Comment se conformer aux exigences de l'Eurocode grâce à l'application de la CFD dans le calcul des charges de vent

Introduction

L'ingénierie éolienne est un domaine multidisciplinaire dont l'objectif est de comprendre et d'analyser le comportement du vent et ses effets sur les structures, les bâtiments et l'environnement. Elle joue un rôle essentiel dans la conception d'installations sûres, efficaces et durables ainsi que dans l'exploitation de la puissance de l'énergie éolienne pour diverses applications. L'ingénierie éolienne combine des principes de la météorologie, de la dynamique des fluides, du génie civil et de l'architecture pour étudier comment le vent interagit avec les structures.

L'objectif principal est d'assurer la sécurité et la stabilité des bâtiments et des autres constructions face à des conditions de vent variables. Les ingénieurs et chercheurs utilisent des modèles mathématiques et des essais en soufflerie pour simuler des scénarios réels et collecter des données pour développer des solutions de calcul efficaces.

Engineers and researchers use mathematical models and wind tunnel testing to simulate real-world scenarios and gather data to develop effective design solutions.

Dans cet article, nous nous focalisons sur l'importance de l'ingénierie éolienne, comment elle est traitée par les normes EN et ASCE et comment les observer, notamment dans l'EN 1991-1-4 [[#Refer [1]]].

Voici quelques exemples d'application de simulation des flux de vent dans une ville moderne avec des gratte-ciel (Figure 1), un champ de vitesse du vent sur une tour (Figure 2) et une interaction vent-structure dans le cas d'un pont, utilisant RWIND et RFEM (Figure 3).

Méthode de calcul de la charge de vent

Ces dernières années, l'interaction vent-structure a gagné en importance en raison du nombre croissant de structures de différentes hauteurs et formes. Des approches expérimentales et numériques sont utilisées pour déterminer cette interaction. De nombreuses structures sont évaluées en soufflerie dans le cadre de recherches expérimentales. Cette approche permet de calculer les impacts causés par les charges de vent.

Les structures à grande échelle, telles que les immeubles de grande hauteur, les ponts et les stades, bénéficient grandement des essais en soufflerie, mais cette méthode est très coûteuse et chronophage.

Les charges de vent sur les structures peuvent également être déterminées à l'aide d'une simulation CFD, ce qui constitue l'approche la moins coûteuse et la plus rapide. Il est important de noter que, sur la base de l'ASCE7-22 et l'EN 1991-1-4, seule la simulation CFD numérique vérifiée et validée peut être utilisée comme méthode efficace.

Principes importants et exemples de validation

Ici sont répertoriés des critères importants que les ingénieurs éoliens doivent considérer lors de l'utilisation de la simulation CFD comme techniques de calcul pour estimer le flux de fluide en mouvement. Il existe de nombreux logiciels qui peuvent résoudre des problèmes de CFD et RWIND est un outil à la fois puissant et convivial pour les ingénieurs structures. RWIND Simulation est particulièrement utile pour les ingénieurs et les concepteurs qui ont besoin de comprendre comment le vent affecte les bâtiments, les ponts, les tours et autres structures. En créant un modèle 3D du flux de vent, ce logiciel peut vous aider à évaluer les charges de vent, à analyser le confort du vent et à s'assurer que les structures sont conçues pour résister aux forces exercées par le vent. Les effets des charges de vent statiques sur les structures peuvent être estimés à l'aide de différentes normes, et il est également intéressant de faire une comparaison avec la simulation CFD. Les  Exemples de validation de l'Eurocode sont disponibles avec RWIND pour introduire le paramètre le plus compatible pour la simulation CFD.

Normes

L'Eurocode est fréquemment utilisé pour effectuer des calculs associés au vent dans les pays européens. Pour effectuer ces calculs, la charge de vent dynamique est simplifiée en une charge statique équivalente conservatrice avec considération des facteurs de sécurité. Les essais physiques en soufflerie sont une alternative au calcul des charges de vent. L'EN 1991-1-4 explique comment déterminer les forces naturelles exercées par le vent qui doivent être considérées dans le calcul d'une structure pour chaque zone chargée. Cela concerne l'ensemble de la structure, des composants de la structure, ou les éléments liés à la structure, tels que les éléments, les unités de revêtement et leurs fixations, les barrières de sécurité et antibruit [1].

