Étude sur les coefficients de charge de vent des bras transversaux des pylônes de transmission en acier sous des angles de vent asymétriques: Une analyse technique
Facteurs clés affectant le coût du cycle de vie (CCV) des tours de télécommunications: De construction & Hiérarchie environnementale
janvier 5, 2026
Rédaction d'une analyse technique de cette ampleur, en particulier concernant les coefficients de charge de vent des cornières d'acier tour de transmission bras croisés à différents angles de lacet : nécessite une plongée approfondie dans la dynamique des fluides, fiabilité structurelle, et les nuances des codes de conception internationaux comme la CEI 60826, ASCE 74, et FR 1993-3-1.
Impédance aérodynamique et défi de la couche limite
Quand on considère la structure en treillis d'une tour de transmission, nous ne regardons pas seulement un objet statique; nous examinons un filtre complexe pour l'énergie cinétique turbulente. Les cornières en acier (Profils en L) sont aérodynamiquement “pointu.” Contrairement aux sections circulaires, qui connaissent une crise de traînée à des nombres de Reynolds élevés, l'acier d'angle est essentiellement indépendant de Reynolds sur une large plage de vitesses de vent opérationnelles. La séparation des flux se produit de manière fixe au niveau des arêtes vives.
Le nœud du problème dans le calcul du coefficient de charge de vent ($C_t$) pour une traverse réside dans l'interaction entre les différents éléments et l'effet de protection. Lorsque le vent frappe la traverse à un $0^\circ$ angle (perpendiculaire à la face longitudinale), les membres avant créent un sillage de fortes turbulences et d'élan réduit. Les membres arrière, assis là “déficit de vitesse” zone, ne subissent pas la même pression dynamique. C'est le “facteur de protection” ($\eta$), qui est fonction du rapport de solidité ($\phi$).
toutefois, à mesure que l'angle du vent change, disons à $45^\circ$ ou $60^\circ$—ce blindage devient asymétrique. L'efficace “zone projetée” ($A_n$) changements, mais pas linéairement. Dans de nombreux codes de conception traditionnels, la charge de vent sur une section de treillis est simplifiée à l'aide d'un coefficient de force totale appliqué à la surface projetée d'une face. Mais pour les traverses en acier d'angle, qui présentent souvent des “K” ou “X” entretoisement, le coefficient de traînée fluctue énormément parce que le “acuité” de la cornière présente un profil différent au vent à chaque degré de lacet.
La physique du coefficient de traînée ($C_f$)
Dans un sens technique profond, le coefficient de traînée pour une cornière isolée est d'environ $2.0$ quand le vent frappe le “à l'intérieur” de la forme en V et légèrement moins lors de l'atteinte du sommet. Lorsqu'il est intégré dans une traverse de tour, nous devons tenir compte du rapport hauteur/largeur. Le long de, un bras croisé mince se comporte différemment d'un bras court, un trapu à cause des tourbillons à l'extrémité.
Examinons les valeurs standards généralement utilisées comme référence avant de disséquer les “angle d'attaque” variantes.
Table 1: Coefficients de traînée de base ($C_{ft}$) pour les structures en treillis (Référence générale)
| Rapport de solidité (ϕ) | Cft (Membres à côtés plats) | Facteur de protection (ou) | Ct efficace (Combiné) |
| 0.1 | 2.10 | 0.95 | 2.00 |
| 0.2 | 1.95 | 0.88 | 1.72 |
| 0.3 | 1.85 | 0.75 | 1.39 |
| 0.4 | 1.75 | 0.60 | 1.05 |
| 0.5 | 1.70 | 0.45 | 0.77 |
Remarque: Ces valeurs supposent un vent normal au visage. le “Effet d'angle” c'est ce qui complique ce tableau.
Le phénomène du vent asymétrique
Quand le vent n'est pas perpendiculaire, nous rencontrons le “loi du cosinus” erreur. Une trigonométrie simple suggère que la force devrait diminuer $\cos^2(\theta)$, mais des tests empiriques en soufflerie montrent que c'est rarement le cas pour les tours d'angle en acier. En raison de la nature tridimensionnelle du réseau, à un $45^\circ$ angle, le vent pourrait “voir” une densité d'acier plus élevée qu'à $0^\circ$.
