier ces effets. Une approche judicieuse consiste à les distinguer selon la nature de leur source d’excitation. Cela permet d’isoler l’effet de chaque action et de mettre au point différents modèles d’analyses adaptés à chacun d’eux. On distingue ainsi trois types de comportement vibratoires associés à trois mécanismes d’excitation :

♦ Les vibrations induites par la turbulence du vent (TIV). Elles se caractérisent par un mouvement vibratoire d’amplitude limitée, augmentant continuellement mais lentement avec la vitesse moyenne du vent. Elles sont dues aux composantes instationnaires de la vitesse du vent (turbulence atmosphérique naturelle) et peuvent mener à un grand nombre de cycles de charge de fatigue. Dans le cas des TIV on parle de source d’excitation extérieure (indépendante de la structure et de son mouvement). Le cas d’une structure placée dans le sillage turbulent ou tourbillonnaire d’une autre (Figure 9) peut éventuellement rentrer dans cette catégorie si le mouvement de la structure impactée n’influence pas le sillage de la structure amont.
♦ Les vibrations induites par le détachement tourbillonnaire, également appelés tourbillons de Von-Karman (VIV). Les excitations de type VIV conduisent généralement à des réponses observables uniquement sur une plage restreinte de vitesse du vent. Elles peuvent apparaître à basse vitesse de l’écoulement. Les modes naturels de la structure sont alors excités par les oscillations de son propre sillage (Figure 10).
♦ Les vibrations induites par le mouvement (MIV). Elles sont le résultat d’une instabilité aéroélastique (par exemple le galop, le flottement de torsion et le flottement couplé). Elles entraînent des déplacements de grande ampleur. Elles sont caractérisées par une vitesse critique d’instabilité au-dessus de laquelle les oscillations apparaissent, et leur amplitude augmente rapidement.

Les recouvrements entre ces différents types d’excitations existent. Cela met en évidence la possibilité d’apparition simultanée de plusieurs sources d’excitation dans un même système. Cette situation est courante dans toutes les applications d’ingénierie du vent où les structures se trouvent dans la couche limite atmosphérique turbulente, ce qui inclue les ouvrages d’art.

Propriétés physiques du vent 

L’évolution des paramètres physiques de l’air à l’échelle macroscopique est régie par les équations de Navier-Stokes [10]. Elles découlent de l’expression de la conservation de la masse et de la quantité de mouvement dans un fluide. L’étude des effets du vent sur les ouvrages d’art suppose une série d’hypothèses complémentaires qui permettent de simplifier l’expression de ce système d’équations. Parmi elles, on trouve l’hypothèse d’incompressibilité. Les vitesses des écoulements à basse altitude étant limitées, on observe que la masse volumique de l’air peut être considérée constante et uniforme. De plus, étant donné l’intensité des forces mises en jeu dans la conception des ponts, on peut raisonnablement négliger l’effet du poids propre de l’air. Enfin, l’air peut être assimilé à un fluide Newtonien.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I. Interactions fluides-structures et aéroélasticité : état de l’art
Chapitre 1 : Introduction aux interactions vent-structures
Le vent dans la couche limite atmosphérique
Effets du vent sur les structures souples
Propriétés physiques du vent
Nombres adimensionnels
Vitesse réduite
Propriétés aérodynamiques
Introduction à l’aéroélasticité
Détachement tourbillonnaire
Vibrations induites par la turbulence atmosphérique
Chapitre 2 : Introduction à l’aéroélasticité des ouvrages d’art
Phénomènes aéroélastiques des structures du génie-civil
Instabilités aéroélastiques des ouvrages d’art
Modélisation du flottement des tabliers de ponts
Réponse des tabliers de ponts à la turbulence atmosphérique
Conception aérodynamique des ponts
Conclusion de la première partie
Bilan
Présentation de la démarche
PARTIE II. Comportement aéroélastique en torsion des tabliers de pont
Chapitre 3 : Caractérisation aérodynamique et aéroélastique de maquettes de ponts
Choix des sections transversales
Conception des maquettes à échelle réduite
Présentation de la soufflerie
Outils de mesure
Mesures des coefficients aérodynamiques
Mesures des amortissements et des raideurs aérodynamiques
Conclusions
Chapitre 4 : Un modèle à retard des efforts aéroélastiques
Concept de retard en aéroélasticité
Approche quasi-statique du flottement de torsion
Modèle à temps de retard du moment de tangage
Validation expérimentale du modèle
Conclusions
Conclusions de deuxième partie
PARTIE III. Comportement des tabliers de ponts sous écoulements instationnaires
Chapitre 5 : Etude expérimentale et numérique de l’effet d’une rafale de vent
Etude expérimentale
Etude numérique
Analyse des résultats et comparaisons
Chapitre 6 : Réponse à un vent fortement turbulent
Etude expérimentale
Reproduction numérique du vent turbulent
Etude numérique
Conclusions de la troisième partie
Epilogue
Références
CONCLUSION
ANNEXES

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