Lorsque les navires naviguent en haute mer, ils sont soumis à un grand nombre de forces dans toutes les directions. Que ce soit les charges de vagues, les contraintes structurelles, les forces du vent ou même les forces de rotation, ces navires doivent être construits pour résister à toutes ces charges et contraintes.
La première étape pour pouvoir contrer ces charges est de comprendre la réponse du navire à chacune d’elles.
Si elles ne sont pas soigneusement surveillées, ces charges peuvent forcer le navire à voyager d'une manière imprévisible et dangereuse contrairement à la route du navire. Ainsi, il est important de comprendre et d'analyser soigneusement les différents mouvements d'un navire.
Système de coordonnées et axes de référence
Identifier un emplacement exact sur un navire peut être une tâche fastidieuse et difficile. À cette fin, les navires et les navires ont un système de coordonnées prédéterminé qui est utilisé.
L'origine du navire se situe au point où la perpendiculaire arrière et la ligne de base se croisent. La perpendiculaire arrière est une ligne verticale qui longe le gouvernail d'un navire.
Le stock de gouvernail fait référence à l'axe autour duquel le gouvernail d'un navire peut tourner. La ligne de base se réfère à l'élément structurel le plus bas qui forme la base horizontale du navire. Ces deux lignes sont imaginaires et servent simplement de lignes directrices de référence.
A partir de cette origine, les trois axes sont déterminés par les trois dimensions du navire.
L'axe X s'étend sur la longueur de la poupe vers l'avant.
L'axe des Y longe la largeur ou la poutre du navire et est positif vers bâbord.
Enfin, l'axe Z longe la hauteur du navire et est positif dans une direction ascendante.
Ces trois axes donnent une définition claire des différentes régions du navire.
Les valeurs de l'axe Z ne deviennent généralement jamais négatives car la quille du navire est censée être l'élément le plus bas.
De même, les relevés de l'axe X ne supposent jamais non plus des valeurs négatives, à moins que le navire n'ait été construit avec une poupe de croiseur qui dépasse du stock de gouvernail.
Cependant, les relevés de l'axe Y peuvent être positifs ou négatifs, selon que la position est à bâbord ou à tribord.
Les valeurs positives indiquent les emplacements côté bâbord, tandis que les valeurs négatives indiquent les emplacements côté tribord. Ainsi, en utilisant ces axes de coordonnées, nous pouvons maintenant passer à l'analyse des mouvements d'un navire et de leurs effets.
Les trois mouvements de translation des navires
Un corps qui ne fait pas face à des restrictions en mouvement peut avoir six degrés de liberté. Un degré de liberté fait référence à la capacité du corps à se déplacer librement dans ce mouvement particulier.
Ces six libertés sont divisées en deux catégories: trois degrés de translation et trois degrés de rotation.
Dans cette section, nous analyserons les trois degrés de translation résultant des mouvements du navire:
1. Soulèvement (translation verticale – axe Z)
2. Balancement (translation transversale – axe Y)
3. Chirurgie (translation longitudinale – axe X)
Regardez la vidéo sur 6 degrés de liberté:
La traduction fait référence au mouvement d'un corps tel que chaque point sur lui se déplace à la même vitesse exacte. Le long des trois axes, nous obtenons des mouvements appelés soulèvement, balancement et déferlement.
Le mouvement vertical est appelé soulèvement. Lorsque des vagues heurtent un navire se déplaçant le long de sa trajectoire, cela crée une différence dans les forces de flottabilité et de poids.
Cela a tendance à soulever le navire à une certaine section, comme le montre le diagramme. Ce déséquilibre de force entraîne un mouvement vers le haut et vers le bas communément appelé soulèvement.
Le mouvement transversal est connu sous le nom de balancement. Cela se produit spécifiquement lorsque le navire est frappé par des vagues se déplaçant perpendiculairement au mouvement du navire. Il en résulte un mouvement qui fait basculer le navire et tend à déplacer le navire entre les côtés bâbord et tribord.
