Dans un hangar d’avions à Miami, des ingénieurs recréent certains des vents d’ouragan les plus puissants à avoir jamais frappé la terre. Ces vents de catégorie 5 peuvent briser un bâtiment d’essai en un clin d’œil.
Pourtant, les ventilateurs géants qui les créent ne sont pas assez puissants pour suivre la nature.
Lorsque les ingénieurs ont construit l’installation d’essai Wall of Wind il y a 10 ans à l’Université internationale de Floride, elle s’est inspirée de l’ouragan Andrew, une tempête monstrueuse qui a dévasté le sud de la Floride en 1992.
L’installation a été conçue pour tester la capacité des structures à résister à des vents allant jusqu’à 160 miles par heure (257 kilomètres par heure). Maintenant, nous assistons à des événements comme l’ouragan Dorian, qui a déchiqueté des quartiers des Bahamas avec des vents de 184 mph (296 km/h) en 2019, et l’ouragan Patricia, avec des vents cadencés à 215 mph (346 km/h) au large de la côte du Mexique en 2015.
AP Photo/Ramon Espinosa
Des études montrent que les tempêtes tropicales augmentent en intensité à mesure que le climat change et que la température des océans et de l’air augmente. Concevoir des maisons et des infrastructures pour résister à de futures tempêtes comme Dorian nécessitera de nouvelles installations de test qui vont bien au-delà des capacités actuelles – pour ce que nous pensons devoir être appelé des tempêtes de catégorie 6.
Le mur du vent
Il n’y a actuellement qu’une seule installation d’essai grandeur nature dans une université américaine capable de générer des vents de catégorie 5, actuellement le niveau d’ouragan le plus puissant. C’est le Mur du Vent.
À une extrémité de l’installation se trouve un mur incurvé de 12 ventilateurs géants, chacun aussi grand qu’une personne moyenne. En travaillant ensemble, ils peuvent simuler un ouragan de 160 mph. Les jets d’eau simulent la pluie poussée par le vent. À l’autre extrémité, le bâtiment s’ouvre sur un grand champ où les ingénieurs peuvent voir comment et où les structures échouent et les débris volent.
Les puissantes tempêtes que nous créons ici nous permettent, ainsi qu’à d’autres ingénieurs, de sonder les faiblesses de la construction et de la conception, de suivre les défaillances en cascade dans un bâtiment et de tester des solutions innovantes dans des conditions de tempête proches du monde réel. Les caméras et les capteurs capturent chaque milliseconde lorsque les bâtiments, les matériaux de toiture et d’autres éléments se désagrègent ou, ce qui est tout aussi important, n’échouent pas.
Dix années de recherche ici ont aidé les constructeurs et les concepteurs à réduire les risques de dommages. Cela est utile lorsque les prévisionnistes avertissent, comme ils le font pour 2022, d’une saison des ouragans chargée avec plusieurs ouragans majeurs.
Leçons tirées des tests d’ouragan
Nous avons découvert lors d’essais destructifs qu’une structure se déchire souvent en moins d’une seconde. Tout ce qu’il faut, c’est que le vent pénètre le point le plus faible.
Lorsque l’ouragan Dorian a frappé les Bahamas, de nombreuses maisons moins bien construites se sont transformées en éclats d’obus, créant un autre problème. Une fois qu’un bâtiment tombe en panne, même les maisons voisines construites pour résister à des vents plus forts sont en difficulté à cause des débris volants. Nos tests ont montré comment les débris d’un bâtiment, sous des vents continus de 130 à 140 mph ou plus, peuvent détruire le bâtiment suivant, puis le bâtiment suivant.
Les toits sont souvent ce maillon faible. Un toit est soumis à une force de soulèvement lors d’une tempête, de sorte que le vent frappant la surface du bâtiment doit pouvoir s’échapper. Lorsque le vent heurte des objets sur cette trajectoire, il peut causer des dommages.
