Aerodynamique des couvertures du point de vue de leur etancheite

aerodynamique des couvertures du point de vue de leur etancheite

introduction

Le mecanisme de la penetration de la pluie les jours de vent a travers les couvertures est particulierement complexe. En effet, il resulte de la combinaison de deux domaines fluides (I'eau et I'air, soit la pluie et le vent) et de celle de leurs comportements physiques en situation realiste, tant au niveau des parametres climatiques et de I'environnement que de la conception de la couverture et de sa mise en ceuvre. Ainsi, on peut evoquer le role determinant des facteurs suivants :

: fidele » de I'aerosol eau et

- le vent, porteur plus ou moins sa nature turbulente ;

- le champ de pression fluctuant induit par le vent sur le bailment: ce champ est dependant de la direction du vent, des dimensions et de la forme du bailment (pente du loil nolammenl), de la presence ou non d'un environnemenl proche (ou lointain) ;

- des ecoulements lechanl les parois : ces ecoulemenls sonl bien evidemmenl lies au champ de pression induit par le venl el aux orienlalions locales des ecoulemenls, comple tenu d'un environnemenl immedial par exemple. Dans ce cadre, I'aerodynamique propre de la luile peul eventuellement jouer un role ;

- la pression interne regnanl dans les combles ou immedia-tement a I'arriere du panneau de couverture : la permeabi-lite globale de la toilure, les perles de charge au niveau des fentes, I'existence d'orifices parliculiers el leur position sur la toiture vonl condilionner ce champ de pression qui pourra d'ailleurs etre different d'un point a I'autre (gradienl de pression) el presenter une nalure relalivemenl fluc-tuanle. La conception meme de la couverture, lanl au niveau de I'organisation des slructures supports que de la presence des lames d'air, en liaison pneumalique ou non avec les combles (presence de film protecteur, de panneau isolanl, etc.), influe grandement.

A ces parametres de type essentiellemenl aerodynamique, il faudra ajouter les phenomenes lies a I'ecoulement eau, lels que les effets de gravile, de ruissellement, de capillarite, de siphonnage (sans meme evoquer les problemes de salis-sures), etc.

caracteristiques du vent 

Le venl est grossieremenl le mouvemenl de I'air qui tend a equilibrer les zones de pressions differentes dans ('atmos­phere.

Dans les basses couches atmospheriques (de I'ordre de 0 a 300 m), la rugosile du sol (avec sa vegelalion, ses conslruclions, etc.) induit des forces de frotlemenl qui reduisenl la vitesse du venl avec crealion d'une « agitalion » ou lurbulence importante. Localement, la vitesse du venl va done varier en grandeur el direclion.

A I'inslanl « t » et a la hauteur « z », la vitesse vaut

U(t) = U+U'(t)

L'ecoulemenl turbulent vent ne peut etre decrit instanlane-ment et Ton doit adopter une represenlalion plus globale ulilisanl une formulation de type statistique : le venl peul elre considere comme la superposilion d'un ecoulement moyen (vitesse moyenne 0 a la hauteur z) sur une periode T assez longue (10 minutes par exemple pour les enregistremenls meleorologiques) et d'un ecoulement fluctuant fonction du lemps (fluctuation de vitesse U' au temps t).

Comme on le voit, le phenomene vent est de nature complexe et il n'est pas possible de parler simplement de la « vitesse du vent ». II s'agit en realite d'un champ de vitesse, variable a la fois dans I'espace et dans le temps, dont la description n'est possible qu'en termes statistiques. Parler d'un vent de 100 km/h, par exemple, n'a pas de sens si I'on ne precise pas le type de vitesse consideree (moyenne, pointe,), la hauteur au-dessus du sol, la rugosite du site, etc.

La turbulence (caracterisee par a) est essentiellement fonction de la rugosite et de la force de la « tempete » a I'origine du vent considere.

champ de vitesse et champ de pression

Toute construction perturbe, par sa presence, I'ecoulement du vent en I'obligeant a le contourner. Ainsi, sur la face au vent apparaTt une zone en surpression avec echappement de I'ecoulement lateralement vers le haut; un tourbillon de pied (interaction avec le sol) peut aussi apparaftre. Lateralement, les filets fluides sont fortement acceleres et decollent au niveau des aretes en induisant le long des parois des zones depressionnaires. L'ecoulement decolle peut venir se ratta-cher sur la forme.