Contrairement au soulèvement, la répartition des forces est relativement uniforme lors de ce type de chargement, et il n'y a pas de charges inégales. Ce mouvement d'un côté à l'autre crée des effets d'accélération et de décélération rapides qui peuvent avoir des conséquences néfastes sur le navire.
Nous aborderons ces effets dans les sections suivantes.
Enfin, le mouvement longitudinal du navire est connu sous le nom de montée subite. Cela se produit en raison de l'accélération et de la décélération rapides du navire dans une direction longitudinale qui fait basculer le navire d'avant en arrière.
Elle est causée par des vagues frappant le navire de l'avant ou de la poupe, le forçant à bondir momentanément vers l'avant ou vers l'arrière.
Lorsqu'il est combiné avec les mouvements d'un navire, ce type de mouvement peut avoir de graves implications structurelles sur l'intégrité du navire.
Les trois mouvements de rotation des navires
Dans cette section, nous analyserons les trois degrés de rotation résultant des mouvements du navire:
1. Lacet (rotation verticale – axe Z)
2. Roulage (rotation longitudinale – axe X)
3. tangage (rotation transversale – axe Y)
La rotation fait référence au mouvement d'un corps de telle sorte que différents points sur lui se déplacent à des vitesses variables en fonction de leur position.
Le long des trois axes, nous obtenons des mouvements appelés lacet, roulis et tangage. Ces mouvements de rotation résultent de couples de force installés dans différentes régions du navire.
La rotation qui se produit autour de l'axe Z qui est situé verticalement est appelée lacet. Le lacet est, en général, moins nocif que les autres types de mouvements de navire. Elle est provoquée par un couple de vagues qui agit perpendiculairement à la longueur du navire. En général, il est impossible de maintenir une trajectoire rectiligne en présence de vagues et il y a toujours une petite action de lacet sur le navire.
Cependant, avec des corrections de gouvernail appropriées, il est possible de réduire les effets du lacet. Ce type de mouvement est courant en raison des déflexions du gouvernail ainsi que des oscillations créées par un équipement de direction défectueux.
Le roulement est la rotation due à l'action des vagues, autour d'un axe longitudinal, qui équivaut à un axe parallèle à notre axe X précédemment défini. Ce type de mouvement est souvent causé par des vagues se déplaçant perpendiculairement à la direction du mouvement du navire.
Il fait référence à un roulement latéral qui se crée lorsque des vagues frappent le côté de la coque du navire. Le tangage est la rotation se produisant autour d'un axe transversal, équivalente à un axe parallèle à l'axe Y. Cette action est courante et entraîne un mouvement de haut en bas de l'avant et de la poupe du navire.
Les navires longs ont tendance à avoir des angles de tangage plus petits, souvent inférieurs à 5⁰, tandis que les navires plus courts peuvent connaître des angles de tangage compris entre 5⁰ et 8⁰. Habituellement, seule la longueur joue un rôle dans le tangage des personnages, et non les autres dimensions.
Ce type de mouvement est créé par des vagues se déplaçant dans la même direction que celle du navire. Le tangage est souvent le type de mouvement de navire le plus courant qui soit de nature rotationnelle et qui prévaut en haute mer et par mauvais temps.
Effets des mouvements majeurs des navires
Les mouvements du navire peuvent jouer un rôle majeur dans les forces portées par le navire et doivent être intégrés dans les calculs. Il peut y avoir de graves conséquences sur la stabilité, l'intégrité structurelle et les réponses des matériaux dues à ces charges. En général, les mouvements de rotation n'affectent pas considérablement le comportement et les caractéristiques du navire.
Le navire est équipé pour gérer des quantités raisonnables de charge de rotation car il s'agit d'une force centrifuge. Cependant, le mouvement de translation peut être une source de préoccupation majeure, car il entraîne la création de fortes contraintes dans la coque du navire. De plus, cela peut également nuire aux machines et à la cargaison à bord du navire.
