Étude structure d’ombrière photovoltaïque – Calculs et plans
Article à jour le 3 septembre 2024
Les différentes étapes d’une étude structurelle pour une ombrière photovoltaïque
Dans cette page, nous vous expliquons les différentes étapes d’une étude structurelle. En alternative, notre logiciel Ombrières PV réalise l’ensemble de ces tâches pour vous.
Charges permanentes
Les charges permanentes comprennent le poids de la structure, du système d’intégration, des panneaux solaires, du câblage et des équipements.
Les fournisseurs de système d’intégration tels que Adiwatt, Dome Solar, Heliosolaire , proposent des solutions adaptées aux toitures.
Action de la neige
L’emplacement géographique du projet est déterminé sur la carte des neiges de l’Eurocode 1 qui permet de définir les charges de neige au sol. Cette carte fournit les valeurs caractéristiques de la charge de neige pour différentes régions géographiques en fonction de l’altitude, de la latitude et de la longitude du site.
Le coefficient de forme de la toiture est ensuite calculé. Il permet de tenir compte de la répartition de la neige sur la toiture. Le coefficient de forme dépend de la forme de la toiture, de la présence ou non d’obstacles tels que des cheminées ou des lucarnes, et de l’exposition au vent. Il est généralement compris entre 0,8 et 1,2.
Il est important de prendre en compte la charge de neige dans la conception de la structure de l’ombrière photovoltaïque, car une charge de neige excessive peut entraîner une déformation ou même un effondrement de la structure.
Notre logiciel Eurocodes Zoning donne des détails précis sur les charges de neige selon la localisation géographique
Action du vent
L’emplacement géographique du projet est déterminé sur la carte des vents de l’Eurocode 1 qui permet de définir les valeurs caractéristiques de la vitesse de référence Vb,0 qb,0.
Il est également nécessaire de vérifier la présence de vents dominant à travers le coefficient de direction cdir. Ce coefficient est utilisé pour déterminer la pression dynamique de base qb, qui est ensuite ajustée en fonction de la catégorie du terrain et du coefficient d’orographie.
La catégorie du terrain traduit l’effet de l’environnement proche de la construction (urbanisation ou végétation) sur la vitesse du vent. En savoir plus sur le coefficient de rugosité cr(z).
Le coefficient d’orographie co(z) est lié au relief du site et tient compte de l’effet de l’altitude et de la topographie sur la vitesse du vent. Il est généralement compris entre 1 et 1,15.
Une fois ces paramètres déterminés, il est possible de calculer la pression dynamique de pointe qp,z, qui servira au calcul des charges de vent sur la structure et la couverture.
Notre logiciel Eurocodes Zoning donne des détails précis sur les charges de vent selon la localisation géographique
Actions du vent sur les toitures isolées
Les toitures isolées, comme les ombrières photovoltaïques, présentent des particularités en termes de chargement du vent. Le taux d’obstruction, influencé par la présence de voitures garées, est un facteur déterminant dans le calcul des coefficients de force globaux (Cf).
Un taux d’obstruction élevé entraîne un effet de soulèvement plus important. En effet, l’écoulement de l’air diffère selon que la toiture isolée est vide ou qu’il y a des voitures garées en dessous.
Le Tableau 2 des « Recommandations pour l application de la NF EN 1991-1-4 aux charpentes et ossatures en acier de bâtiment » fournit toutes les informations nécessaires aux calculs du vent sur les toitures isolées à un versant.
Il est ensuite parfois nécessaire d’effectuer des interpolations linéaires entre les valeurs du tableau pour estimer les coefficients de pression et de force pour des angles ou des taux d’obstruction intermédiaires.
L’interpolation linéaire est représentée par l’équation :
\[\bar{f}(x)=\frac{y_a-y_b}{x_a-x_b} \cdot x+\frac{x_a \cdot y_b-x_b \cdot y_a}{x_a-x_b}\]Lorsque le vent balaie de larges surfaces de construction, des forces de frottement non négligeables peuvent se développer tangentiellement à la surface. Ces forces s’appliquent sur les surfaces parallèles au vent, dépendent de la rugosité de la surface et se déterminent à l’aide du coefficient de frottement (Cfr).
De plus, des forces de frottement se développent également sur les profilés métalliques tels que les poteaux et les arbalétriers.
Zone de sismicité
En France, les ombrières photovoltaïques ne sont généralement pas soumises aux contraintes sismiques en raison du niveau de risque relativement faible et des textes de loi qui ne requièrent pas toujours une conception parasismique pour les structures des constructions qui ne sont pas des bâtiments au sens strict des Eurocodes (équivalent à une catégorie d’importance I). Cependant, il est important de vérifier les exigences réglementaires locales et les spécifications du projet pour déterminer si une conception parasismique est nécessaire.
Il est important de noter que la conception parasismique des structures est régie par les Eurocodes 8, qui fournissent des règles et des méthodes de calcul pour la détermination des actions sismiques et la conception des structures.
Notre logiciel Eurocodes Zoning donne des détails précis sur les zones de sismicité selon la localisation géographique
Analyse de la structure
Une fois toutes les charges prises en compte, elles sont appliquées sur la structure via un modeleur avant de lancer l’analyse par un solveur de calcul mécanique. Le modeleur permet de définir la géométrie de la structure, les propriétés des matériaux et les conditions aux limites, tandis que le solveur effectue les calculs nécessaires pour déterminer les déformations et les efforts dans la structure.
