Chapitre 3 : Action du vent sur une structure conformément à l'Eurocode 1

Plan

1. Généralités

2. Action du vent

3. Domaine d’application et limites du cours

4. Vitesse du vent

5. Pression dynamique de pointe

6. Coefficients structuraux : cs et cd

7. Coefficients de pression

8. Pression aérodynamique sur les bâtiments

9. Forces de frottement

 

1. Généralités

_ Le vent agissant sur une structure provoque des efforts sur les différentes parois qu’il rencontre.

_ Le vent engendre une déformée et éventuellement un arrachement d'éléments.

_ Les efforts du vent font partie des charges variables, et plus particulièrement des charges dites climatiques. 

2. Action du vent

_ L’effet du vent est une action très complexe. Il est donc indispensable de prendre des hypothèses simplificatrices, sans trop s’éloigner des phénomènes réels.

_ L’effet du vent est dynamique, il varie d’intensité au cours du temps. Mais par souci de simplification, nous considérerons un effort statique équivalent (sécuritaire), constant par zone.

Généralement, le vent souffle selon une direction quelconque. Cependant, nous pouvons considérer que les effets les plus défavorables sont obtenus lorsqu’il suit les directions principales de l’ouvrage (sans faire tourner la direction du vent). 

_ C'est le règlement (EC1-4) qui permet de déterminer l'action du vent. Pour comprendre cette action il faut être familier avec la mécanique des fluides (Théorème de Bernoulli, tube de venturi,) et avec la mécanique vibratoire (Notion de résonance).

_ Les ouvrages de génie civil sont soumis à l’action du vent. Cette action peut être dimensionnante dans le cas de constructions légères ou fragiles telles que les bâtiments en charpente métallique.

3. Domaine d’application et limites du cours

_ La partie 1.4 de l’EN 1991 donne des règles et des méthodes de calcul de l’action du vent sur des bâtiments de hauteurs inférieures à 200 m.

_ Cette partie de l’Eurocode 1 traite aussi des cheminées, des tours en treillis et les ponts (route, rail et passerelle) courants.

_ Les ponts à haubans ou suspendus, les mâts haubanés et les ouvrages en mer ne sont pas concernés par la partie 1.4 de l'EN 1991. Pour les ouvrages complexes, il est recommandé de réaliser des essais en soufflerie.

_ Le règlement est assez complexe. Selon les formes des bâtiments, leurs hauteurs … les abaques sont différents.

_ On se limite à l’étude des structures particulières vérifiant les hypothèses :

- terrain plat ;

- pas d’obstacle au vent (type collines ou immeubles) ;

- structure acier ou béton (pour les coefficients de vibration) ;

- bâtiment à base rectangulaire ;

- 2 pans de toiture au maximum (toiture plate, 1 pan ou 2 pans) ;

- perméabilité : surface des ouvertures sur chaque face < 0.3 surface totale de la face.

_ Dans les autres cas, il est impératif de se reporter à la norme.

_ Par définition, nous prendrons les hypothèses simplificatrices suivantes :

- période de retour de 50 ans ;

- forces de frottement négligeables dans la plupart des cas.

_ Par grand vent, nous supposerons que les portes et fenêtres sont fermées (hormis la porte la plus grande – cas supposé le plus défavorable pour quitter le bâtiment)

4. Vitesse du vent

Détermination de la vitesse de référence du vent : Valeur de base de la vitesse de référence

 

_ La valeur de base de la vitesse de référence du vent, notée vb,0, correspond à la vitesse moyenne sur 10 minutes observée à 10 m au-dessus du sol en terrain dégagé (maximum observé tous les 50 ans).

_ Elle n’est fonction que de l’emplacement de l’ouvrage

Si un événement possède une période de retour T, cela signifie qu’à chaque instant t, la probabilité qu’il se produise dans l’intervalle [t ; t+dt] (où dt est petit) est:

P(t,dt,T) = dt/T

Cette probabilité est donc indépendante de t et le processus est dit poissonien stationnaire. Il est alors facile de montrer que la probabilité de ne pas observer le phénomène pendant une durée supérieure à Dt est :

Pn[Dt,T] = exp[-Dt/T]

Il en résulte que la probabilité d’observer au moins une fois le phénomène pendant un intervalle de durée Dt est :

Pp[Dt,T] = 1 - Pn[Dt,T] = 1 - exp[-Dt/T]

5. Pression dynamique de pointe

La décomposition verticale de la façade recevant le vent (face au vent), se fera en fonction du rapport h/b.

Les façades ne recevant pas le vent (faces sous le vent) ne seront pas décomposées en tranches comme pour les faces au vent. Une seule pression sera calculée qp(z) =qp(h) avec h la hauteur de la construction (et non pas de la façade considérée).

6. Coefficients structuraux : cs et cd

Le vent est une action d’intensité aléatoire. Elle varie dans le temps et dans l’espace.

A un même instant t, sur deux facettes différentes, la fréquence du vent peut être différente voire déphasée. Il y a donc lieu de tenir compte de cet effet favorable par un coefficient de dimension noté cs. Cet effet sera d’autant plus favorable que le bâtiment est grand.

De même, cd est un coefficient dit dynamique. Il tient compte de la mise en vibration de la structure engendrée par la turbulence.

7. Coefficients de pression

Un mur possède deux faces. L’une est exposée à l’extérieur, et l’autre est à l’intérieur.

Le vent souffle directement sur la face extérieure, mais crée aussi une surpression (ou éventuellement une dépression) dans le bâtiment qui aura tendance à augmenter ou à diminuer l’effet du vent sur l’ouvrage.

Il est donc nécessaire de déterminer ces deux effets :

Cpe: coefficient permettant l’évaluation de l’effort du vent sur la paroi extérieure,

Cpi: coefficient permettant de déterminer l’effet du vent sur une paroi intérieure.

Par convention, les surpressions sont positives et les dépressions négatives.

Coefficient de pression extérieure et intérieur

Les coefficients de pression extérieure et intérieure sont notés respectivement

cpe et cpi.

On rappelle que :

– cp positif correspond à une pression sur la face considérée,

– cp négatif correspond à une dépression sur la face considérée.

La méthode présentée dans la suite n'est applicable qu'aux bâtiments ne comportant pas plus d’une face ouverte à plus de 30%. Les parois des bâtiments ne satisfaisant pas ce critère doivent être traitées comme des parois isolées.

Coefficient de pression intérieure

Le vent peut s’engouffrer à l’intérieur et créer des surpressions (ou dépressions)

Importantes.

- On verra ici le cas où la somme des aires des ouvertures sur chacune des faces est inférieure à 30% de l’aire de la face considérée.

- On considère les cas où le bâtiment possède (ou ne possède pas) de face dominante (face où l’air peut s’engouffrer beaucoup plus facilement que sur les autres faces). On appelle face dominante, la façade (ou le pignon) de l’ouvrage qui possède une surface d’ouvertures au moins égal au double de la surface des ouvertures des autres faces réunies.

- On compte ici comme ouvertures les surfaces susceptibles de rester ouvertes lors de grands vents.