Fatigue de la coque - UTCmecagom4/MECAWEB/EXEMPLE/EX03/fatigue.pdf · En mer agitée: Si le navire...

Fatigue de la coque

Jean Marie AUZON Professeur de l’Enseignement Maritime

E.N.M.M. de Marseille

FATIGUES DE COQUE

GENERALITES

La coque d’un navire est destinée à transporter desmarchandises sur un élément liquide: l’eau. Le fait qu’unnavire flotte signifie que nous sommes en présence d’unéquilibre entre deux forces qui s’annulent.- le poids de la coque et des apparaux (navire lège) et lepoids des différentes soutes, approvisionnements et demarchandises chargées sur le navire (P.E.L.). Soit P lasomme de ces poids. La force P est verticale et dirigéevers le bas; elle est appliquée au centre de gravité (G).- la poussée de l’eau (π) ou poussée d’Archimède dirigéevers le haut et appliquée au centre de carène (C).

ππ = - P

Si l’on considère l’ensemble du navire en eau calme, lasomme des poids est équilibrée par la poussée. Mais sil’on divise la coque en tranches (transversales oulongitudinales), et que pour chacune de ces tranches onfasse le bilan des forces en présence, (poids et poussée),l’égalité de départ n’est plus vérifiée.

ππn = - Pn

Cela est dû à la forme de la carène et à une répartitioninégale des poids. Ces inégalités peuvent être amplifiéespar une mauvaise répartition du chargement, par un pland'eau agitée ou par des circonstances exceptionnellescomme le passage au bassin ou l’échouage.

Si la séparation des tranches est effective, chaquetranche aura tendance à se positionner de façonsdifférentes (assiette, enfoncement, gîte) pour retrouver

l’équilibre:

ππn = - Pn

La répartition non uniforme des poids et des pousséesprovoquent des fatigues importantes sur la coque qui setraduisent par des déformations, voire des cassures deséléments de la structure.

Les différentes forces s’exercent d’abord sur les tôles, quiforment les ponts et la coque du navire que l’on peutassimiler à une “peau”.La structure intérieure du navire, que l’on peut assimiler àun “squelette”, sert de charpente pour répartir ettransmettre les efforts entre les bordés de pont, demuraille et de fond.La qualité de l’acier, l’échantillonnage, la forme et larépartition des différents éléments de structure donnent àla coque la solidité nécessaire afin que, dans desconditions normales d’exploitation, la poutre navire resteen deçà de ses limites de déformation élastique.

LES FATIGUES TRANSVERSALES

En eau calme (au port):La pression exercée par l’eau en un point de la coque estdirectement proportionnelle à la hauteur d’eau au pointd’application de cette pression. Elle s’exerceperpendiculairement à la surface de la coque en ce point.La résultante de ces pressions en différent point de lacoque est la poussée d’Archimède, appliquée au centrede carène (C), est dirigée vers le haut et est égale aupoids du volume d’eau déplacé.Plus on s’enfonce dans l’eau, plus la pression estimportante: aussi l’échantillonnage des éléments les plusimmergés est donc plus important.Les éléments qui renforcent la coque (le bordé) sont lesvarangues, les membrures et les barrots.Le poids des apparaux ou du chargement est transmis parles éléments de structure sur lesquels ceux-ci reposent:ces éléments auront tendance à se déformer. Les barrots,les épontilles doivent empêcher la déformation desdifférents ponts.

G

P

C

ΠΠ

Exploitation 001 Auzon p 19 E.N.M.M. Marseille 99

En mer agitée:Si le navire a du roulis, la poussée exercée par l’eau surla coque n’est plus symétrique: cela engendre unedéformation (la déliaison transversale). On la combat parla mise en place d’éléments de liaison (gousset, porque etaussi cloison transversale). Notons que le navire est aussisoumis à un mouvement pendulaire mais aussi à unmouvement orbitaire (accélération de pesanteurapparente et accélération centrifuge)

.

Si le navire a du tangage, les formes avant et arrière sontsoumises successivement à la succion et à lacompression de l’eau (effet de soufflet). Des éléments destructures (tablettes, barre sèche, serre) renforcent lesparties avant et arrière (les plus éloignées du centre degravité).

Au bassin:Dans ce cas, la coque repose sur des lignes de tins et estmaintenue, pour les petits navires, par des accores. Lapoussée de l’eau est ici remplacée par la réaction des tinssur le bordé de fond. le but d’un passage au bassin estd’entretenir la coque; il faut bien avoir accès à celle-ci eton ne peut donc multiplier le nombre des lignes de tins.Ce qui provoque une répartition inégale des réactionsd’où fatigue et déformation. Ces fatigues sont cependantlimitées en allégeant le navire au maximum et enrespectant le plan d’échouage qui précise le nombre etl’emplacement des tins sous la coque.

