Simulation de la pression du vent sur les bâtiments – Eurocode 1
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Etude d'impact du vent sur la structure de vos bâtiments
EOLIOS réalise des études CFD afin évaluer les charges aérodynamiques sur les bâtiments.
- Calcul des coefficients de pressions
- Etude d’impact sur les structures
- Calcul de charges des façades rideaux
- Etude de scénarios critiques de défaillance
- Eurocodes
- Tenue au vent du mobilier urbain
- Bâtiments de grandes hauteurs
- Etude du bruit généré par le vent
- Etude de la pression max d’entrée des systèmes de traitement de l’air
Les vents violents : une action structurelle complexe et dangereuse
L’action du vent sur les bâtiments est intrinsèquement tridimensionnelle et fortement dépendante du contexte. Les vents violents génèrent des sollicitations aérodynamiques susceptibles d’affecter non seulement la structure porteuse, mais également l’enveloppe du bâtiment, les équipements techniques, les systèmes de fixation et les aménagements extérieurs.
Au-delà des efforts globaux, ce sont les effets locaux qui constituent le principal facteur de risque. La combinaison de la hauteur, de la géométrie (angles vifs, retraits, toitures complexes), de la porosité éventuelle des façades et de l’environnement proche (présence d’obstacles, d’autres bâtiments, reliefs, etc.) génère des phénomènes aérodynamiques avancés : surpressions et dépressions intenses, gradients de pression élevés, accélérations locales du vent, effets Venturi entre volumes bâtis, vortex d’angle et zones de recirculation instables.
Ces phénomènes peuvent conduire à des sollicitations extrêmes sur des zones très localisées, souvent mal représentées par les méthodes normatives globales. Dans les environnements urbains denses, les interactions entre bâtiments amplifient ces effets, rendant l’évaluation du vent particulièrement sensible aux hypothèses de calcul.
Une mauvaise appréciation de ces mécanismes peut entraîner :
- un sous-dimensionnement local des éléments de façade ou de toiture,
- des arrachements d’équipements techniques,
- des risques pour les usagers en zones piétonnes exposées,
- une dégradation prématurée des ouvrages et des coûts de reprise importants.
La maîtrise des effets du vent constitue donc un enjeu de sécurité, de durabilité et de maîtrise économique du projet.
La CFD : un outil d’ingénierie avancée au service de la maîtrise du risque vent
La simulation numérique des écoulements (CFD) permet d’aborder l’action du vent selon une approche physique réaliste, en dépassant les limites des méthodes normatives simplifiées. Elle offre une représentation tridimensionnelle, locale et continue des écoulements aérauliques autour des bâtiments, intégrant la géométrie réelle du projet et son environnement proche.
La CFD permet non seulement de quantifier les efforts, mais surtout de comprendre les mécanismes physiques à l’origine des sollicitations. Cette compréhension est déterminante pour orienter les choix de conception, ajuster les formes architecturales, positionner les équipements et définir des solutions constructives adaptées.
Une analyse locale et directionnelle des sollicitations
Contrairement aux approches basées sur des coefficients moyens de l’Eurocode, la CFD permet :
- de cartographier finement les pressions et dépressions sur l’ensemble des parois,
- d’identifier les zones de pics de pression liés aux effets d’angle et de bord,
- d’analyser les accélérations locales du vent et les zones de cisaillement,
- de caractériser les interactions aérodynamiques entre bâtiments voisins.
Cette approche locale est particulièrement pertinente pour les bâtiments de grande hauteur, les formes architecturales non conventionnelles, les projets urbains denses et les sites soumis à des vents dominants marqués.
Une aide à la décision intégrée à la conception
Intégrée en phase amont, la CFD devient un véritable outil de conception. Elle permet de comparer différentes variantes (implantation, volumétrie, orientation, écrans, brise-vent), d’optimiser le dimensionnement des éléments exposés et de justifier techniquement les choix retenus auprès des bureaux de contrôle et des assureurs.
Les retours d’expérience montrent que l’intégration précoce de la CFD permet de réduire significativement les risques de reprises ultérieures et les surcoûts associés.
Un cadre normatif maîtrisé : intégration rigoureuse de l’Eurocode 1
Les études réalisées par EOLIOS s’inscrivent strictement dans le cadre normatif de l’Eurocode 1 – Actions du vent (NF EN 1991-1-4) et de son Annexe Nationale. Ce document permet de constituer un outil indispensable pour la conception de bâtiments résistants au vent.
La CFD ici n’est pas utilisée comme une alternative aux normes, mais comme un outil complémentaire, cohérent et justifiable.
Caractéristiques de terrain
Le tableau ci-après issu de l’annexe nationale de l’Eurocode donne les valeurs de z0 (hauteur apparente de rugosité) en fonction de la nature du site. Dans le cadre d’étude urbaines, la rugosité imposée pour les calculs correspond à une rugosité urbaine de type IV.
