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EIN-40-Lighting-Wind-400.jpgFrancis Julien, ingénieur mécanique junior 

16 octobre 2020

Conception d'appareils d'éclairage extérieur à l'épreuve des intempéries

La conception des aménagements architecturaux extérieurs nécessite la prise en compte de multiples facteurs environnementaux. Ces facteurs comprennent des vérifications comme la protection contre les chocs (IK), la protection contre les infiltrations (IP) et les températures de fonctionnement testées. Comme les appareils architecturaux extérieurs sont continuellement exposés à des contraintes environnementales telles que le vent, la pluie, la neige et la glace, un des facteurs de conception le plus important à considérer est la sécurité. Les luminaires architecturaux extérieurs étant généralement installés en hauteur, l'impact du vent s'avère une préoccupation majeure. L'impact du vent se mesure généralement dans les fiches techniques par la Surface réelle d'encombrement (EPA), mais cette propriété physique n'est que le début d'une analyse mécanique approfondie visant à assurer la sécurité des installations. Dans cet article, nous examinerons l'EPA, comment la calculer, et comment l'utiliser pour assurer une conception sûre. Nous aborderons également l'importance de prendre en compte les scénarios les plus défavorables, ainsi que des paramètres supplémentaires pour promouvoir une conception standard sûre.

Qu'est-ce que l’EPA et comment est-elle calculée ?

La surface réelle d'encombrement est un coefficient physique utilisé pour évaluer les charges induites par le vent sur un luminaire. Elle est calculée en multipliant le coefficient de traînée et l'aire projetée d'un luminaire.

L'aire projetée représente la zone visible d'une forme tridimensionnelle sur un plan plat. Imaginez que vous tentez de capturer la surface totale d'une forme tridimensionnelle comme un cône. Si l'image d'un cône est prise de face, sa surface projetée (forme visible) sera un triangle (A). Si l'image est prise du haut, sa surface projetée sera un cercle (B). Cependant, ces deux perspectives jumelées et vues sous différents angles présentent une forme similaire à (C).Lighting Cones

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le coefficient de traînée est un facteur sans dimension, obtenu par l'analyse de la mécanique des fluides et influencé par de nombreux facteurs tels que la forme et la densité du fluide (eau, air, etc.).  Le coefficient de traînée reflète la force de traînée qu'un objet subit lorsqu'il est en contact avec un fluide (plus le coefficient de traînée est élevé, plus les charges dues au vent sont importantes). Alors que la plupart des formes courantes sont bien documentées pour le coefficient de traînée de l'air, les assemblages complexes comme les voitures, les avions et même les appareils d'éclairage peuvent utiliser des simulations avancées pour obtenir la force de traînée de l'objet entier.

Drag

Simulation de vents sur la surface d'un Lumenbeam avec et sans accessoire.

Comment utiliser l'EPA ?

Une fois l'EPA correctement calculée ou relayée par des fiches techniques, comment est-elle utilisée pour garantir une installation sécuritaire ? De nombreuses normes ont été élaborées à partir de l'expérience en matière de conception, d'essais et de données environnementales. De bons exemples sont des publications telles que Les spécifications standard pour les supports structurels des panneaux de signalisation routière, des luminaires et des signaux de circulation de l'American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) ou le Code canadien pour la conception des ponts routiers (CSA-S6-06) de l'Association canadienne de normalisation (CSA). Bien que les formules et les coefficients diffèrent d'une norme à l'autre, ils tiennent tous compte de facteurs similaires. La section suivante utilise les normes AASTHO à titre d'exemple.

 AASTHO désigne des cartes de vent basées sur de nombreuses années de données météorologiques compilées dans l'ensemble des États-Unis. Par exemple, la vitesse du vent en Floride peut atteindre jusqu'à 150 miles par heure, contre 90 miles par heure au Kansas. Comme il s'agit de vitesses de rafales de vent statistiques pour chaque région, la durée de vie d'un appareil monté est prise en compte dans l'équation de la pression du vent (probabilité d'occurrence de la vitesse de vent la plus élevée). La hauteur est également prise en compte en ajoutant un facteur multiplicateur pour tenir compte de l'exposition du luminaire dans les installations élevées (environ 1,5 fois la pression du vent pour un luminaire installé à 230 pieds par rapport à un luminaire monté à 100 pieds).

Wind Pressure

Pour calculer les charges de vent sur un appareil, la pression du vent est calculée pour l'installation et multipliée par l'EPA. L'AASTHO précise également les régions des États-Unis où les tempêtes de verglas doivent être prises en compte. Le poids de l'éventuelle accumulation de glace est ajouté au poids de l'installation et aux charges de vent calculées. L'analyse structurelle peut maintenant commencer par évaluer si la géométrie, les matériaux et les ancrages peuvent résister aux charges appliquées. D'autres normes doivent être utilisées en fonction de l'emplacement, comme la CSA, qui donne la pression du vent et l'accumulation de glace pour les installations de luminaires au Canada.

Comment concevoir pour les pires scénarios ?

Dans la section précédente, nous avons examiné comment utiliser les informations environnementales locales de l'AASTHO ou de la CSA pour valider l'intégrité structurelle d'une conception. Lors de la conception de produits standard, l'emplacement de chaque installation peut être inconnue, ce pourquoi il faut calculer les scénarios les plus défavorables pour garantir la sécurité dans divers environnements. Pour identifier de tels scénarios, les cartes de vents et de glaces sont évaluées pour trouver les charges environnementales les plus élevées. Ceci dit, pour se préparer pleinement aux conditions les plus ardues, l'installation physique réelle doit également être prise en compte. Comme mentionné dans la section de l'EPA ci-dessus, la forme d'un cône varie et génère des coefficients de traînée différents selon la perspective, comme c'est le cas d'un luminaire. Le scénario le plus défavorable utilise les orientations où le luminaire présente le profil EPA le plus élevé directement au vent. Son profil est combiné à son poids et aux charges de glace potentielles, ce qui induit la plus forte contrainte des composants structurels. Les différentes configurations d'un produit (longueur, accessoires, etc.) doivent également être prises en compte pour identifier les scénarios les plus défavorables. 

