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Detection, simulation, modelling and loading of thunderstorm outflows to design wind-safer and cost-efficient structures

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L’analyse des orages permet des constructions plus résistantes au vent

De nouvelles méthodes d’identification et de caractérisation des orages, ainsi que d’évaluation de leur impact sur les structures, pourraient améliorer la sécurité et permettre une construction plus résiliente et plus rentable.

Recherche fondamentale

Les orages mettent des vies en danger et causent des dommages importants aux bâtiments, aux infrastructures de transport et d’énergie, en un laps de temps très court. Les scientifiques s’accordent à dire que le réchauffement de la surface de la Terre favorise l’activité convective à la base des orages, ce qui explique l’augmentation de leur fréquence. «La courte durée et la taille relativement réduite des orages ont par le passé limité notre capacité à les mesurer avec précision», fait remarquer Maria Pia Repetto, coordinatrice du projet THUNDERR, de l’Université de Gênes en Italie. «En conséquence, et en dépit de l’énorme quantité de recherches menées dans ce domaine, il n’existe pas de modèle commun des orages, ni de leur impact sur les infrastructures.» Cela représente une grave lacune dans le domaine du génie structurel et civil, soulignée par les dommages fréquents subis par les bâtiments de petite et moyenne taille à la suite d’un orage. Cela est dû en partie au fait que la puissance maximale des rafales descendantes se développe à proximité du sol, généralement à 50-100 mètres.

Comprendre le comportement des orages

C’est dans cet esprit que le projet THUNDERR, financé par le Conseil européen de la recherche, a entrepris de développer des simulations et des modèles plus précis des impacts des orages, afin de faciliter la conception de structures plus résistantes au vent et ce, de manière plus rentable. Pour commencer, un réseau existant de surveillance du vent a été étoffé de capteurs et de logiciels innovants, afin d’enregistrer les données en temps réel. «Ce réseau nous a fourni une description fine de la structure temporelle locale des rafales descendantes», explique Maria Pia Repetto. «Cela n’était toutefois pas suffisant pour dériver un modèle détaillé de la structure spatiale des orages.» Des essais en soufflerie et des simulations de mécanique des fluides numérique (MFN) ont été réalisés à cet effet. Plus particulièrement, des simulations à l’échelle ont été effectuées au WindEEE Dome, une soufflerie unique en son genre installée à l’Université Western Ontario au Canada. Des modèles mathématiques ont ensuite été élaborés pour synthétiser les données recueillies, afin de saisir les principales caractéristiques physiques des courants orageux. «Un autre objectif clé consistait à évaluer les actions des orages sur les structures», explique Maria Pia Repetto. «Nous savons que les courants orageux sont transitoires et de courte durée, et que les réponses structurelles peuvent être évaluées à travers un spectre, semblable à l’impact des tremblements de terre.» Deux structures – de respectivement de 18 m et 50 m de haut – ont été équipées de matériel sensoriel afin d’analyser le comportement des structures en conditions réelles. Cela a aidé l’équipe du projet à développer de nouvelles méthodes d’évaluation de la résilience des structures de faible et moyenne hauteur dans des conditions orageuses.

Des constructions plus résistantes au vent

Le projet THUNDERR a permis d’étendre un réseau existant de surveillance du vent, de mettre au point de nouvelles méthodes d’analyse destinées à expliquer les phénomènes orageux et de concevoir de nouveaux moyens de mesurer la réaction des structures face aux orages. Tous les résultats ont été collectés et mis librement à la disposition de la communauté scientifique. «Le catalogue ouvert fournit des données fiables sur les orages aux scientifiques du monde entier», ajoute Maria Pia Repetto. L’amélioration de la surveillance et de la modélisation profitera à des secteurs tels que celui des ports, où les opérations sont fortement tributaires des conditions météorologiques. D’autres infrastructures exposées aux risques associés au vent pourront également bénéficier d’une meilleure surveillance. Les nouveaux modèles de charge orageuse profiteront au secteur de la construction, qui pourra les exploiter pour construire des structures plus résistantes au vent et plus rentables. Maria Pia Repetto espère également que le projet laissera une empreinte durable dans le domaine de l’éducation, en réunissant les cours de science et d’ingénierie du vent d’une manière véritablement pluridisciplinaire. Les prochaines étapes consisteront à analyser l’impact des orages dans le contexte du changement climatique, à appliquer l’intelligence artificielle et l’analyse des mégadonnées, et à se concentrer sur l’impact des orages sur les systèmes de transport.

Mots‑clés

THUNDERR, orage, ingénierie, rafales descendantes, vent, météo, transport, énergie, infrastructure

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