LES FATIGUES LONGITUDINALES

En eau calme, pour l’ensemble du navire, il y a équilibreentre la poussée et le poids, mais si l’on considère unetranche quelconque du navire, cette égalité n’est plusvérifiée.Prenons l’exemple d’un navire lège:- aux extrémités, il y a excès des poids sur les poussées.A l’avant, le guindeau, les ancres et les chaînes; àl’arrière, le gouvernail, l’hélice, l’appareil à gouverner et lamachine, représentent des poids très importants qui nesont pas complètement équilibrés par les poussées (formede la carène, porte-à-faux).Dans la partie centrale du navire, toujours pour un navirelège, il y a excès de la poussée sur les poids.On représente ces poids et ces poussées par descourbes.

LA COURBE DES POIDS (P)Elle présente une allure en marche d’escalier car elletraduit une discontinuité. Les degrés les plus élevés auxextrémités correspondent aux auxiliaires de ponts et auxcompartiment machine.

LA COURBE DES POUSSEE (P)Elle est régulière puisqu’elle résulte de la forme de carène(hydrodynamique).Ces deux courbes sont orientées vers le haut.Les surfaces comprises entre chaque courbe et l’axe desabscisses sont égales: elles représentent respectivementle déplacement (son poids) du navire et la pousséed’Archimède.

LA COURBE DES MISES EN CHARGEElle est obtenue en faisant la différence algébrique desordonnées des deux courbes précédentes (excès despoids sur les poussées orienté vers le bas).Il y a égalité des surfaces positives et négatives pourl’ensemble du navire (la somme des mises en charge estnulle).Il y a égalité des surface situées de part et d’autre de laverticale passant par le centre de gravité et le centre decarène (flotteur en équilibre).

P Π

P - Π

Courbe des poids

Courbe des poussées

Courbe des mises en charge


Admettons que les différentes tranches ne soient plussolidaires: il faudrait que l’égalité “poids égale poussée”se vérifie pour chacune des tranches devenuesindépendantes. Cela se traduit dès la désolidarisation parune apparition de différence d’assiette et de tirants d’eaud’une tranche à l’autre.Cette dislocation traduit la présence de deux types decontraintes: les efforts tranchants (tendance aucisaillement entre deux tranches) et les momentsfléchissants (tendance à la flexion).

COURBE DES EFFORTS TRANCHANTS

L’effort tranchant au niveau d’une section AB du navireest égale à la somme des mises en charge de la partiesituée d’un coté de AB (sur l’arrière).L’effort tranchant est dirigé vers le bas quand il y a excèsdes poids sur la poussée dans la section considérée.

A

B

Bien entendu, de l’autre coté de AB, l’effort tranchant estégal et opposé; c’est aussi l’effort qu’il faudrait exercer surla partie arrière pour la maintenir en place si le navire étaitréellement coupé.L’effort tranchant varie en chaque point de la longueur dunavire. Le tracé de la courbe (E.T.) se fait à partir del’arrière en déplaçant la section AB vers l’avant et enadditionnant les (p - ππ) des tranches successives situéesà gauche de la section.Il est à remarquer que si l’on avait totalisé les mises encharge à droite de la section AB, on aurait trouvé unecourbe symétrique par rapport à l’axe horizontal.

En résumé:

AB(E.T.) AB = Σ0 (p-ππ)

Et pour des tranches infiniment minces:

AB

(E.T.) AB = (P-ΠΠ)0

La courbe des efforts tranchants est l’intégrale de lacourbe des mises en charge.

P - Π

E.T.

COURBE DE MOMENTS FLECHISSANTS

Le moment fléchissant par rapport à une section AB est lasomme des moments par rapport à AB des mises encharge des tranches situées d’un coté de AB.

A

B

l0 = 3λ

l1 = 2λ

l2 = λ

(p-π)0 (p-π)1

(p-π)2

Μ t AB = l0(p-ππ)0 + l11(p-ππ)1 + .....+ lnp-ππ)n

Μ t AB = λ Σ0 (E.T.)

AB

et en considérant des tranches infiniment minces

Μ t AB = λ (E.T.)AB

0

La courbe des moments fléchissants est l’intégrale de lacourbe des efforts tranchants.Pour un navire lège, les moments se traduisent par del’arc. Un navire chargé aura tendance a avoir du contre-arc. Mais pour de grands navires, les momentsfléchissants peuvent changer plusieurs fois de signe, cequi se traduit par des efforts importants au niveau deséléments longitudinaux de la structure du navire (quilletubulaire, carlingue, hiloire, lisses).

