Etude de cas

Évaluation de la réponse dynamique stochastique des structures sensibles à l’action du vent turbulent

Emplacement
Roland-Garros, Paris 75016
Pays
France
Catégorie
Etudes de recherche
Période
2015-2018

Partenaires & Collaborateurs
Université Technique de Constructions de Bucarest (UTCB), CSTB Nantes

Le projet

La modernisation du court central Philippe Chatrier de Roland Garros a été marquée par la construction d’une toiture mobile, une véritable « cortine » horizontale se repliant vers le nord pour garantir un terrain ensoleillé pendant une plus grande partie de la journée. Cette « cortine » est composée de plusieurs ailes en métal et en toile, rendant hommage à la fois au biplan de l’aviateur Roland Garros et au passé historique du site. Le court central Philippe Chatrier conserve ainsi son statut de stade ouvert, exposé aux diverses conditions climatiques extérieures, essentiel pour entretenir un court de tennis en terre battue.

La sobriété architecturale de la structure horizontale du toit s’intègre parfaitement dans le site tout en respectant l’architecture originale du stade. Cette approche est à la fois novatrice et respectueuse de l’environnement, offrant une protection contre les intempéries aux joueurs et aux spectateurs tout en maintenant une température agréable en cas de prolongation des matchs en soirée.

Nous avons financé et supervisé des études de recherche portant sur l’évaluation de la réponse dynamique stochastique des structures sensibles à l’action du vent turbulent, en référence à la couverture du court Philippe Chatrier de Roland Garros.

L’essentiel

Les avancées technologiques, que ce soit dans le domaine des matériaux de construction ou des méthodes de calcul développées, ont ouvert la voie à de nouveaux records dans le domaine du génie civil. Ces évolutions permettent non seulement la création de structures de plus en plus légères, mais également la conception de formes architecturales de plus en plus esthétiques. La modélisation des charges dues au vent sur ces structures dépasse souvent les limites des normes de conception, et exige ainsi une approche technique particulière.

Les objectifs généraux de ce projet de recherche ont été les suivants :

1. Proposer une méthode efficace de résolution numérique des problèmes de vent pour les écoulements industriels.
2. Évaluer le couplage vent/structure grâce à l’analyse modale.
3. Offrir une optimisation économique pour les structures soumises à l’action du vent.

Pour les projets d’envergure, généralement caractérisés par des budgets de conception conséquents, l’estimation des charges dues au vent s’effectue souvent par des approches expérimentales dans la soufflerie à couche limite atmosphérique, en se basant sur une maquette à l’échelle réduite. En revanche, pour les projets de plus petite envergure, le calcul des charges dues au vent s’effectue analytiquement en s’appuyant fréquemment sur les normes de conception en vigueur, et en utilisant une approche empirique adaptée aux géométries simples courantes. Cela conduit généralement à des résultats plus rudimentaires, avec un coefficient de sécurité plus élevé en raison du niveau d’information limité. Ce choix entraîne des coûts de conception plus bas, mais des coûts d’exécution plus élevés. La modélisation complexe des structures, prenant en compte le profil réel du vent en parfaite harmonie avec la géométrie exacte de la structure, les conditions environnementales adéquates, etc., et en utilisant une valeur appropriée du facteur d’amplification dynamique issue d’un calcul réel de l’interaction vent-structure, permet d’obtenir des résultats plus proches de la réalité. Bien que cette méthode soit plus coûteuse en phase de conception, elle conduit à des coûts d’exécution moindres.

L’écoulement du vent autour des obstacles à la géométrie complexe

Les normes de calcul de l’Eurocode NF EN 1991-1-4 sont souvent pessimistes lorsqu’il s’agit de structures industrielles à géométrie complexe, ce qui conduit généralement à leur surdimensionnement.

Les valeurs caractéristiques du flux moyen, obtenues par des calculs numériques, ainsi que leur distribution le long des composantes structurelles, concordent très bien avec les résultats expérimentaux issus de souffleries. Ceci confirme la pertinence des modèles RANS K-ε pour évaluer les effets globaux du vent (torseur des forces globales) sur les structures à géométrie complexe. Cependant, les structures et les caractéristiques des petits tourbillons qui se forment dans les couches limites ne peuvent pas être précisément identifiées en utilisant la méthodologie RANS K-ε. Les méthodologies LES (Large Eddy Simulation) ou les méthodologies hybrides RANS-LES seraient certainement plus appropriées à cette fin.

Le temps nécessaire pour effectuer les calculs numériques (RANS K-ε) est plus long que le temps intrinsèque requis pour effectuer des essais physiques en soufflerie (4 à 5 mois pour les calculs numériques par rapport à 2 à 3 semaines pour les essais en soufflerie). Cependant, cette différence est facilement compensée par le temps nécessaire pour préparer un modèle numérique (4 à 5 jours), comparé à 3 à 4 mois pour la construction, l’équipement et l’étalonnage d’une maquette physique à l’échelle.

L’analyse stochastique des effets du vent sur les structures à 1 DLD

Lorsqu’un fluide s’écoule autour d’une structure quelconque, cela engendre des variations locales de pression qui agissent comme des sollicitations sur cette structure. En réponse à ces sollicitations, la structure, initialement flexible, subit des déformations. Les mouvements et les vibrations résultant de ces déformations modifient à leur tour l’écoulement du fluide autour de la structure, provoquant ainsi des changements de pression. Ce phénomène est couramment appelé interaction fluide-structure.

Nous avons mené des études approfondies sur le comportement dynamique de structures présentant un degré de liberté (1-DLD) et une forme géométrique complexe, exposées à l’impact des vents turbulents. Ces recherches se sont concentrées sur une aile de la toiture du court Philippe Chatrier. L’objectif était d’analyser les forces aéroélastiques induites par le vent.

Nous avons calculé numériquement les forces aéroélastiques générées par le vent en utilisant la méthode RANS K-ε et en intégrant directement les pressions synchrones sur la surface de la structure. Les résultats numériques ont été comparés à des calculs analytiques conformes à la norme Eurocode NF EN 1991-1-4. Cette comparaison nous a fourni des informations essentielles sur la pertinence des calculs dynamiques par rapport aux calculs quasi-statiques, en particulier dans le cas des structures de forme géométrique complexe et relativement élastiques. Elle a également permis d’orienter le choix des paramètres pour les calculs dynamiques.
Le normatif de calcul Eurocode NF EN 1991-1-4 ne s’avère ainsi parfaitement adapté pour estimer avec précision les phénomènes d’interaction vent-structure dans le cas de structures avec des formes géométriques complexes, et donc pour évaluer de manière exhaustive l’amplification dynamique de ces structures soumises à l’action d’un vent turbulent.

Les caractéristiques de la structure et les valeurs caractéristiques des petits tourbillons, qui se forment dans les couches limites, ne peuvent pas être mises en évidence avec une grande précision en utilisant la méthodologie de calcul RANS K-ε. Le paramètre adimensionnel caractéristique de la discrétisation de la couche limite fluide-structure, y+, devrait de préférence être inférieur ou égal à 50. Les méthodologies LES (Large Eddy Simulation) ou les méthodologies hybrides RANS-LES seraient certainement plus appropriées.

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