Par exemple, pendant les mouvements de soulèvement et de flambée, il est fort probable que les conteneurs empilés à bord des navires puissent se détacher. Cela peut entraîner des dommages et des pertes de biens. Bien que le balancement soit également capable de créer des dommages, il est moins courant car il nécessite que les vagues agissent d'une certaine manière.
Habituellement, lorsque plusieurs types de mouvements agissent sur le navire, cela crée une force de torsion connue sous le nom de torsion. Cette force est responsable de la création de grandes contraintes dans la coque du navire et est plus courante dans les porte-conteneurs longs.
Lors de la conception des navires, il est essentiel que des mesures appropriées soient prises pour tenir compte des divers mouvements du navire. Il est également prudent de faire tester ces charges et leur réponse sur le navire à l'aide d'un logiciel d'analyse des matériaux.
Les principaux facteurs qui affectent le mouvement du navire et sa réponse sont la forme, la taille et le poids du navire. Ces facteurs déterminent d'autres paramètres importants tels que le centre de gravité, le centre de flottabilité et le faisceau à la ligne de flottaison. Ces facteurs hydrostatiques jouent un rôle majeur dans la détermination du comportement d'un navire ou d'un navire dans certaines conditions de chargement.
Hogging et affaissement
Maintenant que nous avons couvert les 6 principaux types de mouvements de navires, nous allons discuter deux types courants de réactions des navires pour onduler des charges: accolade et affaissement.
Ces phénomènes se réfèrent à la courbure de la forme de la coque du navire due à un déséquilibre des forces. Pendant les différents mouvements du navire, il y a parfois une différence entre les forces de flottabilité et de poids sur la longueur du navire.
Idéalement, le poids et la flottabilité devraient correspondre exactement à tous les points. Cependant, en raison des vagues, il y a de fortes chances que la valeur de flottabilité change à certains moments.
Par exemple, à la crête des vagues, la force de flottabilité est considérablement plus élevée, tandis qu'elle est faible au creux. Ainsi, au sommet, cette partie du navire est poussée vers le haut, tandis que la section de l'auge est poussée vers le bas car son poids n'est pas entièrement supporté.
Maintenant, la hogging est la condition dans laquelle la crête se produit à la section du milieu du navire, tandis que les creux se produisent de chaque côté à l'avant et à l'arrière. Ainsi, les navires fléchissent d'une manière concave à la surface de la vague.
D'autre part, l'affaissement se produit lorsque l'auge est située dans la section du milieu du navire. En raison des crêtes aux deux autres extrémités, le navire est obligé de se conformer à une forme convexe à la surface de la vague.
En raison de la nature transitoire des forces des vagues, les navires oscillent souvent rapidement entre les conditions d'affaissement et de hogging. Cela peut créer une grande vibration dans le navire qui peut causer des dommages.
En raison des charges de flexion, il est possible qu'une exposition prolongée à de telles forces puisse provoquer une fatigue du matériau et compromettre l'intégrité structurelle. La solution à ce problème est l'introduction d'éléments de support rigides dans les différentes sections du navire afin que les charges puissent être supportées et réparties de manière uniforme.
Arc évasé, poupe et claquement de fond
Il y a le 8ème type de mouvement de navire connu sous le nom de claquement.
Le claquement fait référence à la décélération soudaine d'un navire lorsqu'il heurte la surface de l'eau. Cela est généralement causé par de gros navires qui exercent des forces autour de trois parties principales du navire: l'arc évasé, la poupe et en bas.
La proue se réfère à la partie la plus en avant du navire, et la fusée est un terme utilisé pour identifier comment le faisceau du navire augmente de la ligne de flottaison jusqu'au pont du gaillard d'avant.
Les navires avec de grandes fusées sont tenus de rencontrer des conditions de chargement plus importantes en raison de leur conception globale et de leur comportement hydrodynamique. Pour contrer cela, des corrections de tirant d'eau sont apportées de manière à ce que les fusées éclairantes puissent être utilisées sans endommager la coque du navire.