Mt fl


En mer agitée:Il suffit de reprendre les différentes courbes et de voir cequ’elles deviennent quand le navire chevauche une houlede longueur égale à celle du navire.La courbe des poids ne change pas mais la courbe despoussées varie en fonction de la position du navire sur lahoule. La courbe des mises en charge va donc semodifier. Il en est de même pour les efforts tranchants etles moments fléchissants qui peuvent alors atteindre desvaleurs dangereuses pour la structure du navire. Onretrouve le même résultat quand le navire a un tangageimportant.

Sur houle croisée, le navire peut subir des poussées desens contraire: ce qui le soumet à des torsionstransversales alternatives. On peut enfin citer les “coupsde butoir” et les “coups de ballast”.

Crête Creux Crête

Houle

SOLIDITE DE LA COQUE

Les règles concernant la solidité de la coque sontentièrement sous-traitées par les sociétés declassification. En France, le Bureau Véritas prescrit dansson règlement, “Construction des navires en acier”, uncertain nombre de règles qu’il faut respecter pour que lenavire soit coté et que sa cote soit maintenue.Ces règles concernent:- les critères de résistance;- l’examen des plans;- la qualité des matériaux;- l’échantillonnage;- la protection contre la corrosion;- les épreuves et les essais.

Une fois le navire construit, il faut communiquer auxexploitants les informations, qui leur permettront des’assurer que les contraintes admissibles ne sont pasdépassées en mer comme au port.

LE MANUEL DE CHARGEMENT

Il contient un certain nombre de chargements types pourlesquels le navire a été conçu et calculé:- les résultats des calculs des efforts tranchants et desmoments fléchissants (conditions de départ et d’arrivée);- les valeurs maximales admissibles des E.T. et des M.F.;- les charges maximales admissibles pour lesquellesl’échantillonnage des différents ponts a été calculé.Ce manuel de chargement ne donnent que des résultatsd’un navire chargé (ou sur ballast) pour quelques castypiques de chargement. Pour des chargements différentsou simplement pour des phases intermédiaires dechargement, rien n’est précisé.

LE CALCULATEUR DE CHARGEMENT

C’est aujourd’hui un micro-ordinateur d’un type approuvédoté d’un logiciel approprié (les conditions d’approbationont été précisées en 1984 par l’A.I.S.C.).Le Bureau Véritas l’a rendu obligatoire pour:- les navires de charge et porte-conteneurs ayant delarges ouvertures sur pont.- les navires de charge, vraquiers, pétroliers de plus de 65m pouvant charger des marchandises en cales alternées.- les transports de produits chimiques et de gaz liquéfiésde plus de 65 m.

Le calculateur de chargement est une aide précieuse àcondition d’y introduire les données qui correspondentexactement au chargement réel et en ayant à l’esprit queson programme correspond à un navire neuf.A noter que les calculateurs de chargement fournissentégalement tous les éléments de stabilité du navire.

Entrée clavier:- Chargement, existant (pi, xg, yg, zg),

Capteurs: (Options)

- Ullage, pression, température, densité;- Te;- contraintes locales (torsiomètres).

Calcul Port/ MerAssiette, Gîte;Tirants d’eau;Arc, Contre-arc; Déplacement;Gm, GMET (%), MF(%)

Deux conditions pour qu’une proposition dechargement soit acceptée:- le navire satisfait aux conditions édictées par unesociété de classification;- les efforts tranchants et fléchissants au port ne

7

:=) 4



Application numérique

Pour simplifier le problème, on choisit un chaland de forme parallélépipède rectangle dont les caractéristiques sont:Longueur: L= 100 m Largeur B = 20 m creux D = 10 mDéplacement Lège Dl = 1000 tIl est composé de 10 citernes identiques numérotées de 1 à 10, accolées dans le sens de la longueur.L’épaisseur des cloisons et du bordé est supposée négligeable.On a:

Volume total = 20 000 m3

Volume d’une citerne = 2 000 m3

Poids d’une citerne = 100 T

Tirant d’eau lège (ED) = Dl/ L.B = 0,50 m

On va étudier les divers cas de chargement pour 6 citernes pleines d’eau douce réparties symétriquement par

rapport à la perpendiculaire milieu afin d’avoir une assiette nulle.

Il en résulte:

P.E.L. = 12 000 T

Déplacement en charge = 13 000 T

T.E. en charge = 6,50 m

Admettons que le moment fléchissant maximum admissible soit:

Mt.= P.L/ 30 = 43 333 T.mOn notera que le remplissage symétrique par rapport à la P.P.M assure aussi des conditions de stabilitélongitudinale et transversale identiques dans tous les cas.

P.P.M

En charge

Lège

P.P.M

P.P.M

P.P.M

P.P.M

P.P.M

P.P.M

P.P.M

P.P.M

P.P.M

P.P.M

Cas 1 Cas 1 bis

Cas 2

Cas 3

Cas 4

Cas 5

Cas 2 bis

Cas 3 bis

Cas 4 bis

Cas 5 bis


CAS N° 3

Les citernes n° 1,2,5,6,9 et 10 sont pleines.Les autres sont vides.

