Analyse dynamique des structures6 Effets du vent

6.0 Problmatique6 1 N ti d b6.1 Notions de base6.2 Modlisation des effets du vent

6.2.1 Principes 6.2.2 Modlisation des pressions6.2.3 Modlisation des forces6.2.4 Effets dynamiques

6 3 Limitations6.3 Limitations6.4 Exemples

6.4.1 Lothar6.4.2 Rponse dun pont hauban6.4.3 Douane de Boncourt

6.5 Rsum

6.0 Problmatique- Les grandes temptes peuvent produire des

dgts considrables. Les quelques exemples ti d t t t tt t ttirs de temptes rcentes attestent que ces dgts ne concernent principalement que le second uvre.

- Les dgts ne sont pas seulement importants pour les constructions touches mais sont aussi la source de dbris qui vont propager les dgtsla source de dbris qui vont propager les dgts sur de grandes distances.

6.0 Problmatique

6.0 Problmatique

6.0 Problmatique

6.0 Problmatique

6.0 Problmatique- Le cas de la tornade survenue dans la valle

de Joux en 1971 est particulier car les vitesses d t t l l t l t d ldu vent ont, localement, largement dpass les valeurs de dimensionnement.

- Il y a eu des effets de soulvent de lensemble de quelques toitures et la ruine par instabilit de hangars. On observe gnralement ce type de dgts uniquement sur le passage de cyclonesdgts uniquement sur le passage de cyclones tropicaux. Ce phnomne est donc trs rare en Suisse (la priode de retour est suprieure 100 ans).

6.0 Problmatique

6.0 Problmatique

Vent Dgts locaux par arrachage de tuiles

6.0 ProblmatiqueExemple de leffet domino :

Fr. 1000.-

Fr. 10000.-

Fr. 100000.-

6.0 ProblmatiqueLe vent a des vitesses et des directions trs variables dans le temps :

Vitesses moyennes Longeville du 3.12.02 au 19.12.02

5

6

7

8

9

10

se [m

/s]

0

1

2

3

4

03.12.2002 08.12.2002 13.12.2002 18.12.2002Temps

Vite

s

6.0 ProblmatiqueLa direction variable du vent est associe aux changements de situations mtorologiques et aux t b lturbulences

Directions des vents Longeville du 3.12.02 au 19.12.02

200240280320360

ion

[]

04080

120160

03.12.2002 08.12.2002 13.12.2002 18.12.2002Temps

Dire

ct

6.0 ProblmatiqueLa vitesse des rafales est, en Suisse, environ le double de la vitesse moyenne :

Rafales Longeville du 3.12.02 au 19.12.02

15

20

25

30

ale

[m/s

]

0

5

10

03.12.2002 08.12.2002 13.12.2002 18.12.2002Temps

Raf

a

45

50

55

60

Station ANETZ 1: La Dole, mesures de 1979 2001.Vitesses moyennes [m/s] sur 10 minutes,bas sur les valeurs extrmes annuelles.

MesuresGumbel

V l d

20

25

30

35

40

45

Vite

sse

[m/s]

Valeur annuelle

Valeur de dimensionnement 1.2 fois V 50 = 57 m/s

14 Fachtagung VKF 17 septembre 2009Gebudeschutz gegen wind2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 60

5

10

15

20

ln(ln(11/T))

EPFLLASEN 18Jul2002 NbVal 23, VSeuil 5.00 m/s, moindres carrees: y = 31.31 + 4.26*x

Vitesse pour la priode de retour T=30 ans: 45.7 m/sVitesse pour la priode de retour T=50 ans: 47.9 m/s

Valeur annuelle V 1an = 26 m/s en moyenne 10 minutes

La pression dynamique est proportionnelle au carr de

6.0 Problmatique

La pression dynamique est proportionnelle au carr de la vitesse

q= V2 / 2

Il y a donc un facteur 16 entre la charge due au vent lors dune tempte annuelle ressentie en moyenne et la rafale de dimensionnement

6.0 ProblmatiqueLe vent peut devenir un cas de charge critique suite la diminution du poids propre et laugmentation d ll t d t tde llancement des structures :

6.0 ProblmatiqueEn conclusion, la nature et lampleur des dgts peuvent tre trs diffrentes :

- soulvement total ou partiel de toitures- arrachement de faades- rupture par fatigue dlments, ou de

lensemble dune construction, sollicits par des vibrations entrant en rsonance avec laction du ventl action du vent

- dgts secondaires induits par limpact de dbris volants emports par le vent

6.0 ProblmatiqueLingnieur doit assurer la scurit structurale de louvrage au cours de sa dure de vie, cest--dire

il f t t t i t tquil faut tout instant que :

R E

Lingnieur doit aussi assurer laptitude au service.

