Le Vent

    Il peut être autant utile que contraignant. On les utilisent pour produire de l'électricité ou encore pour voguer sur les vagues. Mais le vent est aussi source de problèmes. Les tours ont dues prendre en compte la force du vent pour s’élever. De nouvelles technologies ont été mises au point pour répondre aux contraintes comme les conditions ou intempéries météorologiques.

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    La force du vent a pour point d'application la surface exposée au vent (il peut y en avoir plusieurs). Cette force est parallèle au sol et logiquement dans le sens du vent. On note une autre force issue du vent; la force résultante du vent. Elle s'applique à la base de la tour, est perpendiculaire au sol.

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   Si on prend l’exemple de la Burj Khalifa qui fait 828 mètres et une surface au sol 309,473 m² soit une surface latérale de l'ordre de grandeur de 80'000m². Soit une vitesse du vent de 200 km/h soit 55,6 m/s. Le vent lors de ce calcul aura une force latérale.

        La force appliquée par le vent se calcule ainsi :

    Avec  ρair : masse volumique de l'air (en kg.m3)

    Cx : le coefficient de traînée

    v : la vitesse du vent (en m.s-1)

    S : surface (en m²)

Le coefficient de traînée permet de quantifier la force de résistance d'une surface, ici d'une tour. Pour les calculs suivants : Cx = 1 pour une tour de forme cubique.

            On sait également que la masse volumique de l'air est égale 0.986kg/m3 avec une température égale à 35°C (courant dans les pays chaud) et une altitude de 1000m s'approchant de la hauteur de la Burj Khalifa.

On pose :

     F = (Cx . ρair . S . v²)/2

     F = (1 . 0,986 . 80'000 . (55,6)²)/2

     F =  1,26.10^8 N

 

    Au sommet de la Burj Khalifa, la force exercée dans les conditions normalement extrêmes de vent (200 km/h) sera de 1,26.10^8 N. Cette force est donc non négligeable pour concevoir la tour.

 

    Pour contrer au maximum les oscillations dues aux vents très forts, les ingénieurs mettent dans les derniers étages de la tour des "damper". Les "damper" sont d'énormes masses situés en haut de certain gratte-ciel pour contester le mouvement due à la force du vent. Lors d'un décalage d'une tour par rapport à son axe vertical, ces immenses masses vont se déplacer automatiquement dans la direction opposé de la distorsion en jouant un rôle de contrepoids.

    Il existe 3 principaux types de "damper":

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    Dans la tour de Taipei 101, il s'agit d'une immense boule pesant 660 tonnes qui agit grâce à des capteurs de mouvements. Ces détecteurs vont entraîner le décalage de l'importante masse de béton dans le sens opposée de l'oscillation, l'idée étant de modifier l'emplacement du centre d'inertie de la tour. Tout cela est contrôlé minutieusement par un ordinateur relié aux détecteurs de mouvements pour ne pas risquer l'écroulement de la tour.

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   D'autres tours possèdent un damper hydraulique. Elles possèdent deux grands réservoirs d'eau de chaque côté de la tour. Lors d'une oscillation, un transfert d'eau - donc de poids - se fera entre les deux réservoirs pour rééquilibrer la tour. Cette technique récente est très utile car elle se fait de manière très rapide grâce aux détecteurs de mouvements et constitue également une réserve d'eau pour un éventuel incendie.

 

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   Le dernier type de damper ressemble au premier type de damper. Néanmoins, celui-ci n'est pas relié à un ordinateur, il est mécanique. La masse se balance avec un temps de retard en fonction de l'oscillation de la tour et permet à cette dernière de rester stable.

 

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   Peu de tours sont construites avec un damper. Les principales tours constituées de damper sont localisées en Asie car c'est une zone soumise aux vents violents et séismes fréquents.

 

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     La forme de la tour est un remède contre l'oscillation. En effet, une tour présentant une plus petite surface au vent risque une moindre oscillation car les forces exercées par le vent seront plus faibles. On parle alors d'aérodynamisme de l'édifice. Il en est de même pour une aile d'avion. Nous remarquons donc la grande majorité des grandes structures ne sont pas d'une forme d'un parallélépipède rectangle mais plutôt comme une flèche comme pour la Jeddah Tower.

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     La taille de la base et la différence entre la surface de la base et celle du sommet ont aussi un rôle important. Les pyramides n'ont quasiment pas d'oscillation car les forces agissant dessus sont concentrées sur la base. L'inclinaison de la structure diminue le coefficient de traînée car le poids de la structure est réparti sur l'ensemble des fondations. Le vent a donc quasiment aucun effet.

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    Enfin, la construction d'un noyau étayé aide la structure à obtenir une meilleure stabilité. Effectivement un noyau central aéré permet de un meilleur contreventement, mais aussi un meilleur passage de fluide tel que l'air, un atout non négligeable.