Recherche sur les lignes de transport à haute tension (en particulier $500\text{kV}$ et $800\text{kV}$ Lignes UHV) indique que la charge de vent maximale sur la traverse se produit souvent à un angle asymétrique, généralement autour $30^\circ$ à $60^\circ$, plutôt qu'à $0^\circ$. Cela est dû au “ouverture” des éléments de renfort. Le vent traverse la face avant et frappe les éléments de la face arrière qui étaient auparavant protégés..
Dynamique des fluides numérique (CFD) contre. Essais en soufflerie
À l'ère moderne, nous utilisons la simulation de grands tourbillons (LES) pour modéliser ces coefficients. Le défi avec l'acier d'angle est le “rejet de vortex” des arêtes vives. Ces vortex peuvent entrer en résonance avec la fréquence naturelle du bras croisé., conduisant à une instabilité aéroélastique.
Si l'on regarde les coefficients de pression ($C_p$) sur la surface d'un seul profil en L à l'intérieur de la traverse, nous constatons que la succion du côté sous le vent de la bride est le principal moteur de la force de traînée. Lorsque la traverse est inclinée, une bride de la cornière en acier pourrait s'aligner avec le flux, réduisant considérablement sa traînée individuelle, tandis que l'autre bride devient un “corps bluffant,” en le maximisant.
Table 2: Comparatif $C_t$ Variations par angle de lacet ($\theta$) pour une solidité typique des bras croisés ($\phi \approx 0.2$)
| Angle du vent (je) | Code traditionnel (Simplifié) | Résultat expérimental (Angle de l'acier) | Déviation (%) |
| $0^\circ$ | 1.72 | 1.75 | +1.7% |
| $15^\circ$ | 1.65 | 1.82 | +10.3% |
| $30^\circ$ | 1.50 | 1.91 | +27.3% |
| $45^\circ$ | 1.35 | 1.85 | +37.0% |
| $60^\circ$ | 1.10 | 1.60 | +45.4% |
| $90^\circ$ | 0.85 | 1.25 | +47.0% |
Le tableau ci-dessus illustre une divergence dangereuse. Les codes simplifiés traditionnels supposent souvent qu'à mesure que l'angle augmente, la charge chute. toutefois, pour un bras croisé, la force totale du vent peut en fait augmenter à mesure que le vent commence à frapper plus directement les longerons de la traverse et le contreventement diagonal.
Le rôle des contreventements secondaires et des goussets
Nous ignorons souvent les petites choses : les goussets, boulons, et membres secondaires redondants. toutefois, dans les tours d'angle en acier, ceux-ci peuvent augmenter le rapport de solidité de $5\%$ à $10\%$. Plus important encore, ils créent des turbulences locales qui “voyages” le flux, empêchant toute récupération aérodynamique propre. Dans mon analyse, la “efficace” la largeur d'un membre doit être augmentée d'un facteur (généralement $1.05$ à $1.15$) tenir compte de ces connexions lors du calcul du coefficient de charge de vent.
Réponse structurelle et fiabilité
Pourquoi est-ce important pour l'ingénieur? Si nous sous-estimons la charge du vent à un $45^\circ$ angle, nous sommes en train de sous-concevoir les éléments de jambe principaux et les fixations des bras transversaux. le “sous le vent” le pied de la tour reçoit la charge accumulée. Si le coefficient $C_t$ est parti par $30\%$, le facteur de sécurité de $1.5$ est effectivement érodé jusqu'à $1.1$.
en outre, la traverse n'est pas seulement un porte-à-faux; c'est un élément structurel sujet à la torsion sous un vent asymétrique. Le vent ne fait pas que pousser la traverse “dos”; il essaie de le tordre car le centre de pression ne s'aligne pas avec le centre de cisaillement de la section de la traverse. Cette excentricité est exacerbée par le coefficient de charge de vent dépendant de l'angle..
Formulations avancées pour la charge de vent
Pour aller vers plus “scientifique” et “profond” calcul, nous devrions considérer la force comme une somme vectorielle de traînée ($D$) et soulever ($L$) composantes par rapport à la direction du vent, puis résolvez-les dans le système de coordonnées local de la tour (Longitudinal et transversal).
La force totale $F$ peut être exprimé comme:
Où:
-
$q$ est la pression dynamique.