6.1 Notions de baseLe vent a pour origine les diffrences de pression induites par les diffrences de tempratures la

f d l T C diff d isurface de la Terre. Ces diffrences de pression produisent la circulation gnrale des masses dair autour de la Terre.

Hurricane LindaSource : Nasa

6.1 Notions de baseLes masses dair scoulent sur la surface du globe. Au contact de la surface immobile, il se forme la

h li it t h icouche limite atmosphrique :Source : document Do188, SIA 261

6.1 Notions de baseLe frottement de lair sur les obstacles provoque de la turbulence dans la couche limite atmosphrique.

Linfluence du sol se fait sentir plus grande hauteur lorsque les obstacles sont plus grands.

La dimension des tourbillons augmente avec la taille des obstacles.

6.1 Notions de baseLa diminution de la vitesse proche du sol est associe une augmentation de lintensit de la t b lturbulence :

6.1 Notions de baseLintensit de la turbulence est dfinie par le rapport entre lcart-type des fluctuations de la vitesse du

t t l itvent et la vitesse moyenne :

VI =

6.1 Notions de baseLe spectre du vent montre que les diffrentes tailles des tourbillons se mlangent en continu :

6.1 Notions de base- la rpartition des diamtres des tourbillons suit

une loi universelle (dcroissance en e-5/3)- le spectre est fonction de la vitesse moyenne

du vent et de la taille des tourbillons les plus nergtiques

- la taille des tourbillons les plus nergtiques ne dpend que de la rugosit, cette taille est appele lchelle de la turbulence

6.1 Notions de baseIl existe toujours une frquence dans la turbulence qui entrera en rsonance avec la ou les f ( ) d l t tfrquence(s) de la structure.

6.1 Notions de baseLinfluence de la topographie se manifeste par une modification de la forme du profil de vitesse

O b ti li dmoyenne. On observe, en particulier, des survitesses au-dessus des reliefs, soit aux sommets des collines et des montagnes.

6.1 Notions de baseLingnieur doit assurer la scurit structurale pour une construction, sur sa dure de vie, en sachant

l ilib t l t tque lquilibre est rompu ou que la rupture est atteinte si les charges dpassent la rsistancedurant un bref instant.

6.2 Modlisation du vent6.2.1 Principes

Dmarche retenue dans la norme SIA 261 pour la dt i ti d h d tdtermination des charges de vent :- dfinition des actions dues au vent pour assurer

la scurit structurale et laptitude au service- charges de remplacement quasi-statiques pour

tenir compte de laction instantane la plus forte de la variation temporelle due au vent

- interaction et effets dynamiques par calcul- interaction et effets dynamiques par calcul spectral

6.2 Modlisation du vent6.2.1 Principes

Approche en deux tapes, en fonction du t t d t tcomportement des structures :

- Approche quasi-statique du vent pour les structures indformables et immobiles

- Approche dinteractions dynamiques pour les structures se dplaant sous laction du vent

Le modle de la norme SIA 261 est bas sur une approche semi-empirique de la partie quasi-statique des effets du vent lorsque la partie dynamique est ngligeable, soit pour la grande majorit des constructions.

6.2 Modlisation du vent6.2.1 Principes

Principe de calcul des charges de vent selon la SIA 261norme SIA 261 :

Cest--dire: multiplication dune pression de rfrence par des facteurs tenant compte de

k p ref f red dQ q A c c c=

rfrence par des facteurs tenant compte de linfluence de la gomtrie de la construction, de lenvironnement et des caractristiques mcaniques de la structure

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

La vitesse du vent, variable en fonction de la h t d d d l t dli hauteur de mesure au dessus du sol, est modlise par la pression dynamique qp:

q : pression dynamique de rfrence

pohp qcq =

qpo : pression dynamique de rfrencech : coefficient de hauteur tenant compte de la

hauteur au dessus du sol et des diffrences de rugosit de ce sol

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

La pression dynamique qp est dfinie comme la i i tit f l pression qui sexerce sur une petite surface place

perpendiculairement lcoulement et arrtant le filet fluide :

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

- Ce sont les rafales qui doivent tre prises en comptes et non les vitesses moyennes.

- La priode de retour doit tre suprieure la dure de vie de louvrage.

