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La conception de l'énergie éolienne basée sur la performance pourrait améliorer les bâtiments, affirment les ingénieurs

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Bientôt les premiers conseils sur la méthode sophistiquée d'ingénierie structurelle

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L'aide est en route pour les ingénieurs en structure qui cherchent à améliorer l'efficacité, la fiabilité et la résilience des bâtiments grâce à une conception de l'énergie éolienne axée sur la performance. Et bien qu'il faille peut-être une décennie ou plus pour que la maladie de von Willebrand devienne un phénomène courant chez les praticiens, les auteurs des deux premiers documents de la maladie de von Willebrand, tous deux publiés cette année, les saluent comme des jalons.

"PBWD offre la possibilité de concevoir des systèmes structuraux uniques pour des bâtiments aux formes atypiques ou aux caractéristiques aérodynamiques qui ne correspondent pas aux contraintes des systèmes prescriptifs de résistance au vent basés sur des codes ", a déclaré Donald R. Scott, directeur principal chez PCS Structural Solutions, au Congrès Structures 2019. La conférence, organisée par le Structural Engineering Institute (SEI) de l'American Society of Civil Engineers (ASCE) et tenue du 24 au 27 avril à Orlando, a attiré 1 058 participants.

Scott est le chercheur principal qui dirige l'équipe de 14 experts en structure qui a rédigé le Prestandard for Performance-Based Wind Design, le premier document jamais produit pour aider à la PBWD. Cinq pairs examinateurs sont en train de rédiger la version finale. Le document de l'ASCE/SEI, financé par une subvention de 150 000 $ de la Fondation Charles Pankow, sera disponible sur les sites Web de la Fondation Pankow et de l'ASCE/SEI pour téléchargement gratuit à la fin juillet.

La publication se veut le précurseur d'une norme de PBWD qui serait éventuellement incorporée dans le code modèle du bâtiment et qui donnerait aux concepteurs de codes du bâtiment une solution de rechange approuvée par le code aux dispositions prescriptives, ou livre de recettes, du code.

Bâtiments de grande hauteur

Dans la foulée de la prénorme, le comité de travail ASCE/SEI sur la conception et la performance des grands bâtiments éoliens rédige actuellement son propre document de consensus. Également une première du genre, Design and Performance of Tall Buildings for Wind, rédigé par huit experts, rassemble les meilleures pratiques pour la conception d'immeubles de grande hauteur afin d'atteindre des objectifs de rendement précis en fonction de la demande de vent. Il représente un consensus entre les firmes de conception, les ingénieurs de l'énergie éolienne et le milieu universitaire.

Selon Preetam Biswas, directeur associé de Skidmore, Owings & Merrill et président du comité de travail, la publication décrit des aspects de la conception et de la performance du vent que plusieurs codes ne précisent pas. Les rédacteurs du manuel et de l'avant-norme coordonnent leur travail, a-t-il dit.

L'ébauche du manuel est terminée à 95 % et devrait être publiée sous forme numérique d'ici la fin de l'année. Une version imprimée devrait être disponible au Congrès Structures 2020, du 5 au 8 avril à Saint-Louis.

L'élan s'intensifie

Momentum s'adapte à tous les types de conception basée sur la performance, une approche d'ingénierie sophistiquée qui s'appuie sur des méthodes d'analyse et de conception avancées pour permettre aux ingénieurs de prédire de manière fiable le comportement d'une structure lorsqu'elle est soumise à des charges définies, qu'il s'agisse de vent, de séisme ou d'incendie.

La seule façon d'obtenir l'approbation d'un PBWD est d'utiliser les autres moyens et méthodes prévus dans le code. Peu d'entre eux veulent le faire parce que les agents du bâtiment, qui ne connaissent pas bien la PBWD, hésitent à approuver les plans. De plus, une PBWD nécessitera un examen par les pairs. Cela se traduit par un processus d'approbation plus long et potentiellement plus obscur, ce qui donne du temps à de nombreux propriétaires d'immeubles.