Les résultats des cas de charges simples (charges permanentes, charges de neige, charges de vent) sont associés entre eux sous différentes combinaisons définies dans l’Eurocode 0. Les combinaisons de charges peuvent inclure des coefficients de sécurité partiels pour tenir compte des incertitudes liées aux charges et aux résistances des matériaux.
Conception des éléments structuraux
La conception des éléments structuraux de l’ombrière, tels que les poteaux, les poutres, les pannes et les entretoises, est réalisée en fonction des charges environnementales calculées précédemment et des caractéristiques des matériaux choisis.
Cette conception doit respecter les normes de sécurité et de performance applicables, notamment les Eurocodes. Les Eurocodes fournissent également des valeurs caractéristiques de résistance des matériaux pour différents types d’acier et de bois, ainsi que des méthodes de vérification de la stabilité et de la résistance des structures soumises à différents types de charges.
Cela consiste à vérifier que les éléments sont en mesure de résister à chacun des modes de ruine connus (cisaillement, flexion, flambement, déversement, voilement, etc.). La vérification de la résistance des éléments structuraux doit être effectuée en utilisant les méthodes de calcul spécifiées dans les Eurocodes. Les Eurocodes fournissent également des valeurs caractéristiques de résistance des matériaux pour différents types d’acier et de bois, ainsi que des méthodes de vérification de la stabilité et de la résistance des structures soumises à différents types de charges.
Si les valeurs de déformation et d’efforts dépassent les valeurs limites admissibles, il est nécessaire de renforcer la structure en ajoutant des éléments structurels, en augmentant l’épaisseur des sections ou en utilisant des matériaux plus résistants.
Effet du changement de température
Les variations de température peuvent entraîner des déformations importantes dans les structures en acier, ce qui peut affecter leur stabilité et leur résistance. Dans le cas d’une ombrière ayant une longueur supérieure à 50 m en travées de 10m, il est nécessaire d’inclure un joint de dilatation pour permettre à la structure de se dilater et de se contracter en fonction des changements de température.
Les joints de dilatation sont des dispositifs qui permettent de compenser les déformations dues aux variations de température, tout en maintenant la continuité de la structure. Les joints à glissement sont généralement préconisés.
Des poutres au vent doivent être placées de part et d’autre de ce joint de dilatation pour assurer la rigidité du plan de toiture et la stabilité des arbalétriers (en limitant leur longueur de flambement latéral). Ces poutres doivent être conçues pour résister aux efforts horizontaux dus au vent. L’emplacement de ces poutres au vent est libre sur la longueur de chaque tronçon mais il est de coutume de les placer au milieu de chaque troncon pour limiter l’intensité des efforts normaux dans les pannes.
La partie 1-5 de l’Eurocode 1 fournit des méthodes de calcul pour la conception des joints de dilatation dans les structures soumises aux variations de température.
Vérification des fondations
Les fondations de l’ombrière sont également calculées en fonction des charges structurelles et des conditions du sol sur le site. Il est essentiel de s’assurer que les fondations sont dimensionnées de manière adéquate pour supporter la charge de la structure et assurer sa stabilité (principalement son équilibre et le poinçonnement du sol). Pour cela, il est important de prendre en compte les caractéristiques du sol telles que sa capacité portante, sa compressibilité et sa cohésion.
Les fondations peuvent être de différents types, tels que des fondations superficielles (semelles), des fondations semi-profondes (puits) ou des fondations profondes (pieux, micropieux). Le choix du type de fondation dépend de la nature du sol, de la charge à supporter et de la profondeur à laquelle les fondations doivent être ancrées.
La vérification des fondations doit être effectuée conformément aux normes en vigueur, notamment les Eurocodes 7 pour le calcul géotechnique et l’Eurocode 2 pour le calcul du béton armé.
Il est également recommandé de réaliser des essais de sol avant la conception des fondations pour déterminer les caractéristiques du sol et vérifier la faisabilité du projet. Ces essais peuvent inclure des sondages, des essais de pénétration et des essais de chargement.
Bonne pratique sur la création des plans de charpente métallique
Il est important d’intégrer des perçages pour l’évacuation de la galvanisation et de faire un trou d’orientation dans les arbalétriers pour indiquer le point haut de l’arbalétrier.
Les perçages pour l’évacuation de la galvanisation permettent d’éviter la formation de poches d’air et d’humidité à l’intérieur des tubes, ce qui peut entraîner une corrosion prématurée de la structure. Il est donc recommandé de prévoir des trous d’évacuation aux extrémités des tubes et de s’assurer que ces trous sont débouchés après la galvanisation.
Le trou d’orientation dans les arbalétriers est quant à lui nécessaire pour indiquer le point haut de l’arbalétrier et faciliter le montage de la charpente. Il permet également de garantir que les arbalétriers sont installés dans le bon sens.
Il est également recommandé de prévoir des renforts (raidisseurs) et des contreventements pour assurer la stabilité de la charpente métallique. Les renforts peuvent être placés aux endroits où la structure est soumise à des charges importantes, tandis que les contreventements sont utilisés pour rigidifier la structure et éviter les déformations.
Enfin, il est important de respecter les normes et les réglementations en vigueur lors de la conception et de la fabrication de la charpente métallique. Les Eurocodes 3 fournissent des règles pour la conception et le calcul des structures en acier, tandis que les normes EN 1090 régissent la fabrication et la mise en œuvre des structures en acier.