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

Valeur de rfrence de la pression dynamique qp0 :

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

La carte reprsente la pression dynamique des rafales cinquantennales.Elle est base sur des mesures de ces rafales durant plus de 20 ans.La priode de retour est la mme que celle qui estretenue pour lEurocode II.

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

Le coefficient du profil de rpartition ch exprime la i ti d l i d i d dvariation de la pression dynamique au-dessus du

sol pour diffrentes rugosits de sol :

ch =1.6 zzg

r+ 0.375

2

Il vaut ch = 1 10 m au-dessus du sol pour la catgorie de terrain rural. Les grandeurs r et zgsont caractristiques des diffrentes rugosits. Elles sont constantes pour un profil donn.La norme SIA 261 dfinit 4 catgories de terrains.

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

Le coefficient du profil de rpartition du vent ch :

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

Le coefficient de pression cp caractrise la variation d l i l f d de la pression la surface dun corps expos un fluide en mouvement:

Lexemple ci-contremontre le cas thoriquede la rpartition des pressions autour dunpressions autour d uncylindre circulaire calcul pour un coulement potentiel de vitesse

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

Le coefficient de pression cp est le rapport entre la ppression p en un point dune surface et la pression dynamique qp:

En toute logique, il faut que la pression dynamique soit calcule avec la vitesse de la rafale et non pas

pp q

pc =

soit calcule avec la vitesse de la rafale et non pas avec la vitesse moyenne.La pression sexerce sur lenveloppe des constructions. Elle est de signe positif lorsquelle agit en direction de la paroi.

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

Le coefficient de pression cp pour le cas dun l l d li d i l icoulement rel autour dun cylindre circulaire :

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

Comparaison de la gomtrie de lcoulement d li d l d li dautour dun cylindre carr avec le cas dun cylindre

circulaire. Les dtachements de lcoulement,soit les points de sparation, se fixentsur larrte du carrsur l arrte du carr. Ils ne sont pas fixessi la forme est circulaire :

6.2 Modlisation du vent6.2.2 Modlisation des pressions

La gomtrie de lenveloppe des coefficients de i d i lpression cp autour dune construction est complexe :

6.2 Modlisation du vent6.2.3 Modlisation des forces

Laction du vent sur la structure est chaque instant la moyenne spatiale des pressions sur lensemble de lenveloppe.

6.2 Modlisation du vent6.2.3 Modlisation des forces

Le coefficient de force cf :

O F [N] est la force exerce par le vent sur lensemble de louvrage Cest aussi lintgrale des

c f = Fqp A

l ensemble de l ouvrage. C est aussi l intgrale des pressions.

Le coefficient de force dpend de la gomtrie de louvrage et de la direction du vent.

6.2 Modlisation du vent6.2.3 Modlisation des forces

- Pour le calcul des forces sur une faade ou sur un mur extrieur, il faut tenir compte des pressions intrieures.

- Les forces sont calcules par intgration des pressions ou avec des coefficients de force.

- Le coefficient cred permet de tenir compte de leffet du moyennage des pressions par la y g p psurface de la paroi.

- Plus la surface est grande plus la force diminue.

6.2 Modlisation du vent6.2.3 Modlisation des forces

Le facteur de rduction cred :

prend en compte la rpartition spatiale des pressions exerces par le vent et dpend ainsi de la gomtrie et de la hauteur de la structure en question

6.2 Modlisation du vent6.2.3 Modlisation des forces

Le facteur de rduction cred :

6.2 Modlisation du vent6.2.4 Effets dynamiques

Les mouvements de la structure qui interfrent avec la turbulence des coulements sont appels effets dynamiques.

Le facteur dynamique cd:prend en compte la rsonance de la structure porteuse avec la turbulence agissant dans laporteuse avec la turbulence agissant dans la direction du vent et perpendiculairement celui-ci. Il dpend de la frquence propre, du mode associ et de lamortissement de la structure porteuse.

6.2 Modlisation du vent6.2.4 Effets dynamiques

Mthode spectrale pour leq

Cf*A

Mthode spectrale pour le calcul des interactions dynamiques

52

K

6.2 Modlisation du vent6.2.4 Effets dynamiques

6.2 Modlisation du vent6.2.4 Effets dynamiques

Actions dynamiques du vent sur les constructions :Phnomnes entretenus

2max ( , , , )P f V D F=

Effo

rts m

ax.

Effo

rts m

ax.

2max ( , , )P f V F=

6.2 Modlisation du vent6.2.4 Effets dynamiques

Phnomnes entretenus (suite)

Phnomnes auto-excits (divergents)

.sS VD

n = Effo

rts m

ax.

