Alan Jalil — Spécialiste Structures — alan.jalil@estp.fr
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Vent — huit modules interactifs sur l'aérodynamique des structures

L'action du vent sur les structures recouvre un spectre très large : turbulence atmosphérique, vortex shedding sur cylindres, instabilités aéroélastiques auto-excitées (galop, flutter), interférence entre bâtiments voisins, pression interne pulsatoire des ouvrages industriels, et l'éternel arbitrage vent vs séisme en avant-projet. Ces huit modules déploient la théorie (spectre de Kaimal, gust loading factor de Davenport, critère de Den Hartog, vitesse critique de Selberg, facteur d'interférence de Bailey-Kwok) sur des cas concrets de la pratique du BET structure : châssis, câbles, ponts élancés, gratte-ciels, hangars industriels, bâtiments en zone cyclonique.

Chaîne logique :  [ 1. Kaimal/Davenport ] → [ 2. Cheminée VIV ] → [ 3. Gratte-ciel confort ] → [ 4. Galop Den Hartog ] → [ 5. Flutter ]
  [ 6. Interférence tours ] → [ 7. Pression interne GCpi ] → [ 8. Vent vs séisme ]
Partie I — Théorie de la turbulence et réponse SDOF
Module 1
Spectre de Kaimal/Davenport et facteur de pointe
Reconstitution du spectre de turbulence longitudinale SL(f) (forme Solari adoptée par EC1-1-4 Annexe B). Décomposition de la réponse en background B² (quasi-statique grande échelle) et résonant R² (amplification dynamique en fn). Calcul du facteur de pointe gp ≈ 3,3-3,7 (Davenport 1961) et du coefficient cscd directement à partir des formules de l'EC1.
Piège : confondre R² et B². Pour une structure rigide (T < 0,5 s) : cscd ≈ 1. Pour un gratte-ciel (T > 4 s) : cscd peut atteindre 1,5 et 80 % de la réponse est résonante.
Paramètres : vb,0, terrain, H, B, T1, ξ, Tobs
Sorties : SL, B², R², gp, cscd, Iv, Lu
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Partie II — Vortex shedding et réponse cross-wind
Module 2
Cheminée industrielle — vortex shedding et lock-in
Calcul du nombre de Scruton Sc et de la vitesse critique Vcr = fn·d/St. Animation du sillage de von Kármán + déformée. Verdict EC1-1-4 Annexe E sur l'amplitude de lock-in pour cylindres élancés.
Piège : calcul statique seul sous Vréf manque la résonance transversale — pour H/d > 15, dimensionnant si Sc < 10.
Paramètres : H, d, e, matériau, δ, V
Sorties : fn, Vcr, Sc, ymax/d
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Module 3
Confort vibratoire des gratte-ciels — ISO 10137
Estimation apeak par méthode Davenport-Solari, comparaison aux seuils ISO 10137 selon usage (résidentiel / bureau / hôtel). Verdict sur nécessité TMD.
Le critère dimensionnant pour H > 80 m n'est pas la résistance mais le confort. Burj Khalifa (T = 11 s) tolère 30 mg ; Taipei 101 plafonné à 15 mg par TMD de 730 t.
Paramètres : H, B, m̄, ξ, V1 an, usage
Sorties : T1, apeak, alim ISO 10137, marge
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Partie III — Instabilités aéroélastiques auto-excitées
Module 4
Galop de Den Hartog — sections non-circulaires
Critère d'instabilité dCL/dα + CD < 0. Calcul de la vitesse critique Ug et comparaison avec U. 6 sections pré-renseignées (cercle, carré, D, rectangle, U). Animation de l'oscillation transversale avec divergence si U > Ug.
Piège : confondre galop et VIV. Le galop est auto-excité (croissance exponentielle), la VIV est forcée (cycle limite). Sections circulaires : pas de galop.
Paramètres : forme, U, D, m̄, fn, ζ
Sorties : CD, dCL/dα, Ug, Sc, y(t)
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Module 5
Flutter aéroélastique — tabliers de pont
Formule simplifiée de Selberg (1961) : UF = η · ωα · B · √[(1−r²)·μ·r²/2]. Facteur de forme η selon section (caisson profilé, treillis, bluff). Animation du couplage flexion-torsion h(t)+α(t) avec divergence si U > UF.
Piège : fflexion/ftorsion > 1 → configuration intrinsèquement stable. EC1-1-4 §F.1.2 demande UF > 1,3·Uvent,50 ans.
Paramètres : B, m̄, r, fh, fα, section, U
Sorties : UF, μ, ωh/ωα, h(t), α(t)
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Partie IV — Effets d'environnement et chargements particuliers
Module 6
Interférence aérodynamique entre tours voisines
Facteur d'interférence IF(s/D, β) selon Vickery-Davenport, Bailey-Kwok (1985), Hui-Yip (2013). Vue en plan avec sillage de von Kármán animé depuis la tour amont. Courbe IF vs s/D avec maximum vers s/D = 3-4 (IF ≈ 1,6).
Piège : EC1-1-4 ne couvre pas l'interférence. Risque d'amplification de 30 à 80 % oublié en avant-projet. Soufflerie obligatoire pour quartier dense (CSTB, RWDI, BLWTL).
Paramètres : D, H1, H2, s, β, U, T1, ζ
Sorties : IF, s/D, fVS, Fiso, Finterf
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Module 7
Pression interne pulsatoire (GCpi) — bâtiments à grande ouverture
Résonateur de Helmholtz : fH = (c0/2π)·√(Aop/(V·Leff)). Quasi-statique EC1-1-4 §7.2.9 (Cpi = 0,75-0,9·Cpe en face dominante) vs ASCE 7 §26.13 (GCpi = ±0,55 partial enclosed). Schéma de l'arrachement de toiture. Cause classique en zone cyclonique.
Piège : oublier de classer le bâtiment comme « face dominante ». Une porte cyclonique ouverte multiplie le soulèvement de toiture par 1,5 à 2. Volets anti-cyclone obligatoires en zone tropicale.
Paramètres : L, B, H, Aop, Aautres, U, Cpe
Sorties : Cpi, GCpi, fH, Fuplift, ratio
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Module 8
Vent vs séisme — qui gouverne ?
Calcul parallèle de Vb,vent (Davenport gust loading factor, EC1-1-4) et Vb,séisme (EC8-1) plus moments de renversement Mb. Courbes Vb(H) et Vb(T1) avec repérage automatique du croisement. Détection de la dissociation V/M qui rend les deux actions critiques sur des aspects différents.
Piège : se contenter de comparer les Vb. Les moments révèlent souvent une dissociation (V vent gouverne, M séisme gouverne) en raison des centroïdes différents (0,55-0,65·H pour vent, 0,67·H pour séisme).
Paramètres : H, B, m̄, T1, ζ, vb,0, ag, sol, q, γI
Sorties : Vvent/Vséisme, Mvent/Mséisme, Hcross, Tcross
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Articulations transversales