Cette rugosité conditionne directement le profil des vitesses de vent, élément fondamental pour la définition des conditions d’entrée du modèle CFD.
Définition de la vitesse de référence
La vitesse de base vb,0 correspond à un évènement de vent extrême mais rare (période moyenne de retour d’environ 50). Cette vitesse est définie sur une période de 10 minutes à 10 m du sol dans une zone de rase campagne. Ainsi, elle est dépendante de la zone géographique et est donc définie par le zonage de l’Eurocode.
La vitesse de base vb,0 peut être corrigée en fonction du contexte spécifique du projet en utilisant 2 coefficients représentatifs afin de constituer la vitesse de référence vb :
- Le coefficient de direction cdir : Il permet de rendre compte du fait que les vents les plus forts ne soufflent pas toujours dans la direction la plus défavorable. En d’autres termes, il permet de réduire la vitesse de référence lorsque les orientation critiques de vent sont peu probables
- Le coefficient de saison cseason: Il permet de rendre compte du fait que les vents extrêmes ne se produisent pas régulièrement toute l’année. Pour les ouvrages permanents, le coefficient conserve la valeur de 1 (max). En revanche pour les ouvrages temporaires de type échafaudages, le coefficient peut prendre une valeur plus faible.
Ainsi, la vitesse de référence peut être corrigée comme suit :
Vb = cdir x cseason x vb,0
Coefficient orographique c0 (z)
Le coefficient orographique prend en compte l’influence du relief du terrain (collines, crêtes, escarpements) sur la vitesse du vent. Les effets de l’orographie peuvent être négligés si la pente moyenne du terrain au vent est inférieure à 3°, alors co(z)=1.
Coefficient de rugosité cr (z)
Le coefficient de rugosité Cr(z) est un coefficient qui permet de prendre en compte la rugosité apparente des terrains (bâtiments, arbres, villes) pour calculer la variation moyenne de la vitesse en fonction de l’altitude. Il s’obtient à partir d’une équation prenant comme paramètres :
- z0 la longueur de rugosité de la catégorie de terrain utilisée
- zmin la limite basse de validité de l’aspect logarithmique du coefficient de rugosité
- zmax la hauteur maximale de la zone d’étude
- kr le facteur de terrain
Le coefficient de rugosité est alors régi par l’équation suivante :
Cr(z) = kr*ln(z/z0) pour zmin ≤ z ≤ zmax
Cr(z) = Cr(zmin) pour z ≤ zmin
Vitesse moyenne
La vitesse moyenne Vm(z), prend en compte la vitesse de référence Vb et les paramètres de rugosité apparente liés à un terrain de catégorie IV. Elle est calculée conformément à l’Eurocode grâce à la formule suivante :
Vm (z) = Vb * Cr(z) * Co(z)
En itérant cette équation, il est alors possible d’obtenir un profil de vitesse logarithmique.
Vents de rafale
Une fois le profil de vitesses moyennes déterminé, il est ensuite possible de calculer le profil de vitesses maximales de rafales du projet. Ce dernier permet de prendre en compte l’intensité turbulente et la variabilité temporelle du vent. Ce profil est obtenu grâce à la formule suivante :
Vr(z) = sqrt[1+7*kl/ln(z/z0)]*Vm(z)
Où z représente la hauteur, z0 longueur de rugosité de la catégorie de terrain considérée, et kl le coefficient de turbulence de la catégorie de terrain considérée et Vm(z) la vitesse moyenne déterminée précédemment.
Un second profil de vitesses est alors réalisé. Ce dernier servira d’entrée de domaine dans les simulations à venir.
Modélisation CFD : une démarche robuste et maîtrisée
Reconstitution de l’environnement bâti
La zone d’étude est modélisée sur un périmètre suffisant pour garantir le développement complet des écoulements. Les bâtiments environnants sont intégrés afin de capturer les effets de masquage, de canalisation et d’interaction aérodynamique.
Les simplifications géométriques sont réalisées de manière contrôlée afin de préserver les mécanismes physiques tout en assurant la stabilité numérique des calculs.
Modélisation de la couche limite atmosphérique
Le vent peut être décrit par la notion de couche limite atmosphérique, qui se décompose en 3 sous-couches :
- La couche extérieure, ou sous couche inertielle d’une épaisseur de l’ordre du kilomètre (varie de 0,5 à 3km).
- La couche limite de surface, d’une épaisseur de 10 à 100m. Elle représente environ 10% de l’épaisseur de la couche limite atmosphérique. Elle est le lieu de gradient important de vitesse du vent, de la température. La direction du vent y reste relativement constante avec la hauteur.
