Vent urbain, introduction

Introduction

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Abstract

Définition, caractéristiques et synthèse des effets du vent

Définition et caractéristiques

« Le vent résulte de l’équilibre entre la force de pression, la force de Coriolis, la force de frottement et la force d’inertie. » [1]
En clair, c’est un mécanisme dont l’ampleur peut être planétaire et qui dépasse les moyens de notre technologie actuelle. Le climat de notre pays (Belgique) fait partie d’une large zone ayant pour centre les Açores, son célèbre anticyclone et ses calmes tropicaux, qui va de New York à Alexandrie en passant par Tanger et Oslo. Ces sont les grands vents et les alizés, puissants en ampleur mais faibles en vitesse. Ceux-ci vont induire les vents régionaux tels la Tramontane, le Foën, le Sirocco, …. Reste la dernière catégorie de vents à grande échelle, les « jet stream », vents de très haute altitude et de grande vitesse ( de 80 à 400 km/h) dont la direction générale va d’ouest en est et qui survole souvent nos régions.
C’est l’interaction de ces trois types qui va définir notre météorologie d’Europe centrale océanique et créer un climat tempéré humide mais il faut toujours y ajouter les vents locaux provoqués par la différence de température entre des surfaces contiguës. Ceux-ci sont strictement indépendants des phénomènes généraux mais s’y combinent, un exemple facile de vent local est la brise marine et de terre.

Caractéristiques : 

A. L’inertie

Ce vent qui n’est rien d’autre qu’un flux d’énergie appliqué à un gaz va donc obéir aux principes de la mécaniques des fluides et des corps matériels. En pratique, cela signifie qu’il aura tendance à suivre sa trajectoire ( courbée par la force de la gravité ) aussi longtemps qu’aucun obstacle ou force ne le perturbera. 

B. Le frottement

L’air en mouvement, comme tout fluide, rencontrera une résistance lors du contact avec tout corps dans son chemin. Cela aura pour effet de diminuer son énergie interne ( inertie ) et de modifier son profil, sa vitesse, son altitude, sa température et sa trajectoire. Ce vent continuera d’exister aussi longtemps que les forces de frottement ne lui auront pas consumé toute son inertie. 

C. Propagation

Le vent étant une énergie appliquée à un gaz, se propageant en lui-même, étant soumis à la force de gravitation et étant matériel va donc se déplacer sur lui- même, comme sur « coussin d’air ». Ce qui signifie que cette zone de surpression sera localisée à l’interface terre/atmosphère et sera donc fortement influencée par la rugosité du terrain et son relief. L’écoulement général du vent est donc fortement dépendant de l’état du sol qu’il « survole ».

Effets du vent sur le sol

A.) Naturel 

Un sol rugueux aura un effet de ralentissement sur le vent , une éminence quelconque provoquera une accélération locale et des perturbation déterminées par la pente et l’ampleur du relief. Ainsi une plage, un glenn, une plaine sont venteux et peu perturbés, une forêt dense est abritée, un parc aéré et des montagnes peuvent devenir des couloirs à vents.
 

B.) Construit

La ville va interagir de la même façon mais dans des sens différents et avec un résultat aussi chaotique que son urbanisme. En effet, ce qui caractérise la plupart des villes, c’est une uniformité moins grande que la nature, une rugosité moins élevée, de la végétation moins abondante, une pollution et surtout une élévation de température beaucoup plus rapide que la campagne environnante voire même une température plus élevée en permanence. Les phénomènes urbains bien connus tels le « Smog » londonien ( provoqué par les polluants du charbon et une température urbaine élevée), les « bulles de chaleur » chapeautant nos capitales tous les étés et la mise en pièce des vents survolant les cités.

Cas locaux principaux :

