ARCHIVÉ - V'la le bon vent, v'la le joli vent...
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Le 08 mai 2008 — Ottawa (Ontario)
Avez-vous déjà senti la panique vous gagner au sommet d'un très haut édifice en découvrant qu'il se balançait? Si les ingénieurs spécialisés en aérodynamique du CNRC étaient sur le chantier avant l'érection du bâtiment, oubliez toute crainte.
L'Institut de recherche aérospatiale du CNRC (IRA-CNRC) contribue à déterminer les contraintes exercées par le vent et la stabilité aéroélastique des bâtiments et des ponts hors normes avant leur construction. De telles études jouent un rôle particulièrement important quand l'ouvrage envisagé est considérablement haut ou long, et repose sur un relief complexe ou sur un site exposé.
En utilisant une maquette exacte, le CNRC procure aux ingénieurs des données exhaustives sur les effets éventuels du vent sur les ouvrages qu'ils conçoivent. « L'investissement est minime pour qui veut avoir l'esprit en paix », estime Guy Larose, agent de recherche principal et ingénieur en aérodynamique. Au cours des huit années qu'il a passées au CNRC, M. Larose a piloté des études complètes visant à préciser les effets du vent sur plusieurs bâtiments et ponts bien connus, aux dimensions exceptionnelles.
« Le plus récent édifice ultra haut sur lequel le CNRC a travaillé est la tour Burj au Dubaï dans les Émirats arabes unis, poursuit M. Larose. Sa construction ne prendra fin qu'en 2009, mais on la considère déjà comme la plus haute tour isolée ainsi que comme le plus grand édifice au monde. »
Le nombre de Reynolds exprime le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses d'un fluide sur une surface. On s'en sert pour discerner et prévoir les couches qui se côtoient à divers régimes d'écoulement, notamment l'écoulement laminaire (uniforme) ou l'écoulement turbulent. Un bas nombre de Reynolds traduit un écoulement laminaire, où dominent les forces visqueuses. Les fluides se déplacent alors constamment, de manière uniforme. Avec un nombre de Reynolds élevé, en revanche, les forces d'inertie sont prépondérantes et la limite entre les couches devient turbulente, ce qui modifie l'aérodynamique.
Selon lui, le CNRC a été amené à participer au projet à cause de ses étroites relations de travail avec RWDI (Rowan Williams Davies and Irwin inc.), un bureau d'experts-conseils de Toronto qui s'intéresse à l'incidence du vent sur les structures. À sa tête figure notamment Peter Irwin, ancien employé de l'IRA-CNRC et l'un des meilleurs ingénieurs-conseils du Canada en aérodynamique. « RWDI possède ses propres souffleries, à Guelph, en Ontario, même si elles sont plus modestes que les nôtres, reprend M. Larose. L'entreprise a décroché le contrat pour vérifier l'aérodynamique de la tour Burj de Dubaï, comme cela s'était produit pour le pont du détroit de Tacoma, contrat sur lequel nous avons également collaboré. Quand les essais nécessités par un projet dépassent les capacités de l'entreprise, M. Irwin se tourne vers le CNRC. »
« Le CNRC possède la seule installation au Canada permettant d'effectuer des essais en soufflerie à un nombre élevé de Reynolds, sur de grandes maquettes », explique M. Larose. Ces tests se déroulent dans la soufflerie de 9 m par 9 m du CNRC. « Nous pouvons y reproduire les conditions voisines de celles qui affecteraient un haut édifice de grandeur nature. »
Modélisation de la tour Burj de Dubaï
Conçue par Skidmore, Owings et Merrill, la spire au sommet de la tour devrait dépasser les 750 mètres (2 460 pieds) de hauteur. La tour comptera 164 étages.
Pour ses tests, RWDI avait construit une maquette au 1/500e de la tour entière et procédé aux essais avec un relativement bas nombre de Reynolds. Pour ceux effectués au CNRC, RWDI a bâti une maquette au 1/50e du tiers supérieur de la tour, en balsa et en contreplaqué pour équipement d'avion qui reproduisait soigneusement tous les détails externes, raconte M. Larose. « Nous y avons ajouté des transducteurs de pression en surface. » Les tests portaient sur des vents violents et une maquette de grande envergure, ce qui a donné un nombre de Reynolds élevé.
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| Modèle au 1/50e du sommet de la tour Burj de Dubaï dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC |
Le CNRC utilise une multitude d'instruments et de méthodes pour recueillir des renseignements sur les contraintes qui s'exercent sur une structure dépendant des diverses conditions de vent. Les chercheurs du CNRC peuvent reproduire les conditions de vent propres à chaque ouvrage, en tenant compte de ses dimensions, de sa construction et du relief voisin. « Pour la tour Burj de Dubaï, nous avons simulé l'écoulement turbulent qui survient parfois à haute altitude dans cette région, continue M. Larose. Il ventera beaucoup plus fort au sommet d'un grand édifice qu'à hauteur du sol, mais les turbulences seront moindres. »
Que font les ingénieurs avec de telles informations? « RWDI utilise ces données pour déterminer l'étendue des effets des nombres de Reynolds et pour calculer les contraintes exercées par le vent sur l'ouvrage, ainsi que la pression à la surface du bâtiment, répond M. Larose. Les résultats conjoints des tests du CNRC et de RWDI aident les ingénieurs à établir la taille et la résistance des fondations, le type de bardage dont il faut couvrir l'édifice, et à prendre de nombreuses autres décisions en construction, y compris l'épaisseur du vitrage au sommet de la tour. »
Selon M. Larose, les codes du bâtiment ne fournissent pas toute l'information requise pour garantir la sûreté des ouvrages aux proportions et à la conception audacieuses. Dans un cas comme celui décrit ici, les ingénieurs doivent procéder à des essais en soufflerie pour prendre les décisions essentielles sur les matériaux et la taille des fondations. Un des aspects qu'ils doivent prévoir est l' « accélération » -- c'est-à-dire la rapidité du roulis au sommet de l'édifice.
Bien qu'un bâtiment doive être assez souple pour demeurer droit dans le vent, quand l'accélération est trop forte, les gens attrapent le mal de mer. Si les essais en soufflerie révèlent une trop grande accélération, le constructeur ajoutera un système pour l'amortir, un peu comme les amortisseurs d'une automobile. Les vibrations et les ondulations s'en trouveront atténuées. On pourrait installer un système imposant -- une masse qui se déplace sur des rails, par exemple -- au sommet du bâtiment pour qu'il compense le roulis et absorbe l'énergie.
« La tour Burj de Dubaï est encore en construction, mais nos essais sont terminés, conclut M. Larose. Les ingénieurs de RWDI ont obtenu la confirmation que la pression se répartit comme ils l'avaient calculé et que leurs prévisions sont sûres et fiables, ce qui leur procurera la tranquillité d'esprit. » Sachant que le projet coûtera 4,1 milliards de dollars américains, dormir en paix n'a pas de prix.
Renseignements : Relations avec les médias
Conseil national de recherches Canada
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