Analyse des flux de vent en zone urbaine

Article technique

Les flux de vent s'écoulent autour des bâtiments, créant ainsi des charges spécifiques sur les surfaces. Ces charges doivent être utilisées lors du calcul de structure.

L'écoulement autour d'un bâtiment modifie le comportement du vent par rapport à ce qu'il serait sur un terrain non construit. Ce comportement peut influencer le microclimat autour du bâtiment et les déplacements des personnes à proximité en fonction des propriétés du vent et de celles du bâtiment. Lorsque les conditions sont défavorables, rester à proximité d'un bâtiment peut provoquer un sentiment d'inconfort et présenter des risques pour les piétons ainsi que les cyclistes.

Figure 01 - Écoulement du vent en zone urbaine

La détermination des charges des objets soumis à des flux de vent et les mesures pour le confort des piétons ainsi que des cyclistes à proximité des bâtiments font ainsi partie des applications du génie éolien au génie civil.

Influences potentielles sur l'écoulement du vent autour des bâtiments

Les bâtiments ne sont pas simplement balayés par le vent : ils influencent également la forme d'écoulement du vent [1]. L'écoulement dans les zones autour d'un bâtiment varie selon la direction du vent, la forme du bâtiment et les propriétés du vent. Voici les effets les plus courants :

Figure 02 - Formation de tourbillons

Figure 03 - Formation de tourbillon à l'avant d'un bâtiment

Figure 04 - Canalisation

Figure 05 - Effet Venturi

Figure 06 - Effet de la protection contre le vent

Figure 07 - Siphon

La combinaison de ces effets a une influence sur le microclimat urbain [1]. La poussière, la saleté, la neige, les odeurs et la chaleur sont ainsi transportées à travers le bâti en fonction du comportement du vent, de ses accélérations locales et de la durée d'écoulement des flux.

Mesures pour le confort des piétons et cyclistes

Les flux présentant des accélérations locales et les turbulences résultant des interactions entre un bâtiment et un flux spécifique constituent la situation d'une zone urbaine. Les turbulences et les rafales dues aux effets de canalisation et Venturi entre les bâtiments et aux alentours peuvent être ressentis de manière désagréable par les personnes présentes. C'est notamment le champ d'écoulement qui provoque des sensations indésirables à la hauteur de la tête des piétons (entre 1,5 et 2 m du sol). Dans les cas particulièrement défavorables, la vitesse élevée du vent perturbe les déplacements des piétons et des cyclistes de manière imprévisible.

Plusieurs critères ont été établis afin de supprimer les flux les plus nuisibles et de rendre les effets du vent supportables. Les plus connus sont les valeurs limites selon les critères de Lawson, les critères de Davenport et la norme NEN 8100 [2]. Cette norme néerlandaise détaille les critères de sécurité et de confort requis.

Des mesures pour le confort des passants dans une zone précise peuvent être élaborées à l'aide de ces critères, des données météorologiques et du comportement local du vent. Les données météorologiques de la zone indiquent les vitesses du vent en fonction de sa direction et de sa fréquence. Ces ensembles de données sont souvent représentés sous forme de rose des vents.

Figure 08 - Rose des vents

Le flux de vent global crée un champ d'écoulement hétérogène avec des effets d'accélération parfois considérables à proximité et entre des bâtiments d'un quartier ou d'un ensemble urbain en raison de divers effets d'écoulement. Le confort des passants dans une zone est déterminé en comparant la vitesse locale du vent avec les tendances météorologiques correspondantes provoquées par le flux de vent sous-jacent [2]. La norme NEN 8100 fournit par exemple une classification pour la détermination du confort et de la sécurité des passants.

 Catégorie de
confort
Vitesse moyenne
du vent
[m/s]
Probabilité
d'occurrence
[%]
Activité
 A5< 2,5Personne assise longuement
 B5< 5Personne brièvement assise
 C5< 10Marche lente
 D5< 20Marche rapide
 E5≥ 20Situation inconfortable
 Catégorie de
sécurité
Vitesse moyenne
du vent
[m/s]
Probabilité
d'occurrence
[%]
Danger
 A15< 0,05Aucun risque
 B15< 0,30Risque limité
 C15≥ 0,30Dangereux

Les nouveaux bâtiments modifient les couloirs d'écoulement du vent

Divers exemples ont prouvé que la construction de nouveaux bâtiments modifiait le microclimat urbain et le champ d'écoulement du vent associé. Le Flatiron Building à New York et, plus récemment, le « Walkie-Talkie » du 20 Fenchurch Street, à Londres, constituent des exemples édifiants des effets négatifs que peut provoquer un bâtiment en raison de sa forme. Ces cas et d'autres ont montré qu'il est nécessaire de tenir compte des caractéristiques du tissu urbain environnant lors de la construction d'un nouveau bâtiment. Les bâtiments de plus de 25 mètres de haut peuvent considérablement modifier le confort des passants car leur façade crée des courants verticaux. Or, il est très compliqué d'améliorer le comportement au vent de ce type de structures a posteriori. Il est par exemple possible de planter des arbres de sorte à ralentir et à rediriger les flux de vent aux effets défavorables.