Le champ de vitesse (contournement de I'obstacle) et le champ de pression externe induit sur I'obstacle dependent des caracteristiques du vent, des dimensions et de la forme de la construction et de la nature de Penvironnement (inter­action immediate notamment). Par suite, la connaissance real'Ste de ces ecoulements ou des champs de pression externe ne pourra etre realisee qu'experimentalement. Des demarches effectuees en vraie grandeur et en soufflerie atmospherique (reproduisant les caracteristiques du vent naturel a I'echelle de la maquette) contribuent largement a la determination de ces grandeurs.

Les visualisations par chronophotographie laser realisees en soufflerie atmospherique expriment bien la complexite et la nature particulierement instable des phenomenes.

 

 

Pour fixer des ordres de grandeur, nous indiquons quelques resultats quantitatifs obtenus en soufflerie atmospherique sur les ecoulements voisins des parois et les pressions asso-ciees apparaissant sur un pavilion individuel isole soumis a un vent du type campagne (faible rugosite du sol).

Le vent qui induit sur la construction un champ de pression va, independamment de I'environnement proche, jouer aussi son role. Ainsi, on a pu constater que le passage d'un vent de « campagne » a un vent de banlieue conduit toujours a une augmentation, plus ou moins forte, des coefficients de pression (c_p, c_p, c, c). Au demeurant, ces coefficients sont references a la pression dynamique amont (a la hauteur h), moins forte, compte tenu du modelage de la rugosite de banlieue. Par consequent, en termes de pression effective, rien ne prouve que les niveaux obtenus soient plus eleves qu'au meme point avec un vent de campagne. Dans une premiere approche sur les problemes d'etancheite, un vent d'un seul type, soit celui de type campagne, nous paraft suffisant si les effets d'environnement immediat sont pris en compte.

pressione interne

La pression effective a laquelle I'element de toiture est instamment soumis et qui peut conditionner une grande partie du mecanisme de penetration de I'eau est la somme algebrique de la pression externe locale (decrite precedem-ment) et de la pression regnant sur sa partie arriere : cette demiere depend de I'ensemble des circuits pneumatiques la mettant en communication (ou non) avec le volume interne des combles (lui-meme dependant du champ de pression externe et de I'importance et de la repartition des orifices) ou directement du champ externe et des permeabilites de la couverture elle-meme, si cette derniere est isolee de maniere relativement etanche de la pression regnant sans les combles (film, materiaux isolants).

La pression moyenne regnant dans les combles peut etre estimee theoriquement. Si la permeabilite de la toiture est uniformement repartie, une moyenne ponderation par les elements de surface en fonction du champ de pression externe moyen permettra d'obtenir la pression interne.

Si la permeabilite n'est pas uniformement repartie, mais presente des orifices preferentiels en termes de perte de charge, une estimation theorique pourra encore etre faite. Le debit d'air qui traverse un orifice est a peu pres proportionnel a la racine carree de I'ecart de pression moyenne entre les deux extremites de I'orifice et a I'aire de celui-ci. En consi-derant que la quantite d'air entrant et sortant dans les combles doit etre egale, on aura une estimation de la pression moyenne interne.

influence des champs de pression et de vitesse sur les debits de fuite

L'importance relative de la dynamique fluctuante des ecoule­ments de contournement (avec developpement de couche limite au niveau des tuiles, interaction avec le ruissellement. impact des gouttes de pluie. etc.) et des champs de pression internes et externes variables dans le temps, n'est pas connue dans les mecanismes de penetration de I'eau. Neanmoins, la difference de pression instantanee resultante qui se developpe sur ('element fluide sera determinante dans sa probabilite de penetrer a travers une fente ou un orifice de la couverture.-

Cette pression « motrice » est contrariee par les effets physiques, tels que la gravite, le frottement dans I'orifice (perte de charge), etc. lies a I'eau dans son propre systeme de mecanique des fluides.

conclusions

Dans cette note, nous avons presente l'importance et I'inter-dependance des parametres aerodynamiques intervenant dans les problemes d'etancheite des couvertures.

La complexite du systeme et la volonte d'aider les concep-teurs du bailment par une meilleure comprehension des phenomenes ont conduit nos travaux vers la mise en place d'experimentations en vraie grandeur, toute approche sur modele reduit etant vouee a I'echec (incompatibilite des conditions de similitude eau-air, etc.).

Enfin, pour repondre efficacement a la moderation de ces phenomenes ou a la definition de banes de qualification significatifs (indispensables sous Tangle de la normalisation), le CSTB a un projet de soufflerie climatique qui produira a I'echelle 1/1 la realite des phenomenes, tout en autorisant le decodage et le controle des differents parametres.

Un tel outil paraTt totalement indispensable si Ton veut resoudre reellement les problemes d'etancheite dans le bailment.