Ce changement se traduit de manière particulièrement visible dans les formes de plus en plus audacieuses des bâtiments contemporains. On assiste ainsi à de véritables défis lancés au ciel avec des immeubles de plus en plus hauts et élancés ou à l'élaboration d'enveloppes courbes particulièrement complexes pour certains bâtiments. Ces projets ont cependant une caractéristique commune : la nécessité de vérifier la structure afin que les charges soient transférées de manière sécurisée avant l'exécution du projet.
Cette tâche peut s'avérer particulièrement complexe selon la géométrie et les conditions d'utilisation du bâtiment. Ce sont notamment les bâtiments modernes qui présentent des difficultés supplémentaires en raison des charges de vent. Si les charges de vent correspondant aux formes de bâtiment classiques peuvent figurer dans des normes ou des réglementations, elles sont souvent inconnues dans le cas d'une forme libre. Une solution consiste à tester un modèle réduit en soufflerie et à déterminer les charges de vent correspondantes. Les résultats peuvent également être obtenus par simulation numérique des flux de vent sur le modèle du bâtiment dans le logiciel adéquat.
Bien que les résultats puissent être plus complexes à interpréter, la solution numérique présente des avantages par rapport aux tests physiques. Il n'y a en effet aucun coût lié à la fabrication d'une maquette et à l'utilisation d'une soufflerie. Cette différence s'avère particulièrement profitable lors de l'étude préliminaire puis la conception définitive de la forme d'un bâtiment.
Dlubal Software a ainsi développé le programme autonome RWIND Simulation en collaboration avec les sociétés PC-Progress et CFD Support afin de faciliter le travail des ingénieurs structures dans ce domaine. Il permet de simuler les flux d'air dans une soufflerie numérique autour de bâtiments ou d'objets quelconques, mais aussi de générer des charges équivalentes pour le calcul et la vérification de structures.
RWIND Simulation a été conçu pour déterminer les charges de vent sur les bâtiments et il suffit à l'utilisateur d'importer un modèle 3D ainsi que de définir la charge de vent. Le programme définit automatiquement tous les autres paramètres d'exécution de la simulation de l'écoulement du vent en se basant sur l'hypothèse de départ. Il épargne donc à l'utilisateur la définition complexe des paramètres liés à la mécanique des fluides et les résultats peuvent être analysés à l'aide d'un simple bouton.
RWIND Simulation et les autres logiciels Dlubal
RWIND Simulation est un programme autonome qui peut être utilisé seul ou comme complément des logiciels de calcul de structure RFEM et RSTAB de Dlubal Software. Il existe un lien direct entre RFEM ou RSTAB et RWIND Simulation en raison de l'hypothèse de base sur la détermination des charges de vent sur les bâtiments avec transfert des forces sur les modèles de calcul de structure. Il permet d'exporter tous les modèles RFEM ou RSTAB avec une définition des charges de vent vers RWIND Simulation via une interface dédiée, puis d'importer les charges de vent obtenues après le calcul sur les surfaces. On peut également utiliser manuellement le programme RWIND Simulation sans recourir à cette interface dans RFEM ou RSTAB.
Modélisation
RWIND Simulation est organisé en projets. Chaque projet décrit la géométrie de l'objet orientée par rapport au flux de vent dans une soufflerie numérique avec une charge de vent entrante définie, résultats du champ d'écoulement dans la soufflerie et résultats de surface inclus. La charge de vent entrante décrit le profil de la vitesse du vent et de l'intensité de la turbulence à la hauteur à l'entrée de la soufflerie. Il existe deux méthodes pour définir un projet.
- Si vous souhaitez effectuer une analyse des charges de vent dans RWIND Simulation uniquement, importez la géométrie entourée des flux dans la soufflerie numérique du projet à l'aide d'un modèle 3D, ajustez-la dans la soufflerie et définissez la charge de vent entrante dans la boîte de dialogue. Vous pouvez importer le modèle dans le programme sous forme géométrie au format STL avec un maillage triangulaire ou sous forme de géométrie ParaView au format VTP.