Worst Case

Plus d'une orientation est souvent évaluée, car de multiples contraintes peuvent se présenter sur différentes sections d'un appareil. Le pire des cas est rarement réaliste ou réalisable sans surdimensionner le produit pour des applications standard. Par exemple, le facteur de pression du vent indiqué sur la figure augmente avec la hauteur. La conception d'un appareil standard pour résister aux charges de vent au sommet d'un bâtiment de 100 étages nécessiterait une conception deux fois plus solide que celle nécessaire pour des applications plus courantes. Les scénarios les plus pessimistes doivent être prudents, mais raisonnables. Par exemple, il ne serait pas réaliste d'évaluer des luminaires destinés à l'éclairage de poteaux à des hauteurs de 650 pieds.  

 Après avoir défini les scénarios les plus pessimistes et les limites d'installation, il faut tenir compte d'un facteur de sécurité. Ce facteur de sécurité signifie que la conception doit être X fois plus forte que les charges réelles prévues dans le pire des scénarios. Cela permettra de prendre en considération les risques éventuels d'un matériau sous performant due à des impurtées ou de charges exceptionnellement plus élevées que prévu. Une combinaison d'analyses structurelles mécaniques, de simulations informatiques par éléments finis (FEA) et d'essais mécaniques/destructifs est ensuite utilisée pour valider que la conception maintient le bon facteur de sécurité pour les charges spécifiées. Des normes comme l'AASHTO ou la CSA spécifient souvent les facteurs de sécurité minimums requis en fonction du type de fixation et du matériau utilisé.  

Installation sûre : L'EPA est-il suffisant ?

Comme mentionné précédemment, l'EPA figure dans la plupart des fiches techniques des luminaires extérieurs. Bien que la commercialisation d'un produit ne doive se faire qu'une fois sa sécurité structurelle évaluée, toute installation ne peut être contrôlée. L'EPA est spécifiée pour aider les tiers à évaluer s'ils fournissent une installation sûre. Les guides de fûts d'un fabricant font souvent référence au poids maximum et à l'EPA pour les différentes hauteurs, afin d'éviter leur défaillance. Le matériel ou le mur utilisé pour installer des luminaires muraux sur un bâtiment peut également être influencé par l'EPA et le poids. Bien qu'elle soit couramment utilisée et très utile, l'EPA n'est pas toujours suffisante pour garantir une installation sécuritaire. Certaines conditions extrêmes (hauteurs extrêmes, luminaires très exposés, vibrations, etc.) peuvent nécessiter des essais et des certifications supplémentaires, ou exiger une consultation avec le fournisseur pour déterminer les limites d'un produit. C'est le cas des luminaires installés sur les ponts. Seuls les dispositifs certifiés pour les vibrations doivent être spécifiés pour les ponts, car le vent et les vibrations induites par la circulation augmentent considérablement les contraintes sur les composants structurels et les dispositifs.

La norme ANSI C136.31, Roadway and Area Lighting Equipment - Luminaire Vibration, définit des tests de vibration spécifiques pour certifier un luminaire pour les applications de pont et de passage supérieur. Même si les charges dues au vent sont « acceptables » sur un pont selon les calculs de l'EPA, un appareil non-certifié pour les vibrations entraînera des risques importants pour la sécurité. Cela montre l'importance de bien choisir les luminaires en fonction des certifications, et nous démontre qu'il ne faut pas uniquement se fier aux calculs de l'EPA. 

Les EPA sont calculées selon les normes AASHTO ou en utilisant la simulation de fluides lorsque les formes des luminaires sont plus complexes. Si les EPA sont publiées pour guider les clients lors de leurs installations, les luminaires sont également soumis à des essais mécaniques et structurels intensifs en interne et par des tiers. Il est important de rappeler que l'EPA est un coefficient reflétant la résistance au vent d'un luminaire, au cours d'un scénario de montage spécifique, et non une limite de sécurité ou de conception. L'EPA est utilisé pour déterminer le niveau de contrainte sur un luminaire et/ou la structure qui le supporte, et dépend fortement des charges de vent locales. Les installations uniques présentant des hauteurs ou des vitesses de vent extrêmes ou des contraintes vibratoires élevées doivent être évaluées selon des normes supplémentaires ou une validation structurelle, afin de garantir une installation sûre.    

L'avenir de la sécurité

Lumenpulse examine et recherche régulièrement les normes et les discussions les plus récentes concernant le montage et l'utilisation en toute sécurité de l'éclairage extérieur. Lumenpulse conçoit ses produits en fonction des normes les plus récentes et veille à ce que les matériaux les plus résistants et les plus sûrs soient utilisés dans ses constructions. Les climats et les méthodes d'essai évoluent, tout comme nos conceptions et nos mesures de sécurité. Pour plus d'informations sur la manière la plus sécuritaire d'installer des luminaires extérieurs, veuillez contacter votre représentant Lumenpulse ou un ingénieur qualifié de votre choix. Pour plus d'informations sur le montage des luminaires extérieurs Lumenpulse sur fût, veuillez vous référer aux guides situés ici.

Photo: Pont Sunshine Skyway Feinknopf Photography

 

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