Liens internes à cette thématique — le module 1 (Kaimal/Davenport) fournit le cadre théorique mobilisé par les modules 2 (cheminée), 3 (gratte-ciel), 7 (pression interne) et 8 (vent vs séisme) — tous calculent un facteur cscd ou un gp. Les modules 4 (galop) et 5 (flutter) explorent les instabilités auto-excitées, par opposition au module 2 (VIV) qui est une résonance forcée. Les modules 6 (interférence) et 7 (pression interne) introduisent deux types d'effet d'environnement souvent négligés en avant-projet.

Liens avec les autres thématiques — le module 8 (vent vs séisme) prolonge directement le pipeline parasismique et fait le pont avec l'ISS (module 7 Yim-Chopra pour uplift, module 8 Newmark pour glissement, module 10 soutènement Mononobe-Okabe pour poussée dynamique). Le module 3 (gratte-ciel) renvoie au module 2 de la surélévation (principe TMD Den Hartog).

Références opérationnelles — EN 1991-1-4 (Eurocode 1 vent) et Annexes A-F, Davenport A.G. (1961) Application of statistical concepts to the wind loading of structures, ICE Proc., Solari G. (1993) Gust buffeting I: Peak wind velocity, JSE ASCE, Den Hartog J.P. (1932, 1956), Theodorsen T. (1935 NACA 496), Scanlan & Tomko (1971, J. EMD), Selberg A. (1961), Vickery & Davenport (1972 BLWTL), Bailey & Kwok (1985 JWEIA), Hui & Yip (2013 JWEIA), Holmes J.D. (2007) Wind loading of structures 2e éd., ASCE 7-22 §26-31, AIJ-RLB 2004, ISO 4354-2009, CICIND model code (1999, cheminées).

Limites des modules — oscillateurs SDOF ou 2-DDL, sections idéalisées, vent atmosphérique stationnaire (couche limite neutre). Pour cyclones, tornades, downbursts, vents non-stationnaires : modèles spécifiques (Holmes §3.5, Kareem-Wu 2014). Pour ouvrages sensibles : essais en soufflerie HFFB ou aéroélastique 3D obligatoires (CSTB, BLWTL, RWDI, BMT, Politecnico Milano).