Les DEP, sous quelque forme que ce soit, " exigent une expertise ou des connaissances spécialisées ", a déclaré Ronald O. Hamburger, directeur principal chez Simpson Gumpertz & Heger et père de l'approche de conception sismique axée sur le rendement (DSPR), vieille de 20 ans, pour la modernisation des bâtiments. "Ce n'est pas pour tout le monde, a-t-il ajouté.

Avantages potentiels

Les ingénieurs s'entendent pour dire que pour que la PBWD prolifère, il y a beaucoup de travail à faire pour éduquer non seulement les ingénieurs, mais aussi les architectes, les promoteurs, les autres intervenants et surtout les responsables des codes quant aux avantages et aux risques potentiels associés à cette approche. Les lignes directrices visent à aider à établir des moyens de pratique prudents et à fournir une certaine protection, en termes de responsabilité légale, pour le rendement prévu, ont déclaré les personnes concernées.

Les avantages de la PBWD seront très clairs pour de nombreux praticiens et propriétaires, mais d'autres devront peut-être être convaincus, ont souligné les auteurs des deux documents. Pour commencer, les propriétaires et les concepteurs doivent apprendre que la performance des conceptions produites en suivant les exigences prescriptives du code du bâtiment peut ne pas être suffisante, a déclaré Scott

"De nombreux intervenants du projet croient que si leur bâtiment est conçu conformément aux dispositions du code du bâtiment, il survivra à tous les vents et demeurera opérationnel ; cependant, le code du bâtiment est fondé uniquement sur les exigences en matière de sécurité des personnes ", a-t-il ajouté.

Éduquer les intervenants sur les avantages de payer un peu plus cher à l'avance pour les bâtiments afin d'obtenir un meilleur rendement souhaité en cas d'événements de vent - comme l'exploitation continue pour éviter les pertes commerciales après les tempêtes de vent et les ouragans - est semblable aux obstacles rencontrés par ceux qui ont introduit la conception sismique fondée sur le rendement, qui est maintenant une pratique courante en conception partout au monde, dit-il.

Au-delà des défis, Ron Klemencic, le père de PBSD pour les grands bâtiments, qualifie PBD d'"amusant, vous pouvez utiliser la physique, les mathématiques" et plus encore pour produire de meilleurs bâtiments, a déclaré Klemencic, président et CEO de Magnusson Klemencic Associates (MKA).

"Pour PBSD, nous l'avons d'abord fait, puis nous avons écrit le livre. Pour PBWD, nous écrivons le livre et nous le faisons ensuite ", a ajouté Klemencic, qui est également directeur de la fondation Pankow.

Les documents introduisent l'utilisation de l'analyse dynamique non linéaire pour la conception du vent, la non-linéarité limitée dans les principaux éléments du système résistant aux forces du vent, les critères de performance basés sur le système et les améliorations substantielles des exigences de performance dans l'enveloppe du bâtiment.

Trois méthodes

La prénorme décrit trois méthodes possibles pour mettre en œuvre la PBWD. Les méthodes varient dans leur complexité et leur rigueur. La plus simple n'exige qu'une petite partie de l'analyse sophistiquée de l'historique de réponse non linéaire, a déclaré M. Klemencic.

Plus précisément, la pré-norme présentera une alternative recommandée aux procédures prescriptives contenues dans la norme nationale adoptée, Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI 7), et dans le Code international du bâtiment. L'auditoire visé par la prénorme comprend les ingénieurs en structure, les architectes, les prescripteurs et les concepteurs d'éléments de construction et de revêtements, ainsi que les agents du bâtiment qui participent à la conception et à l'examen des bâtiments en matière de vent.

Si le document est correctement mis en œuvre, il en résultera des bâtiments capables d'atteindre de manière fiable les objectifs de performance du vent spécifiés par ASCE/SEI 7 et, dans de nombreux cas, des performances supérieures, ont déclaré les auteurs. "Les utilisateurs individuels qui possèdent une compréhension de l'ingénierie éolienne peuvent adapter et modifier les dispositions de la pré-norme pour servir de base à des conceptions visant à atteindre des objectifs de performance éolienne plus élevés que ceux spécifiquement prévus ", indique l'ébauche finale.