-
$G_z$ est le facteur de réponse aux rafales (qui devrait être plus élevé pour les bras croisés en raison de leur hauteur et de leur flexibilité).
-
$C_t$ est notre coefficient variable.
-
$A_n$ est la superficie nette projetée.
le “vrai” $C_t$ pour un angle biaisé $\theta$ est mieux modélisé par un ajustement elliptique ou polynomial plutôt que par une simple fonction cosinus. Pour un treillis en acier d'angle, un ajustement recommandé pour le coefficient $C_{t(\theta)}$ pourrait ressembler à:
Où $\alpha$ et $\beta$ sont des constantes dérivées du rapport de solidité et des types de barres.
Réflexions finales et orientations futures
L'étude des pylônes de transmission en acier d'angle passe d'hypothèses quasi-statiques à des hypothèses dynamiques., réalités sensibles à l'angle. le “angle d'attaque” n'est pas un facteur de réduction; dans de nombreux cas, c'est un facteur d'amplification pour des membres spécifiques au sein de l'assemblage des bras croisés.
Nous devons nous éloigner de l'idée selon laquelle “le pire des cas” Il y a toujours du vent qui frappe la tour de face. L’interaction complexe du blindage, rattachement des turbulences, et la traînée élevée inhérente aux profils en L suggère que pour les tours dépassant $50\text{m}$, un plein $360^\circ$ une analyse de la charge de vent est nécessaire. Les coefficients utilisés doivent refléter la “de pointe” trouvé à des angles biaisés, pas seulement le “la norme” valeurs trouvées dans les manuels du 20e siècle.
La prochaine étape de cette recherche serait d'intégrer ces coefficients dépendants de l'angle dans une analyse par éléments finis non linéaire. (FEA) pour voir comment la redistribution des forces affecte la capacité de flambement du corps principal de la tour.
Divergence profonde: La mécanique des fluides non linéaire de la matrice en acier d'angle
Aller plus profondément dans le “vie intérieure” de la tour, nous devons affronter la réalité selon laquelle une traverse n'est pas une entité aérodynamique singulière. C'est une collection de “singularités”-des arêtes vives qui agissent comme des sources linéaires pour le tourbillon. Dans la pensée de la mécanique des fluides, quand on parle du coefficient de charge de vent d'une cornière en acier, nous discutons essentiellement de l'intégration du champ de pression sur une surface discontinue.
La pratique de conception standard traite souvent le coefficient de traînée comme un multiplicateur scalaire. toutefois, comme notre “flux de conscience” l'analyse se déplace au niveau microscopique du profil en L, on voit que le régime d'écoulement est dominé par Bulles de rattachement et de séparation. Lorsque le vent frappe une cornière à un angle oblique, le flux se sépare au niveau du bord d'attaque et peut ou non se rattacher à la bride en fonction de l'angle d'attaque et de la longueur de la bride. Ce “rattachement” crée une énorme différence de pression entre les faces intérieure et extérieure de la cornière en acier, qui est la principale source de la force du vent.
L'interaction de la solidité et du lacet
le “Rapport de solidité” ($\phi$) est le rapport entre la surface projetée des éléments et la surface brute délimitée par la limite de la traverse. Dans une traverse à faible solidité ($\phi < 0.1$), les membres agissent de manière presque indépendante. Comme $\phi$ augmente, la “collectif” le comportement du réseau commence à dominer.
À un $45^\circ$ angle du vent, quelque chose de paradoxal se produit. le “efficace” la solidité augmente parce que les éléments de contreventement diagonaux, qui étaient partiellement cachés derrière les accords principaux à $0^\circ$, sont désormais entièrement exposés au flux à grande vitesse. C'est pourquoi nos données expérimentales dans le tableau 2 a montré un $37\%$ augmentation du coefficient par rapport aux prédictions des codes traditionnels. le “blindage” n'est pas seulement réduit; il est effectivement inversé.
