Comment intégrer les facteurs environnementaux dans l’analyse des contraintes de l’ingénierie éolienne ?

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L’ingénierie éolienne est une branche de l’ingénierie structurelle qui traite des effets du vent sur les bâtiments, les ponts, les tours et autres structures. Le vent peut provoquer divers types de contraintes, telles que la flexion, la torsion, le cisaillement et les vibrations, qui peuvent affecter la stabilité, la sécurité et les performances des structures. Pour concevoir et analyser des structures pour les charges de vent, les ingénieurs doivent tenir compte de plusieurs facteurs environnementaux, tels que la vitesse du vent, la direction, la turbulence, le terrain et le climat. Dans cet article, vous apprendrez à intégrer ces facteurs dans l’analyse des contraintes de l’ingénierie éolienne à l’aide de méthodes et d’outils courants.

Dans cet article collaboratif, vous trouverez des réponses d’experts

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1 Vitesse et direction du vent

La première étape de l’analyse des contraintes de l’ingénierie éolienne consiste à déterminer la vitesse et la direction du vent sur le site de la structure. La vitesse et la direction du vent peuvent varier en fonction de l’emplacement, de l’altitude, de la saison, de l’heure de la journée et des conditions météorologiques. Les ingénieurs peuvent utiliser des données historiques, des stations météorologiques, des cartes des vents ou des souffleries pour estimer la vitesse et la direction du vent pour un site donné. La vitesse et la direction du vent peuvent ensuite être utilisées pour calculer la pression et la force du vent agissant sur la structure.

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Felipe Simões

Structural Engineer specializing in Glass Structures
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In order to perform stress analysis it is important to find basic wind speed, and consider enough directions in order to make sure the structure is analysed safely. For in-shore structures, many countries have codes with wind maps and coefficients for analytically derive expected pressures and suctions on the structure. For offshore structures, many locations around the world have meteorological stations constantly measuring wind speed and direction, and codes for offshore structures provide guidance and coefficients for determining wind loads. Structures in locations without established wind data, with complex shapes or vicinities may require wind properties measurements in-situ.

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2 Turbulences et rafales de vent

Les turbulences et les rafales du vent sont des fluctuations de la vitesse et de la direction du vent qui peuvent provoquer des contraintes dynamiques et des vibrations sur les structures. La turbulence et les rafales du vent dépendent de la stabilité atmosphérique, de la rugosité du terrain et de la présence d’obstacles ou d’autres structures. Les ingénieurs peuvent utiliser des modèles statistiques, tels que la méthode de Davenport, pour tenir compte des effets de la turbulence et des rafales du vent sur les structures. La méthode de Davenport utilise un facteur de rafale pour modifier la vitesse moyenne du vent en fonction de l’intensité de la turbulence, de la fréquence propre et du rapport d’amortissement de la structure.

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Felipe Simões

Structural Engineer specializing in Glass Structures
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Wind turbulence and gusts are important variations of wind speed, and may also be associated with periods of harmonious loading. Most civil codes for buildings provide indications - for simple cases - on how to take into account these phenomena. That can be both in deriving factors that correct the pressure/suction from wind speed in order to find a static-equivalent pressure or suction value, as well as a loading frequency. Those depend on several variables (terrain and structure roughness, shape, etc) and on which wind load model is being adopted. Nonetheless, they are fundamental for adequately determining load cases and conditions in static and dynamic analyses.

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3 Interaction vent-structure

L’interaction vent-structure est le phénomène qui se produit lorsque l’écoulement du vent affecte le mouvement de la structure et vice versa. L’interaction entre le vent et la structure peut entraîner une résonance, un flottement, un galop, une perte de vortex et des tremblements, qui sont des formes d’instabilité aérodynamique qui peuvent provoquer des oscillations de grande amplitude et des dommages par fatigue sur les structures. Les ingénieurs peuvent utiliser des méthodes numériques, telles que la méthode des éléments finis (MEF), pour modéliser l’interaction vent-structure et évaluer la réponse dynamique et la stabilité des structures. La MEF consiste à diviser la structure et l’écoulement du vent en éléments discrets et à résoudre les équations de mouvement et de continuité pour chaque élément.

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Felipe Simões

Structural Engineer specializing in Glass Structures
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When wind passes by a structure, it loads and deforms it. The structure, as an obstacle to the wind, changes its trajectory and speed gradient. Furthermore, you can have periods of harmonic variation of pressure in frequencies sensitive to the structure's own frequencies. That is fluid(wind)-structure interaction. Especially for slender, low stiffness and/or certain structure shapes, it is important to take that into account. The iterative nature of this interaction usually leads us to recurr to FEM software to understand the effects of this interaction on the structure. A cantilevered pole under wind load may be safe for wind in terms of strength, stability and deformation, but it may gallop side to side when dynamic behavior is considered

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4 Terrain et exposition

Le terrain et l’exposition du site peuvent influencer le profil du vent et la charge de vent sur la structure. Le terrain et l’exposition peuvent être classés en différentes catégories, telles que ouvertes, suburbaines, urbaines ou côtières, en fonction de la rugosité et de la topographie du terrain. Les ingénieurs peuvent utiliser des formules empiriques, telles que la norme ASCE 7-16, pour ajuster la vitesse et la direction du vent en fonction du terrain et de la catégorie d’exposition. La norme ASCE 7-16 fournit également des coefficients pour différentes formes et orientations de structures afin de tenir compte de la distribution de la pression du vent et des effets de traînée.

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5 Climat et durée de vie

Le climat et la durée de vie nominale de la structure peuvent influer sur la probabilité et la gravité des vents extrêmes, tels que les ouragans, les tornades ou les orages, qui peuvent provoquer une défaillance catastrophique ou l’effondrement des structures. Les ingénieurs peuvent utiliser des méthodes probabilistes, telles que la théorie des valeurs extrêmes, pour estimer la période de retour et la vitesse maximale du vent des événements de vent extrême pour un site et une durée de vie de conception donnés. La théorie des valeurs extrêmes utilise des distributions statistiques, telles que la distribution de Gumbel, pour ajuster les données historiques des vitesses maximales du vent et extrapoler les valeurs pour les événements rares.

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6 Voici ce qu’il faut prendre en compte d’autre

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1 Vitesse et direction du vent

2 Turbulences et rafales de vent

3 Interaction vent-structure

4 Terrain et exposition

5 Climat et durée de vie

6 Voici ce qu’il faut prendre en compte d’autre

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