2max ( , , )c AP f V F=

0

0yxC

C =

+

6.3 LimitationsParticularits importantes:

- Les normes SIA 261 et 261/1 ne donnent aucunes informations sur les calculs dynamiques

- Ces informations sont publies dans le commentaire cette norme (D0 188)

- Les normes SIA 261 et 261/1 sont par principe compatibles avec les Eurocodes, en particulier p plENV II.

- La formulation est celle de la mthode dite simplifie de cette norme europenne.

6.3 LimitationsParticularits importantes:

- Priode de retour des rafales considres: 50 ans, selon lanalyse faite pour la norme SIA160, 30 ans et =1.5 suffisent ramener la priode de retour 120 ans

- Dans la norme suisse, les coefficients cp et cfconsidrent des gomtries simplifies des btiments.

- Les coefficients cp et cf permettent de traiter presque tous les cas, car les gomtries sont reprsentatives du parc de btiments Suisse.

6.3 LimitationsParticularits importantes:

- La prise en compte de diffrents effetsdynamiques nest pas considr dans les normes mais prcise dans le commentaire.

- dbris volants

6.3 LimitationsLa norme SIA 261 ne sapplique pas aux ouvrages exceptionnels, tels que :- ouvrages de gomtrie particulire- ouvrages construits sur des sites exposs- structures dynamiquement sensibles (Ponts

haubans et suspendus, chemines)- trs grandes toituresou des ouvrages soumis des interactions ouou des ouvrages soumis des interactions ou interfrences avec dautres constructions.

La norme SIA 261 nest applicable que pour des constructions dont la hauteur ne dpasse pas 200 m

6.4 Exemples6.4.1 Lothar (26.12.1999)

- une tempte exceptionnelle- selon lOFEFP des temptes aussi violentes se

produisent tous les 13 ans- la priode de retour en un point gographique est

suprieure 50 ans- notre connaissance cet ouragan na provoqu,

en Suisse, aucun dgt de structuresen Suisse, aucun dgt de structures- de trs nombreux dgts au second uvre, pour

quelques milliers de francs par sinistre- au total les dgts aux btiments se chiffrent

600 Mio de francs

6.4 Exemples6.4.1 Lothar (26.12.1999), exercice

Selon le rapport de lOFEFP on peut lire :- Les vitesses de pointe des vents ont mme

franchi le seuil des 140 [km/h] dans les valles, Delmont elles ont atteint 170 [km/h] et 181 km/h Brienz.

- En montagne, on a enregistr des vitesses de pointe de 230 km/h sur le Sntis et de 249 [km/h] sur le Jungfraujoch.

Que reprsentent ces vitesses par rapport la norme SIA 261 ?

6.4 Exemples6.4.1 Lothar (26.12.1999)

Scurit du calcul SIA face aux vitesses mesures :

EndroitVitesse en km/h

Vitesse en m/s

Pression dynamique KN/m2

Pression dynamique de la carte KN/m2

Avec Gamma 1.5 Scurit

Valles 140 39 0.907 0.9 1.35 1.49Delmont 170 47 1.338 0.9 1.35 1.01Brienz 181 50 1.517 1.3 1.95 1.29Sntis 230 64 2.449 1.1 1.65 0.67

3.3 4.95 2.02Jungfrauhoch 249 69 2.870 3.3 4.95 1.72

6.4 Exemples6.4.2 Rponse dun pont hauban

Spectre de rponse dun pont hauban :

6.4 Exemples6.4.2 Rponse dun pont hauban

Comparaison entre le spectre de dplacement mesur en soufflerie et le mme spectre calcul laide de la mthode spectrale :

Calculated

M easured1.000

10.00

f S FF

b.

2(a)

0.010

0.10 1.00

0.001

0.100

f du

0.010

6.4 Exemples6.4.2 Rponse dun pont hauban

- mensuration en soufflerie de la rponse arodynamiquecalcul de la rponse mcanique laide des- calcul de la rponse mcanique l aide des codes numriques de calculs de structures gnralement par la mthode des lments finis

- calcul des spectres de dplacements et de contraintes par produit du spectre du vent par les rponses arodynamiques et mcaniques

- intgration des spectres de contraintes pour g p pobtenir

- les valeurs maximales des contraintes comparer avec la rsistance ultime des sections

6.4 Exemples6.4.3 Douane de Boncourt

Film

6.8 Rsum- vrifier la scurit structurale et laptitude au

service vis--vis du ventSIA 261 dli ti b - SIA 261 : modlisation base sur une approche semi-empirique de la part quasi-statique des effets du vent

- avoir conscience des limitations des normes