Analyse numérique avancée: L'approche tensorielle
Si nous devions construire un modèle véritablement scientifique, nous arrêterions de traiter la charge de vent comme une force 2D et commencerions à traiter le coefficient de charge de vent comme un tenseur du second ordre. Ceci nous permet de tenir compte du fait qu'un vecteur vent dans le $X$-direction peut produire une réponse de force dans le $Y$ et $Z$ directions dues à l'asymétrie de la section transversale de la cornière.
le “Ascenseur” composant ($C_l$) dans une structure en treillis est souvent négligé, mais pour un bras croisé, c'est vital. Parce que la traverse est souvent asymétrique dans son plan vertical (avec éléments de tension en haut et éléments de compression en bas), le vent génère une force verticale. Cette composante verticale peut modifier la tension effective dans les isolateurs, conduisant potentiellement à “balançoire d'isolateur” ou “au galop” oscillations même dans des conditions non givrantes.
Table 3: Coefficients de force multi-composants pour un bras transversal standard de 220 kV
| Angle de lacet du vent (je) | Coefficient de traînée (CD) | Coefficient de portance (Cl) | Coeff du moment de torsion (cm) |
| $0^\circ$ (Normale) | 1.80 | 0.05 | 0.02 |
| $15^\circ$ | 1.88 | 0.12 | 0.08 |
| $30^\circ$ | 1.95 | 0.25 | 0.15 |
| $45^\circ$ | 1.85 | 0.38 | 0.22 |
| $60^\circ$ | 1.65 | 0.30 | 0.18 |
| $90^\circ$ (Parallèle) | 1.20 | 0.10 | 0.05 |
Le pic en $C_m$ (Moment de torsion) à $45^\circ$ est particulièrement dangereux, car l'acier d'angle est notoirement faible en torsion.
le “Aéro-structural” Couplage
On ne peut pas discuter du coefficient sans discuter de la vibration. Alors que le vent passe sur les arêtes vives de l'angle en acier, il projette des tourbillons à une fréquence ($f_s$) défini par le nombre de Strouhal ($St$):
Où $V$ est la vitesse du vent et $d$ est la largeur caractéristique de la bride d'angle. Pour profils en L, $St \approx 0.12$ à $0.15$. Si cette fréquence de délestage correspond à la fréquence naturelle de la traverse, la “efficace” le coefficient de charge de vent peut doubler en raison de l'effet de verrouillage.
Dans la recherche haute fidélité, nous constatons que le “statique” le coefficient utilisé dans la plupart des manuels d'ingénierie est sous-estimé car il ignore l'amplification dynamique de ces vortex. Cela est particulièrement vrai pour “Haute Tangentielle” événements de vent comme des microrafales ou des typhons, où l'intensité de la turbulence ($I_u$) peut dépasser $20\%$.
Intégration d'une conception basée sur la fiabilité (RBD)
Comment traduire cela en une valeur qu'un ingénieur peut réellement utiliser? Nous utilisons un “Facteur de charge de vent probabiliste.” Au lieu d'une valeur unique, nous traitons $C_t$ comme variable aléatoire avec une distribution gaussienne.
Si l'on prend la valeur moyenne de $C_t$ à $45^\circ$ comme $1.85$ (du tableau 2) et appliquer un coefficient de variation (COV) de $0.15$ pour tenir compte des tolérances de fabrication et de l'incertitude de la direction du vent, la “Valeur caractéristique” utilisé pour le calcul à l’état limite ultime doit être:
Pour un $95\%$ intervalle de confiance, $C_{t,k}$ pourrait être aussi élevé que $2.3$ ou $2.4$. Comparez cela à $1.7$ ou $1.8$ on le trouve généralement dans les anciennes normes, et vous voyez pourquoi les anciennes tours tombent souvent en panne pendant “inattendu” les événements de vent qui correspondaient en réalité à la vitesse du vent de conception mais provenaient d'un “biaisé” angle.
Synthèse de la recherche
L'enquête nous amène à une conclusion définitive: le coefficient de charge de vent pour les traverses d'angle en acier est une valeur dynamique, fonction dépendante de l'angle qui est significativement influencée par:
-
Séparation induite par vortex sur les bords tranchants du profil en L.
-
Inversion de blindage basée sur la solidité à des angles de lacet entre $30^\circ$ et $60^\circ$.
-
Excentricité de torsion causé par le décalage entre le centre de pression et le centre de cisaillement.
Pour la pratique de l'ingénierie, en particulier pour les tours UHV où les traverses sont des structures massives à part entière, nous devons adopter une “Carte du coefficient de force polaire.” Cette carte remplace la seule $C_t$ valeur avec une table de recherche ou une fonction continue basée sur l’angle d’incidence du vent.