Le chapitre C31 de l'ASCE 7-22 [2] relatif à la procédure en soufflerie mentionne des points importants sur la simulation CFD :

L'ASCE 49 spécifie les exigences relatives aux essais en soufflerie. Une telle norme est nécessaire pour calculer les charges de vent à l'aide d'essais numériques ou réels en soufflerie.

Bien que l'utilisation des simulations de la mécanique des fluides numérique (CFD) dans les applications d'ingénierie éolienne gagne en importance, l'ASCE 49 ne répertorie pas clairement toutes les étapes requises pour la CFD. Toute utilisation de la CFD pour estimer le système principal résistant à la force du vent (MWFRS), C&C ou les charges de vent d'autres structures nécessite un contrôle par un pairs ainsi qu'une étude de vérification et de validation (V&V) en attente d'une norme similaire décrivant les procédures requises pour obtenir des charges de vent fiables et précises à l'aide des outils CFD [2]. C'est indispensable pour l'assurance et le contrôle de qualité de cette procédure, vu qu'il n'existe pas de norme pour cela [3]. Many of the specifications outlined in ASCE 49 for physical wind tunnel testing are valid when utilizing CFD as a numerical wind tunnel.

De nombreuses spécifications décrites dans l'ASCE 49 pour les essais physiques en soufflerie sont valables pour l'utilisation de la CFD en tant que soufflerie numérique. Par exemple, le modèle numérique nécessite un flux de vent suffisant, une géométrie précise, l'inclusion des principales structures adjacentes et la considération de la possibilité d'excitation modale et d'effets aéroélastiques.

La simulation CFD, si validée par rapport à un modèle physique de base, peut aider à résoudre des subtilités que le modèle physique ne peut pas mesurer et/ou activer l'analyse de sensibilité pour les modifications paramétriques.

L'un des avantages importants de RWIND est son intégration avec d'autres logiciels de DLUBAL, tels que RFEM (logiciel de calcul de structure méthode des éléments finis) et RSTAB (logiciel de calcul de structures aux éléments filaires). Cette intégration permet un transfert transparent des charges de vent dérivées de RWIND vers le calcul de structure (Figures 3 et 5).

Les simulations en soufflerie numérique ne peuvent être considérées que comme des données qualitatives en l'absence d'une telle validation. Lorsque des informations de calcul sont nécessaires pour les contraintes dues au vent ci-dessous, les essais en soufflerie sont souvent la dernière solution.

• Contraintes dues aux instabilités, telles que le flottement ou le galop
• Pressions des voiles résultant de la géométrie non plane
• Contraintes perpendiculaires au vent et/ou de torsion
• Charges périodiques induites par le détachement tourbillonnaire

Utilisation de la simulation CFD pour le calcul de la charge de vent selon l'Eurocode

L'Eurocode fournit des lignes directrices (en particulier l'Eurocode 1, partie 4: Actions du vent) pour déterminer les charges de vent sur les structures. Les simulations CFD peuvent être utilisées pour évaluer les modèles de flux de vent autour des bâtiments et calculer avec précision les charges de vent agissant sur les différentes surfaces de la structure.

Voici comment la simulation CFD peut être utilisée pour calculer la charge de vent selon l'Eurocode :