  • Effet de coin C’est l’effet d’écoulement aux angles des constructions, le vent est à cet endroit pincé entre le bâtiment et un autre ou bien comprimé par une partie de lui-même qui « refuse »ce changement de direction non conforme. Cette accélération peut atteindre 40 à 100 % mais peut être évitée par la plantation aux coins ou si ce volume de coin est ceinturé par une protection.
  • Effet de sillage C’est un phénomène de circulation fluide tourbillonnaire en aval d’une construction, il intègre l’effet de coin mais son importance est inversement proportionnelle à la densité du bâti. De plus c’est une perturbation induite et non directe donc faible.
  • Effet de trous sous immeuble C’est un phénomène d’écoulement relatif aux bâtiments sur pilotis ou disposant d’un large porche traversant de part en part, l’effet sera d’autant plus limité que le vent se perpendiculaire à l’axe du trou et la forme, le non-remplissage éventuel et la présence de végétation peuvent diminuer voire annuler cette effet. L’accélération en ces points peut aller de 20 à 50 %.
  • Le rouleau tourbillonnaire, c’est le phénomène urbain par excellence, c’est simplement l’effet provoqué par l’impact direct du vent sur une façade et qui va générer d’ample perturbations du côté amont de l’immeuble. L’intensité sera dépendante de la distance à l’immeuble précédent, de la vitesse du vent, de la présence de végétation et de celle d’éventuels auvents de protection. C’est ici aussi que la forme, la hauteur, la modénature et le matériaux de façade vont jouer au maximum.
  • L’effet de barre C’est un phénomène de déviation en vrille d’un vent qui arrive entre 45 et l’axe d’une construction en forme de barre. On peut limiter l’effet en aménageant le toit et les arêtes de la construction.
  • L’effet de Venturi C’est l’effet d’entonnoir que peut former l’urbanisme de certains quartier, ainsi une place va le provoquer si une ou des rues donne sur ses coins et que la direction du vent est favorable à son engouffrement dans ces rues. L’ampleur de ce phénomène peut aller jusqu’à faucher un piéton et la présence de volume arrondi dans la zone d’accélération même va empirer la situation. C’est un problème d’urbanisme et il peut être diminué par les plantations des barrières ou le morcellement de l’espace incriminé.
  • Suite d’immeuble interrompu C’est le cas où dans un aménagement d’urbanisme, des bâtiments sont réguliers tant sur le plan de la forme que de la hauteur et de l’implantation. Si l’un d’entre eux manque ou disparaît, alors, il se créera une perturbation à la mesure du « trou ».
  • Grande variation de hauteur Si un urbanisme est chaotique et qu’un bâtiment domine tous les autres, alors la majeure partie des ennuis seront pour ses abords immédiats. On peut lutter en aménageant la zone périphérique ou en jouant sur les toitures des voisins.
  • Effet de désaxement, des bâtiments sont implantés régulièrement mais non- alignés sur un axe, des pressions différentielles vont se créer avec une amplitude proportionnelle à la petitesse des volumes de séparation et si les décrochement sont très grands.
  • Effet de canalisation Il est valable dans le phénomène d’un boulevard rectiligne avec une place dans l’axe par exemple. Il va risquer un effet Venturi et soutenir l’inertie du vent. De plus, le point précédent, montre que des carrefours symétriques valent mieux que des « T » du point de vue du vent, la force du vent peut être augmentée jusqu’à 30 % fonction des matériaux utilisés et si il est rectiligne et long.
  • Effet de maille C’est l’urbanisme « en cellule » qui est ici mis en cause, le seul problème, c’est que ça peut tout aussi bien être bon que mauvais et que comme le vent tourne, l’analyse de ce genre de situation n’est pas évidente.
  • Effet de pyramide C’est un phénomène qui provient du groupement des constructions à décrochement et à caractère pyramidal. Les anomalies apparaissent essentiellement au niveau des balcons de crêtes, ce qui épargne au moins le sol.

Nuisances principales :

  • Dégâts par pressions importantes ( d’où importance d’une accélération locale)
  • Perte d’énergie thermique proportionnelle à la vitesse du vent
  • Dysfonctionnement des aérations et évacuation au-delà de 50 km/h
  • Inconfort physique des personnes
  • Projections d’objets allant de la poussière à des corps plus importants telle une voiture

Lutte contre le vent

Intensité 

Il n’est pas bon, en ville, d’éliminer le vent, une bonne brise de 5 à 36 km/h va en effet aérer, dépoussiérer et rafraîchir l’atmosphère. cette vitesse devrait être fonction de la température, 5 km/h pour 12 à 14 c et 36 km/h au-delà des 25 c, c’est un critère essentiellement humain ne tenant compte que de la sensation de froid due au vent. une vitesse de plus de 90 km/h au sol est elle franchement anormale et peut provoquer en ville comme en campagne des dégâts considérables, rendant toute activité extérieure dangereuse, même la marche. l’article du soir, dans les annexes illustre fort bien ce qui se passe lorsque le vent disparaît de la ville, c’est fort simple, à moyen terme ( quelques jours) nous mourrons purement et simplement, fort heureusement la nature n’aime pas plus que nous cet excès et régule bien vite cet extrême ….par un autre.[1]
forme des bâtiments et matériaux une barre sera toujours plus néfaste qu’une tour même dans le rouleau aval qui est pourtant dépendant du nombre d’étage. en fait, l’effet de barre s’apparente au vent lui-même et lui offre une résistance très forte et donne des désordres variés. si, en prime, elle est lisse et continue, alors le cauchemar peut commencer. donc, on peut créer des barres si elles sont rugueuses, non- homogènes et que l’on a bien aménagé les abords. par contre, si cette barre est partie intégrante d’un système de lutte contre le vent, alors elle doit être régulière , homogène et symétrique. la toiture peut être plate ou a versant mais on doit l’étudier car l’ampleur d’une telle surface n’est pas mince. la chienlit réside dans le fait que le vent tourne et qu’il est impossible de prévoir tous les cas, donc, la plupart des fois, on se tiendra aux vents dominants et gênants ainsi qu’aux vents exceptionnellement forts ou froids, pour des motifs d’une part économique et d’autre part de faisabilité, de toute façon, on ne pourra jamais tout prévoir.

