Des structures dynamiques, qui s'adaptent au vent

L’ingénierie du vent est une discipline qui se consacre à la simulation et à la caractérisation des interactions entre le vent et les structures de l’environnement bâti. Son exemple le plus frappant demeure le pont de Tacoma, qui s’est effondré en 1940, à l’époque où on en connaissait peu sur ces interactions.

Depuis cet événement, les besoins d’expertise en ingénierie du vent n’ont fait qu’augmenter. En effet, les bâtiments, les ponts, les éoliennes, les pylônes et autres ouvrages, construits selon certains codes et normes, sont appelés à résister à des phénomènes météorologiques extrêmes, dont la fréquence et l’amplitude augmentent avec les changements climatiques. De plus, la densification urbaine observée à l’échelle planétaire entraîne la construction d’édifices de plus en plus hauts, donc fortement exposés aux intempéries et au vent. À l’ÉTS, nous travaillons à mettre au point des méthodes d’atténuation afin de permettre aux structures de s’adapter à leur environnement.

Des interactions aérodynamiques complexes

Avant toute chose, il faut être en mesure de caractériser le type de vent à affronter et son champ de forces particulier : ouragan, rafale descendante, tempête hivernale ou simple vent synoptique… Certains aléas sont aussi accompagnés d’autres phénomènes, comme la pluie, la neige ou la glace, lesquels influenceront aussi le comportant des structures. Et avant d’atteindre les structures, le vent rencontrera aussi des obstacles sur son chemin, qui le modifieront, selon la topographie.

Le défi principal rencontré avec le vent, c’est que la force qu’il exerce est intrinsèquement liée à la forme aérodynamique des structures qu’il frappe. En effet, la réponse dynamique de la structure aura une incidence sur la force aérodynamique du vent et vice versa. Devant toute cette complexité, comment effectuer l’analyse aérodynamique et dynamique d’une structure donnée? En utilisant des modèles basés sur des équations physiques, des études expérimentales et l’intelligence artificielle.

Figure 1 : Étapes menant à la conception de structures résistantes au vent

Caractérisation du champ du vent

Les modèles à grande échelle utilisés en science de l’atmosphère sont très précis, mais demandent trop de puissance de calcul pour permettre des réponses en temps réel ou encore pour effectuer des études probabilistes, lesquelles nécessitent de nombreuses simulations. Nous avons donc recours à d’autres outils, combinant équations physiques et modèles d’intelligence artificielle, qui ont l’avantage de nécessiter moins de données pour l’entraînement tout en étant plus efficaces et beaucoup plus exacts. Pour évaluer l’effet du terrain sur le champ du vent, on utilisera habituellement des méthodes expérimentales, soit des essais effectués sur maquettes en soufflerie, pour générer les données nécessaires à entraîner des modèles d’intelligence artificielle, et ainsi obtenir des prévisions rapides.

Figure 2 : Caractérisation du vent

Analyse de la dynamique des structures

Les forces exercées par le vent selon la forme aérodynamique d’une structure s’obtiennent au moyen de modèles découlant d’études en soufflerie, de modèles basés sur la dynamique des fluides computationnelle ou encore de modèles d’ordre réduit (p.ex., apprentissage profond) entraînés par des données expérimentales. Ce n’est qu’une fois ces forces connues, que peut s’effectuer l’analyse dynamique de la structure et ainsi le calcul des accélérations et déplacements auxquels elle sera soumise. On pourra par la suite proposer des modifications afin de l’optimiser.

Un milieu bâti plus résilient

Nous explorons plusieurs types de solutions visant à créer des bâtiments dynamiques, pourvus de propriétés mécaniques et aérodynamiques leur permettant de s’adapter à un environnement changeant. Par exemple, un bâtiment pourrait changer son aérodynamisme grâce à des plaques placées à chaque coin, dont l’angle serait commandé de façon à changer le champ du vent. L’objectif est de minimiser les forces aérodynamiques pour réduire la réponse du bâtiment en déplacement et en accélération. Des matériaux innovants, capables de changer de forme seront aussi considérés pour atteindre le même objectif.

Lorsque ces techniques ne peuvent être envisagées, pour des contraintes architecturales par exemple, l’injection de fluide demeure une option intéressante. Cette technique consiste à injecter de l’air à certains endroits du bâtiment au moyen d’un réseau de conduites insérées dans l’enveloppe. Des calculs d’optimisation basés sur des modèles d’apprentissage profond par renforcement déterminent en temps réel les endroits et les débits d’air à injecter afin de changer le champ du vent de façon à minimiser les forces aérodynamiques.

Figure 3 : Injection de fluides pour changer le champ du vent

De la ville intelligente à l’atterrissage de drones

Des simulations à grande échelle peuvent aussi être effectuées afin de déterminer les quartiers à risque et donner l’ordre d’évacuer ou mettre en place des mesures de mitigation. Cette fois, les modèles d’intelligence artificielle utilisés sont entraînés à partir des données générées par des modèles haute fidélité. Pour améliorer leur précision, on place quelques capteurs à des endroits stratégiques : ces données transmises en temps réel permettent d’améliorer la précision des prédictions (technique d’assimilation des données). Ce genre de simulation peut aussi aider les drones apportant le matériel de secours à atteindre les zones en besoin de façon sûre, en évitant les endroits de vents trop violents.

Des besoins de plus en plus grands

Les changements climatiques couplés à la densification des populations amèneront des besoins accrus en expertise pour que nos structures du milieu bâti demeurent sûres tout au long de leur vie utile. Beaucoup de recherche reste à faire pour relever les nombreux défis posés par le vent. À l’ÉTS, nous comptons apporter notre contribution en développant des solutions efficaces et réalistes.

Figure 4 : L’auteur devant une soufflerie