Des conceptions ondulées pour des murs et des toitures pourraient offrir une protection contre les vents de la force d’un ouragan
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Des professeurs de l’Université d’État de Floride contribuent à la construction de structures plus robustes en étudiant comment les motifs ondulés sur les murs extérieurs et les toits réduisent jusqu’à 60 % la charge du vent sur les bâtiments de faible hauteur.
Cette étude, publiée dans la revue Engineering Structures , pourrait aider les architectes et les ingénieurs à lutter contre les vents de force ouragan grâce à des formes de bâtiments innovantes.
« Modifier la forme d’un bâtiment peut réduire considérablement l’intensité des forces du vent auxquelles il est exposé », explique Pedro Fernández-Cabán, co-auteur de l’étude et professeur adjoint de génie civil à la faculté d’ingénierie FAMU-FSU. « Ces formes de bâtiments non conventionnelles atténuent les dégâts causés par les scénarios météorologiques extrêmes. C’est un outil supplémentaire dont disposent les ingénieurs et les concepteurs pour se prémunir contre les dommages causés par le vent. »
FAMU: Florida A&M University, FSU: la Florida State University
L’équipe de recherche a fabriqué des maquettes en soufflerie, imprimées en 3D, de bâtiments de faible hauteur dotés de toitures et de façades extérieures ondulées, contrairement aux surfaces planes traditionnelles. Elle a ensuite évalué l’amplitude des vagues entre 5 % et 10 % de la hauteur du bâtiment par rapport à des conceptions planes classiques et a recueilli des données sur la pression du vent à la surface des maquettes.
Vent soufflant sur une surface plane (a) et ricochant sur une surface macro-ondulée (b). Crédit : Avec l’aimable autorisation de Pedro Fernández-Cabán
Des vagues plus profondes réduisent les pressions maximales du vent.
À l’aide d’une soufflerie du département d’ingénierie FAMU-FSU, les chercheurs ont mesuré les variations de pression du vent sur les maquettes. Ils ont constaté que la maquette présentant la plus grande profondeur d’onde était la plus efficace pour atténuer les effets du vent, réduisant les pressions maximales de 40 à 60 % près des angles de toiture et de murs, et ce, dans plusieurs directions.
Les surfaces structurelles courbes peuvent prévenir la formation de tourbillons destructeurs en éliminant les zones où se forment généralement de fortes dépressions. Au lieu de balayer en douceur des murs plats ou des toits en pente, le vent rencontre des contours ondulés, une succession de collines et de vallées arrondies qui perturbent son flux. L’air rebondit sur ces surfaces ondulées comme un galet sur l’eau, brisant les zones de pression et déviant le vent loin de l’enveloppe du bâtiment.
Lorsque le vent interagit avec des structures, le mouvement rapide de l’air à la surface peut créer une zone de basse pression. La pression atmosphérique plus élevée sous ou à l’intérieur d’une structure repousse la surface vers l’extérieur, en direction de cette zone de basse pression. Les forces les plus importantes se développent aux angles et aux bords du toit, où des tourbillons se forment et menacent l’intégrité de la structure.
Un schéma illustrant différents modèles testés par les chercheurs. Le modèle de référence ne présente aucune ondulation sur sa surface extérieure. D’autres modèles expérimentaux présentent des amplitudes d’onde comprises entre 5 % et 10 % de la hauteur du bâtiment. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Pedro Fernández-Cabán
Au-delà de la protection conventionnelle contre le vent
La lutte contre la pression du vent représente un défi constant en conception structurale. Les éléments architecturaux extérieurs, tels que les angles arrondis, les murs inclinés et les retraits, contribuent à atténuer les charges du vent. Une autre stratégie d’atténuation consiste à renforcer les murs avec des matériaux plus épais ou plus résistants. Ces techniques peuvent s’avérer efficaces, mais coûteuses. Les contraintes de conception et d’implantation excluent certaines solutions, et leur ajout à des structures existantes peut être difficilement réalisable.
Cette recherche démontre la possibilité d’adopter des façades de bâtiments aux formes non traditionnelles pour se protéger des dommages causés par le vent.
Les résultats aérodynamiques de cette recherche dépassent largement le cadre du génie des structures. La dynamique des fluides et le comportement des vortex sous-jacents présentent un intérêt considérable pour les domaines étudiant les écoulements turbulents, notamment l’aéronautique, les sciences de l’environnement et la physique fondamentale.
« Nous travaillons avec l’air, tandis que d’autres ingénieurs et scientifiques s’intéressent aux vagues et à l’eau, mais la compréhension de la dynamique des fluides peut éclairer la conception et l’ingénierie dans de nombreux domaines », a déclaré Fernández-Cabán. « L’optimisation aérodynamique exige une approche multidisciplinaire qui concilie sécurité structurelle, résilience, efficacité des matériaux et performance. »
Amélioration des modèles de vagues par des tests supplémentaires
Alors que cette étude a examiné la pression du vent agissant sur la surface de modèles ondulés, l’équipe de recherche mène des expériences supplémentaires pour mieux comprendre les flux de vent autour de ces systèmes d’enveloppe.
Les chercheurs prévoient également d’utiliser la modélisation numérique des fluides pour optimiser davantage les profils d’ondes et explorer d’autres géométries de surface qui n’ont pas été testées en soufflerie.
L’étude a été co-écrite par le professeur agrégé Qian Zhang, le doctorant Arezoo Bakhshizadeh et l’ancien élève Peter Tsouroukdissian.