La cour intérieure 

dans un intra-îlot, on peut créer un espace dégager et à l’abri du vent à trois conditions, que la zone libre entre deux façades n’excède pas trois fois la hauteur des façades qui la limite, que la somme des largeur des ouverture n’excède pas 20% du périmètre et qu’une végétation minimale y a été implantée de façon à « relever » la couche d’air de protection. on le voit, une ampleur de trois fois la hauteur des façades permet l’ensoleillement toute la journée, ce qui rendra la cour plus chaude que l’extérieur, la mettant en surpression, le rayonnement des façades ( chauffage artificiel ) l’accentuera de jour comme de nuit et les plantations ( arbustes ou arbres) captureront les calories et renforceront encore l’effet. le vent va ici littéralement ricocher sur la couche d’air plus chaude.

Les barrières 

la première règle d’un bon coupe-vent, c’est d’être en partie perméable au vent car celui-ci réagit avec autant de violence que la blocage qui lui est imposé. comme on ne cherchera qu’à le ralentir et non à le supprimer, il est souvent souhaitable d’en laisser filtrer dans la partie basse ce qui peut parfois doubler la longueur de la protection. une autre règle, qu’il ne soit pas rectiligne et homogène afin de faire s’épuiser le vent dessus ce qui pose un seul problème, les seuls modèles calculables de protection sont homogènes et symétriques mais leur efficacité n’est pas considérée comme la meilleure, ils sont seulement démontrables et quantifiables, interdisant souvent toute expression et liberté artistique. le défaut de telles barrières, c’est qu’elles sont fixes mais pas le vent, donc on en revient aux réalités vues plus haut. ampleur de la protection

si la zone d’action peut être fort variée, il est admissible de ne traiter qu’une zone de deux mètres de hauteur afin de ne se préoccuper que du piéton et de sa zone de vie. les profils ci-contre montre l’effet de diverses solution sur le vent.

Les forces 

Il est concevable de lutter contre le vent avec sa propre énergie, le vent peut être capté afin de créer une barrière d’air, ou d’user de l’effet « coussin d’air » de certains profils, de jouer la succion que d’autres provoquent ou encore d’affaiblir le vent en le fatiguant dans des éoliennes dont les usages peuvent être multiples. l’exemple ci-après des digues hollandaises est frappant et est destiné à lutter contre le vent venant de la mer, observons que l’ampleur extraordinaire de ce projet est permise par la quasi-unicité dans la trajectoire du vent. il est composé en deux phases, un profil courbe qui travaille en succion sur le fentes libres et une série de panneaux verticaux situés sur une digue de terre. ce projet est homogène et symétrique afin de bien en contrôler tous les aspects, le vent traverse cette barrière, il ne vient pas se briser dessus, un mur de la même hauteur n’aurait aucune efficacité, on peut croire qu’un tel peuple de marin comprend fort bien comment maîtriser cette force qu’est le vent. une autre solution, plus technologique, nous est présentée par buckminster fuller et une structure 4d ou autrement dit dynamique. le projet est attrayant mais un article en italien et une pauvreté de l’illustration ne permettent pas d’en deviner le fonctionnement. 

L’informatique 

un ordinateur dans une tour ou contrôlant un mur est d’ores et déjà capable de gérer la rotation des profils de

protection mais cela exige un nombre incalculables de moteurs et de capteurs et si cela permet, avec l’aide d’une main humaine, d’avoir des résultats presque parfaits, cela rend souvent la zone traitée inapprochable et donc inutilisable. c’est un outil du futur, en plein développement et qui donc encore nous apporter ses clefs. Des sytèmes mécaniques existent également pour amortir le vent mais leur mise en oeuvre reste lourde.[2]

Conclusion

Après ces bases théoriques, je développerai dans les prochains mois une série d’exercices pratiques des effets du vent sur des formes simples.
To be continued …
Article composé en 1997 mais peu de choses ont hélas évolué.
 

Sources:

Climatologie de la Belgique, DELACROIX M., mémoire 89-90 St Luc
Domus aprile 1992 n 737 p102-108
The urban atmosphere, ATKINSON B.W., Update, Cambridge,1985
Composer avec Eole, JEAN F., mémoire 82-83 St Luc
Gales prompt debate, AJ 31 jan 1990
Multi-source synthesis, shape, texture and flow, BATTLE G., Mc CARTHY C., AD vol65 7/8 1995
Sunset Decks, VANDERVORT D. Lane Publishing Co, Californie,1990
L’écosystème urbain, application à l’agglomération bruxelloise, colloque international 1974
Cahiers du Sart Tilman n 2, Université de Liège
GREENSCAPE, AJ, Londres, 12,19 et 26 April, 3 et 10 may 1989