1. Connaitre les exigences du code du bâtiment : Chaque ville, état ou pays peut avoir des codes du bâtiment différents. Certains peuvent être conformes à des normes internationales, tandis que d'autres peuvent avoir des directives locales plus spécifiques. Vous devez comprendre les exigences spécifiques à l'emplacement de votre projet.
2. Définir la géométrie : la première étape consiste à créer un modèle 3D détaillé du bâtiment ou de la structure dans le logiciel de simulation CFD. Ce modèle doit représenter avec précision la forme, la taille et les caractéristiques de la structure, y compris tout terrain environnant ou bâtiment voisins susceptibles d'influencer le flux de vent. Les catégories de terrain dans l'Eurocode 1 sont utilisées pour définir les caractéristiques du terrain, qui à leur tour affectent la vitesse du vent et la pression agissant sur la structure. Ces catégories sont utilisées pour déterminer la rugosité du terrain et la longueur de rugosité du sol, qui affectent ensuite la vitesse moyenne du vent et les actions du vent sur la structure. Ces informations sont cruciales pour le calcul de structure afin que le bâtiment ou la structure puisse supporter les charges de vent prévues en fonction de son emplacement et du terrain environnant.
3. Définir les conditions aux limites : définissez les conditions aux limites pour la simulation CFD, notamment la vitesse et la direction du vent, ainsi que l'intensité de la turbulence. Ces conditions aux limites sont généralement basées sur les données météorologiques historiques ou des critères de calcul des flux de vent spécifiques fournis dans l'Eurocode.
4. Génération de maillage : Créez une grille de maillage autour de la géométrie du bâtiment pour discrétiser le domaine des fluides. La résolution du maillage doit être suffisamment fine pour saisir les caractéristiques d'écoulement pertinentes et les effets de couche limite près des surfaces du bâtiment.
5. Résolution des équations : Le logiciel de simulation CFD résout numériquement les équations d'écoulement du fluide déterminantes (équations de Navier-Stokes) pour les conditions aux limites définies. Le logiciel calcule les champs de vitesse et de pression autour du bâtiment.
6. Validation : comparez vos résultats CFD avec des tests en soufflerie ou des données empiriques pour valider vos résultats.
7. Post-traitement : une fois la simulation CFD terminée, un post-traitement est effectué pour analyser les résultats. Cela implique l'extraction des données sur les pressions de la charge de vent, les forces exercées par le vent et les vitesses agissant sur les surfaces du bâtiment.
8. Calcul des charges de vent : À partir de la répartition des pressions obtenues à partir de la simulation CFD, les charges de vent sur les différentes surfaces du bâtiment sont calculées selon les directives de l'Eurocode. Les coefficients de pression sont utilisés pour déterminer les charges de vent sur les murs, les toitures et d'autres composants.
9. Combinaison de charges : les charges de vent calculées à partir des simulations CFD sont ensuite combinées avec d'autres charges appropriées, telles que les charges permanentes, les charges d'exploitation et les charges de neige, selon les règles de combinaison de charges des Eurocodes.
10. Analyse de la structure : Les charges de vent, ainsi que d'autres charges, sont utilisées comme entrées pour l'analyse de la structure du bâtiment afin d'évaluer sa stabilité et son intégrité dans différents scénarios de charge.
11. Optimisation : modifiez le calcul pour atténuer les zones de haute pression ou d'autres problèmes potentiels identifiés par l'analyse CFD.
12. Examen par les pairs ou vérification par un tiers : selon la complexité du bâtiment et des réglementations locales, il peut être nécessaire de faire examiner vos calculs et vos résultats CFD par un tiers. Il s'agit d'une étape supplémentaire pour vérifier que votre calcul répond aux exigences du code du bâtiment.

Résumé

Dans le cadre des codes du bâtiment et des charges de vent, la simulation CFD peut être utilisée pour simuler l'interaction du vent avec un bâtiment, fournissant ainsi une compréhension des charges de vent plus détaillée et précise que de simples formules.

Notez que les simulations CFD pour le calcul des charges de vent nécessitent une expertises sur la modélisation CFD et sur les directives des Eurocodes. La précision de la simulation dépend en outre de la qualité du modèle de bâtiment, du choix des conditions aux limites et de la résolution du maillage. Notez cependant que la simulation CFD peut fournir des informations précieuses, mais qu'il s'agit d'un outil qui doit compléter, et non remplacer, les exigences et des normes définies dans les codes du bâtiment. Il est également nécessaire de bien comprendre la mécanique des fluides et les méthodes numériques pour interpréter correctement les résultats des simulations CFD.

Enfin, les exemples de validations et les articles de la base de connaissance sont des ressources utiles pour trouver les paramètres numériques les plus compatibles avec les normes.