Afin d'éviter ces difficultés, la meilleure solution consiste à connaître les caractéristiques du comportement du vent dans la zone concernée dès la phase de conception d'un nouveau bâtiment ou d'un ensemble de bâtiments. Ces informations permettent d'identifier les zones où le vent peut nuire au confort des passants avant la construction et donc de modifier la forme du bâtiment en conséquence. Il est recommandé de procéder à une simulation numérique des flux de vent car les mesures d'optimisation associées doivent généralement être effectuées de manière itérative. Cette méthode numérique permet de déterminer avec précision et à moindre coût les formes de bâtiment à analyser, mais également d'afficher les vitesses locales du vent en considérant la situation globale dans la zone concernée. Cette méthode s'avère en effet bien plus économique que des essais en soufflerie sur la maquette d'une ville car il n'est alors pas nécessaire de faire fabriquer ce type de modèle réduit.

Analyse de l'écoulement du vent avec RWIND Simulation

Le programme autonome RWIND Simulation permet d’effectuer des simulations numériques de flux de vent sur un modèle de ville. Il permet d'importer et tester un modèle de ville, même très irrégulier, au format VTP (ParaView Poly Data) ou STL (STereo-Lithography) en soufflerie numérique et sans être limité par une échelle de taille. Le comportement global du vent dans la zone urbaine considérée doit être défini dans la soufflerie à l'aide d'un champ de vitesse du vent et des turbulences qui varie en fonction de la hauteur. Il est également possible d'importer directement de RFEM un modèle de calcul de structure avec les propriétés globales du vent dans la soufflerie numérique de RWIND Simulation. RWIND Simulation génère alors un maillage autour du solide de forme libre et détermine le champ d'écoulement local autour du modèle à l'aide de son solveur stationnaire pour les écoulements turbulents incompressibles par rapport à l'algorithme SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).

L'exemple de référence E « Complexes de bâtiments de forme simple en zone urbaine existante (Niigata) » publié dans le « Guidebook for CFD Predictions of Urban Wind Environment » [3] de l'Institut d'architecture du Japon (Architectural Institute of Japan, AIJ) montre l'influence de la construction de bâtiments de grande hauteur sur le champ local d'écoulement du vent dans les zones piétonnes.

Figure 09 - Vitesses locales du vent avant la construction de bâtiments avec RWIND Simulation

Figure 10 - Vitesses locales du vent après la construction de bâtiments avec RWIND Simulation

Dans cet exemple, la vitesse locale du vent augmente de 3,93 m/s à la hauteur de référence de 15,9 m au-dessus de la zone derrière le bâtiment, passant ainsi de 1,3 m/s avant les travaux à 4,43 m/s après la construction des bâtiments. La vitesse du vent a ainsi été multipliée par 3,4 environ et s'est traduite par une détérioration du confort ressenti par les piétons dans la zone de construction.

RWIND Simulation a permis de déterminer facilement ces résultats sur un ordinateur standard sans avoir à entrer de nombreuses données, y compris pour le maillage. Les urbanistes, les promoteurs, les architectes et les ingénieurs peuvent ainsi réaliser des études de confort et de sécurité au vent dans la zone où doit être construit un bâtiment.

Mots-Clés

Confort au vent Étude de confort au vent Évaluation du confort au vent Tourbillon Fréquence d'émission des tourbillons Gratte-ciel Urbanisme Burnham Aérodynamique Vitesses d'écoulement du vent Analyse de l'écoulement du vent Zones piétonnes

Littérature

[1]   NEN 8100:2006, Wind Comfort and Wind Danger in the Built Environment
[2]   Architectural Institute of Japan: AIJ Benchmarks for Validation of CFD Simulations Applied to Pedestrian Wind Environment around Buildings. Tokio: AIJ, 2016
[3]   Ministerium für Verkehr und Infrastruktur Baden-Württemberg: Städtebauliche Klimafibel - Hinweise für die Bauleitplanung, Neuauflage. Stuttgart: Druckfrisch, 2012
[4]   Architectural Institute of Japan: Guidebook for CFD Predictionsof Urban Wind Environment. Tokio: AIJ, 2020

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  • Mis à jour 26 octobre 2020

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Programme autonome de simulation CFD des flux de vent autour de bâtiments et de tout type d'objet. Les charges de vent générées qui agissent sur ces objets peuvent être importées dans les logiciels de calcul de structure RFEM et RSTAB.

Prix de la première licence
2 690,00 USD