1 2001 300

100

800

1 6002 100

800

800

1600

400

- 800

- 400

- 1600(P)

(P-Π)

(P-Π)

(Π)(P)

(E.T.)

(Π)

MF

20 000 Tm

26 666 Tm MF

Citerne n1 n2 n3 n4 n5Poussée -1300 -1300 -1300 -1300 -1300Poids 2100 2100 100 100 2100Poids - Poussée 800 800 -1200 -1200 800

0 800 1600 400 -800 0Xg/PPM 45,0 35,0 25,0 15,0 5,0MF 36000 28000 -30000 -18000 4000 20000

E.T

MF par rapport à la PPM x= 50 m

Conclusion- Le moment fléchissant maximum se trouve dans la citerne n°4;- le navire travaile en arc car le moment fléchissant maximum est positif (excès de poids sur les poussées aux extrémités;- Le moment fléchissant n’atteint pas le moment admissible (43000 Tm), ce cas de chargement est donc acceptable.

Citerne n1 n2 n3 n4Poussée -1300 -1300 -1300 -433,33Poids 2100 2100 100 33,33Poids - Poussée 800 800 -1200 -400

0 800 1600 400 -0Xg/PPM 45,0 35,0 25,0 18,3X mf=0 -16,7 -16,7 -16,7 -16,7X g /X mf=0 28,333 18,333 8,333 1,6663MF 22666 14666 -9999 -666 26666

E.T.

MF par rapport à x= 33,33 m


CAS N° 4bisLes citernes n° 2,4,5,6,7 et 9 sont pleines.Les autres sont vides.

Conclusion- Le moment fléchissant maximum se trouve au niveau de la PPM.- le navire travaile en contre-arc car le moment fléchissant maximum est négatif (orientation de la courbe des E.T. tournée vers le haut dans sa première moitié);- Le moment fléchissant est très voisin du moment admissible (43000 Tm), ce cas de chargement est donc plutôt déconseillé.

Citerne n1 n2 n3 n4 n5Poussée -1300 -1300 -1300 -1300 -1300Poids 100 2100 100 2100 2100Poids - Poussée -1200 800 -1200 800 800

0 -1200 -400 -1600 -800 0Xg/PPM 45,0 35,0 25,0 15,0 5,0MF -54000 28000 -30000 12000 4000 -40000


0 -1200 -400 -1600 -800 0Xg/x=30 25,0 15,0 5,0 0,0 0,0MF -30000 12000 -6000 0 0 -24000


0 -1200 -400 -1600 -800 0Xg/x=20 15,0 5,0 0,0 0,0 0,0MF -18000 4000 0 0 0 -14000


0 -1200 -400 -1600 -800 0Xg/x=10 5,0 0,0 0,0 0,0 0,0MF -6000 0 0 0 0 -6000

E.T

1 2001 300

100

800

1 6002 100 (P)

(P-Π)

(Π)(P)

(Π)

MF

MF

(P-Π)

(E.T.)

M.F.


CAS N°5Les citernes n° 1, 2, 3, 8, 9, 10 sont pleines.Les autres sont vides.

Conclusion- Le moment fléchissant maximum se trouve au niveau de la PPM.- le navire travaille en arc car le moment fléchissant maximum est positif (orientation de la courbe des E.T. tournée vers le bas dans sa première moitié);- Le moment fléchissant dépasse le moment admissible (43000 Tm), ce cas de chargement est donc à rejeter.

Citerne n1 n2 n3 n4 n5Poussée -1300 -1300 -1300 -1300 -1300Poids 2100 2100 2100 100 100Poids - Poussée 800 800 800 -1200 -1200

0 800 1600 2400 1200 0Xg/PPM 45,0 35,0 25,0 15,0 5,0MF 36000 28000 20000 -18000 -6000 60000


0 800 1600 2400 1200 0Xg/x=30 25,0 15,0 5,0 0,0 0,0MF 20000 12000 4000 0 0 36000


0 800 1600 2400 1200 0Xg/x=20 15,0 5,0 0,0 0,0 0,0MF 12000 4000 0 0 0 16000

E.T


0 800 1600 2400 1200 0Xg/x=10 5,0 0,0 0,0 0,0 0,0MF 4000 0 0 0 0 4000

E.T.

1 2001 300

100

800

2 100 (P)

(P-Π)

(Π)(P)

MF

(P-Π) (E.T.)

MF

(Π)

Fatigue de la coque - UTCmecagom4/MECAWEB/EXEMPLE/EX03/fatigue.pdf · En mer agitée: Si le navire...

Documents

Transcript of Fatigue de la coque - UTCmecagom4/MECAWEB/EXEMPLE/EX03/fatigue.pdf · En mer agitée: Si le navire...