Selon M. Scott, la PBWD offre également aux concepteurs d'enveloppes de bâtiment l'occasion d'améliorer le revêtement et d'autres systèmes d'enveloppe du bâtiment afin de limiter considérablement les dommages causés par la pluie poussée par le vent et l'infiltration d'eau. Mais l'utilisation de la PBWD pour les systèmes d'enveloppe du bâtiment exigera que les fabricants d'enveloppes de bâtiment améliorent la performance de leurs produits pour répondre aux critères spécifiés, a déclaré Scott.

Résolution des conflits

Un avantage supplémentaire, la PBWD permet de résoudre les conflits qui peuvent survenir lors de la conception de bâtiments soumis à des risques multiples. Par exemple, un conflit peut se créer lorsque l'on utilise à la fois les dispositions de la DSPP et les dispositions prescriptives fondées sur des codes pour la conception de bâtiments de grande hauteur, a déclaré Scott.

Les effets sismiques contrôleront la conception des niveaux inférieurs du bâtiment, tandis que les effets du vent contrôleront les niveaux supérieurs. Parce que les dispositions relatives au vent exigent que tous les éléments de la structure demeurent élastiques sous l'effet des charges dues au vent - et retournent à leur état précontraint - les avantages des dispositions de la DPPP qui permettent à certains éléments, dans de rares cas, de devenir inélastiques et non de se déformer à 100 % - peuvent ne pas être atteints. Ce conflit diminue la performance sismique globale du bâtiment.

L'utilisation de la PBWD, qui permettra un comportement inélastique, permettra de résoudre ce conflit et d'améliorer la performance globale du bâtiment, a déclaré Scott.

Perfectionnement

Selon Jennifer Goupil, directrice principale de l'ingénierie de l'ASCE/SEI, Jennifer Goupil, plusieurs aspects de la PBWD doivent être approfondis et testés sur la conception des bâtiments avant de devenir la norme ASCE 7. Le comité de travail PBD du sous-comité ASCE 7-22 sur la charge de vent travaille à l'élaboration de certains aspects de ce type de conception.

Le comité étudie 16 bâtiments afin de déterminer l'applicabilité des dispositions de la norme préalable et d'établir une cible globale de fiabilité du système pour les bâtiments conçus à l'aide de la PBWD. L'un des bâtiments est la Rainier Square Tower de 850 pieds de haut, conçue par MKA et en construction à Seattle.

Il faudra au moins un an de plus pour compléter et évaluer cet effort, a dit M. Goupil. Après l'évaluation de la recherche et l'utilisation de la norme préalable par la profession, " nous pourrons discuter du calendrier d'élaboration de la norme ", a-t-elle dit.

Entre-temps, tout comme les lignes directrices du PEER TBI Guidelines for Performance-Based Seismic Design of Tall Buildings sont actuellement utilisées et acceptées par de nombreux agents du bâtiment, l'objectif des façonneurs de la norme préalable est que l'approche PBWD fasse l'objet de discussions similaires avec les propriétaires et les agents du bâtiment, explique M. Goupil.

Analyse avancée

Les méthodes d'analyse et de conception avancées nécessaires à la mise en œuvre de la PBWD mettront les ingénieurs au défi de développer leurs capacités techniques, ont souligné les auteurs. Les experts-conseils en énergie éolienne devront faire face à une charge de travail accrue, car la PBWD exige des essais en soufflerie et la participation d'un ingénieur du vent pour les historiques de chargement, comme les sismologues qui fournissent des données sur les mouvements du sol propres au site pour la PBSD.

Mais Klemencic soutient que " la PBWD est sur le point d'avoir un impact plus important que la PBSD[parce que] beaucoup plus de bâtiments à travers le pays et dans le monde bénéficieront de la méthodologie, ce qui se traduira par des conceptions plus efficaces, fiables et résistantes "