De nouvelles conceptions améliorent la résistance des bâtiments aux vents extrêmes. Par exemple, les tempêtes peuvent créer de puissants tourbillons – des vents qui tourbillonnent presque comme un tire-bouchon au bord d’un bâtiment – qui peuvent enlever les matériaux de toiture et éventuellement soulever le toit lui-même. Une innovation utilise une éolienne horizontale le long du bord d’un toit pour diffuser le vent et produire de l’électricité en même temps, un double avantage.
La forme des bâtiments peut également créer des faiblesses ou aider à dévier le vent. Vous remarquerez que la plupart des gratte-ciel modernes évitent les angles vifs. Les tests montrent que des bords plus trapézoïdaux ou arrondis peuvent réduire la pression du vent sur les bâtiments.
Et une meilleure sécurité n’est pas forcément coûteuse. Une expérience a montré à quel point seulement 250 USD de mises à niveau représentaient la différence entre un petit bâtiment de la taille d’un hangar résistant à une tempête de catégorie 3 – ou non. Les sangles anti-ouragan attachent une ferme de toit au périmètre de la maison. Les clous à tige annulaire, qui ont des fils autour de la tige pour saisir le bois, peuvent mieux résister aux forces du vent que les clous lisses. Les volets anti-ouragan bloquent également les points d’entrée où le vent peut pénétrer et déclencher une défaillance catastrophique.
L’installation est également importante et aide à expliquer pourquoi les toits qui semblent répondre aux exigences du code du bâtiment peuvent encore tomber en panne et voler dans les ouragans.
Les expériences que nous avons menées ont montré comment un système de bordure – les éléments métalliques entre les murs et le toit – qui est installé juste un demi-pouce trop haut ou trop bas peut échouer prématurément par vent faible, même si le système a été conçu pour résister à un ouragan de catégorie 5. Les couvreurs qui installent des bardeaux d’asphalte et des tuiles peuvent avoir besoin d’aller au-delà du code actuel lorsqu’ils scellent les bords pour les empêcher de tomber en cas de tempête.
Photo AP/Mark Foley
Tests en expansion : vents de 200 mph + onde de tempête
Alors que les ingénieurs ont acquis des connaissances grâce aux tests, la nature des tempêtes change à mesure que la planète se réchauffe.
Des températures plus chaudes – alimentées par l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre provenant des activités humaines – permettent à l’air de retenir plus d’humidité, et des océans plus chauds fournissent plus d’énergie pour alimenter les ouragans. Les recherches montrent que des tempêtes plus grosses et plus intenses, plus lourdes d’eau et se déplaçant plus lentement, vont marteler les zones qu’elles frappent avec plus de vent, d’ondes de tempête, d’inondations et de débris.
Une étude a estimé que si l’ouragan Ike, qui a dévasté Galveston, au Texas, en 2008, devait frapper dans le climat plus chaud prévu à la fin du 21e siècle, ses vents seraient 13 % plus forts et il se déplacerait 17 % plus lentement et serait 34 % plus humide. .
Des tempêtes comme celles-ci sont la raison pour laquelle nous travaillons avec huit autres universités pour concevoir une nouvelle installation pour tester la construction contre des vents de 200 mph (322 km/h), avec un bassin d’eau pour tester l’impact des ondes de tempête jusqu’à 20 pieds (6 mètres ) hautes vagues positives.
Les ordinateurs peuvent modéliser les résultats, mais leurs modèles doivent encore être vérifiés par des expériences physiques. En combinant le vent, les ondes de tempête et l’action des vagues, nous pourrons voir l’ensemble de l’ouragan et comment tous ces composants interagissent pour affecter les personnes et l’environnement bâti.
Les tests de catastrophe trouvent des moyens de rendre les maisons plus sûres, mais il appartient aux propriétaires de s’assurer qu’ils connaissent les faiblesses de leurs structures. Après tout, pour la plupart des gens, leur maison est leur bien le plus précieux.