- Pour effectuer une analyse à l'aide des charges de vent dans les logiciels RFEM et RSTAB, vous devez créer le modèle principal sous forme de structure dans l'un de ces deux logiciels afin de conserver les liens, et donc les données, entre RFEM/RSTAB et RWIND Simulation. Dans ce cas, vous pouvez définir la charge de vent (manuellement ou selon une norme) pour différentes directions de vent via l'interface dans RFEM et RSTAB et exporter automatiquement le modèle de structure avec toutes les barres, surfaces, solides et objets 3D dans la soufflerie numérique de RWIND Simulation pour différentes directions de vent.
Aucune restriction supplémentaire n'est appliquée lors de l'importation du modèle dans RWIND Simulation. L'interface disponible permet d'importer les données de géométrie avec l'option d'orientation dans la soufflerie numérique et de définir les conditions limites correspondantes pour l'analyse numérique des flux sur les surfaces, quelle que soit la forme du bâtiment ou de l'objet.
Calcul
Un modèle numérique CFD (Computational Fluid Dynamics) est utilisé pour calculer les flux de vent autour du modèle dans la soufflerie de RWIND Simulation. Le processus de simulation se déroule en plusieurs étapes.
- Un maillage 1D est tout d'abord généré à la surface du modèle autour duquel s'écoule le vent. Ce maillage simplifie la géométrie du modèle et garantit qu'il est bien hermétique.
- L'espace entre l'extérieur de la soufflerie et le maillage est discrétisé à l'aide du générateur de maillage OpenFOAM (SnappyHexMesh). La taille des éléments solides est définie rapidement et respecte la densité globale de maillage prescrite avec un raffinement homogène au niveau des zones à proximité immédiate des surfaces du solide.
- L'écoulement du vent dans la zone discrétisée est simulé de manière itérative selon la méthode des volumes finis avec un solveur d'équations OpenFOAM de la famille de solveurs SIMPLE (Semi-Implicite Method for Pressure Linked Enquations) pour l'écoulement des fluides turbulents incompressibles stationnaires.
- Les pressions de vent résultantes sont extraites à partir des flux s'écoulant sur le maillage des objets.
- Les pressions du vent obtenues sur le maillage sont converties pour revenir à la géométrie d'origine du modèle.
Sortie des résultats
Lorsque le critère de convergence du processus de simulation itératif est atteint, le programme affiche deux types de résultats de base pour décrire le flux de vent autour des du modèle et son effet sur ce dernier. Les champs d'écoulement 3D à plusieurs couches sont affichés avec les éléments suivants :
- la vitesse du vent
- la direction du vent
- les pressions
- les propriétés de turbulence
- les lignes des flux (peuvent être affichées sous forme d'animation)
pour déterminer la forme des flux de vent autour du modèle dans l'espace.
En revanche, les résultats de surface scalaires avec l'affichage
- des pressions du vent (résistance au vent sous forme vectorielle incluse) et
- des coefficients aérodynamiques des surfaces
montre l'action du vent sur le modèle.
Conversion
Si le projet RWIND Simulation a été créé à partir du modèle entré dans RFEM ou RSTAB, la pression du vent est obtenue dans RWIND Simulation à partir du modèle d'origine sous forme de cas de charge de vent distinct dans le modèle RFEM ou RSTAB correspondant une fois l'analyse de l'écoulement du vent terminée. Ce cas de charge (ou plusieurs cas de charge si plusieurs directions de vent sont analysées) inclut les charges de pression nettes du vent résultantes sur les nœuds EF des barres, des surfaces et des solides utilisés. Le calcul dans RFEM ou RSTAB des cas de charge issus de RWIND Simulation permet d'obtenir les efforts internes et les déformations des éléments de la structure dus aux effets du vent. Outre le calcul de l'action du vent, il est évidemment possible de combiner ces cas de charge avec d'autres actions dans les combinaisons de charges et de résultats, puis d'appliquer les résultats dans les modules additionnels disponibles.
Résumé
RWIND Simulation et l'interface avec RFEM/RSTAB constituent une solution performante pour déterminer les charges de vent sur des bâtiments présentant une géométrie complexe. Le fonctionnement convivial de ce programme autonome permet de déterminer rapidement et facilement les charges de vent pour le calcul de structure selon la méthode de calcul choisie. Cette méthode déjà couramment employée dans l'automobile et l'aéronautique possède par ailleurs un grand potentiel dans le secteur du calcul de structure pour déterminer plus précisément les effets du vent et calculer plus rapidement les structures.