- La sous-couche rugueuse, d’une épaisseur de l’ordre de quelques mètres. Les écoulements y ont une structure tridimensionnelle, désordonnée, très affectée par les obstacles.
Au sol, le vent est ralenti à cause des obstacles et de la rugosité du sol. Au-dessus du sol dans les couches d’air non perturbées du vent géostrophique (environ 5 km de haut), le vent n’est plus influencé par l’état de la surface de la Terre. Entre ces deux couches, la vitesse du vent change avec l’altitude du sol selon un profil logarithmique. Ce phénomène est appelé cisaillement vertical du vent.
Analyse directionnelle multi-cas
Les simulations sont réalisées pour les huit directions principales de la rose des vents, correspondant à un vent de rafale extrême selon l’Eurocode 1. Cette approche multi-cas permet d’identifier les orientations les plus pénalisantes et de caractériser les effets de site directionnels.
Les valeurs des directions intermédiaires (NNE, NEE, SEE etc.) pourront être estimées par interpolation linéaire des directions simulées les plus proches
Exploitation avancée des résultats et validation
Analyse physique et interprétation experte
Au-delà des champs de résultats, l’expertise d’EOLIOS réside dans l’interprétation physique des écoulements. Les simulations permettent d’identifier précisément l’origine des pics de pression, d’en comprendre les mécanismes (décrochage, interaction vortex/structure, canalisation) et de proposer des leviers d’optimisation.
Les livrables incluent :
- cartographies de pression et de coefficients de pression,
- analyses directionnelles comparatives,
- identification des zones critiques,
- recommandations de conception.
La CFD permet une analyse fine des données pour des géométries simples comme complexe et l’identification tridimmensionnelle des contraintes et des effets de site.
Croisement avec l’approche analytique Eurocode
Afin de valider les calculs effectués. Il est possible d’effectuer des calculs analytiques suivant l’Eurocode sur des géométries largement simplifiées afin de fournir un ordre de grandeur des dimensions.
En effet, une estimation de la pression dynamique de pointe peut être calculée grâce à l’Eurocode, qui permettra alors d’établir des valeurs moyennes de pression aérodynamique sur les faces en couplant la pression dynamique de pointe avec des coefficients de pression standards propres aux différentes faces des bâtiments, disponibles dans les abaques de l’Eurocode.
La pression dynamique de pointe peut être calculée grâce à la formule suivante :
qp(z) = [1 + 7 * Iv(z)] * 0.5 * ρ * vm(z)2
De plus, pour h>2b avec h la hauteur de la tour et b la longueur de sa base dans la direction perpendiculaire du vent, il est considéré que qp(z)=qp(h) pour h-b < z < h. Il en découle alors, pour z > h-b :
qp = [1 + 7 * Iv(h)] * 0.5 * ρ * vm(h)2
Le coefficient de pression varie en fonction de la taille de la surface sur lequel il est considéré. Sa valeur maximale est cpe,1, le coefficient de pression pour une surface A<1m2, qui permet dans les faits le calcul des petits éléments de fixation.
Des abaques de l’Eurocode fournissent ces coéfficients de pression en fonction de la géométrie rencontrée.
Enfin, la pression moyennée sur 1m2 maximale est déterminée à partir de la formule suivante : P = qp*cpe.
Une expertise au service de projets maîtrisés
En combinant une maîtrise fine des exigences normatives, une expertise avancée en CFD et une capacité d’interprétation physique des résultats, EOLIOS accompagne ses clients dans la sécurisation et l’optimisation de leurs projets face aux risques liés au vent.
La CFD devient ainsi un outil stratégique de réduction des risques, de justification technique et de maîtrise économique, au service de bâtiments sûrs, durables et performants.
Pourquoi compléter l’Eurocode par une étude CFD ?
L’Eurocode 1 fournit un cadre normatif indispensable pour l’évaluation des actions du vent, basé sur des géométries idéalisées et des coefficients globaux. Il garantit la conformité réglementaire, mais atteint ses limites dès que le projet s’inscrit dans un contexte réel complexe.
La simulation CFD permet de dépasser ces limites en intégrant :
- la géométrie réelle du bâtiment (formes complexes, retraits, angles, toitures atypiques),
- l’environnement urbain et les effets de site (bâtiments voisins, masques, canyons urbains, effets Venturi),
- une analyse locale et directionnelle des sollicitations, mettant en évidence les pics de pression et les zones critiques,
- une prise en compte fine de la turbulence et des rafales, essentielle pour le dimensionnement des éléments sensibles.
Combinée à l’Eurocode, la CFD devient un outil d’ingénierie décisionnelle, permettant de sécuriser les choix de conception, de justifier techniquement les hypothèses de dimensionnement et de limiter les risques de sous-dimensionnement local ou de sur-conservatisme.
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