Le claquement de la proue se produit lorsque la partie de quille du navire à l'avant claque soudainement dans l'eau. Il se produit lorsque le poids du navire à l'avant n'est pas soutenu par des forces de flottabilité, et tombe donc soudainement.
Le claquement d'étrave est extrêmement courant en haute mer et exerce d'énormes forces sur le navire. S'il n'est pas correctement pris en compte, il peut être une cause majeure de défaillance structurelle au premier plan.
Pour réduire convenablement ce type de claquement, des sections renforcées sont indispensables. Ceux-ci offrent une rigidité structurelle et aident à répartir les charges uniformément. De plus, en augmentant considérablement le tirant d'eau, il est possible de réduire la quantité de claquement d'arc. Ce type de claquement induit une charge si importante qu'elle peut entraîner des dommages presque irréparables et instantanés à la coque du navire.
Chaque fois que des calculs sont calculés concernant les résistances des matériaux et les propriétés structurelles, il est essentiel que les forces de claquement de l'arc soient incorporées dans les considérations de charge. Il s'agit également du type de claquement le plus courant, surtout lorsqu'il est éloigné du continent où de grosses vagues exercent d'énormes charges sur la structure de la coque d'un navire.
Le claquement de poupe est similaire au claquement d'arc, sauf qu'il se produit uniquement à la poupe. Il se produit lorsque le poids à l'arrière est soudainement déséquilibré par le manque de forces de flottabilité.
En raison des moteurs lourds, des hélices et du gouvernail, ce type de claquement peut facilement endommager les parties arrière du navire s'il se produit. La décélération soudaine est également une raison majeure de l'affaiblissement du gouvernail et des hélices.
Le claquement de poupe n'est pas aussi courant que le claquement d'étrave, compte tenu de la forme et des caractéristiques hydrodynamiques des navires conventionnels. Cependant, s'il n'est pas correctement pris en compte, il peut entraîner des défauts de structure et une fatigue du métal. Il est important de renforcer correctement la section arrière, en particulier le porte-à-faux présent sur les types de poupe de traverse et de croiseur.
Le dernier type de mouvement du navire est connu sous le nom de claquement de fond. Ceci est moins courant, étant donné qu'il a lieu lorsque la zone de quille d'un navire à la section médiane claque dans l'eau.
Cela peut se produire pendant les charges de traction et d'affaissement qui sont courantes avec les déséquilibres de poids et de flottabilité. Dans de telles conditions, le reste du navire peut être temporairement soutenu sur l'eau pendant que toute la région du milieu du navire est suspendue.
Cela peut créer une grande tension dans la coque du navire, ce qui peut entraîner des déformations permanentes et des dommages durables. Pour éviter ce type de dommage, la poutre de coque longeant le navire doit être convenablement renforcée par des éléments de charpente et d'autres éléments de répartition de la charge.
En conclusion
Les mouvements d'un navire créés par l'action des vagues peuvent avoir des impacts durables sur la coque et la structure globale. Il est important d'analyser attentivement les six principaux degrés de liberté (soulèvement, balancement, déferlement, lacet, roulis et tangage) ainsi que les charges secondaires telles que la hogging, le fléchissement et les différents types d'action de claquement.
Pour bien tenir compte de ces forces, il est important de renforcer suffisamment les différentes composantes du navire et d'avoir des éléments de soutien supplémentaires. Le point principal à garder à l'esprit lors de la conception de structures capables de résister à des charges est que toute force agissant sur la structure doit être répartie uniformément et ne pas être laissée sous forme de charges ponctuelles.
Les charges ponctuelles n'agissent qu'à un seul endroit et peuvent souvent dépasser les quantités de contrainte autorisées. D'un autre côté, en répartissant la force entre plusieurs composants structurels, il est possible de ramener la charge globale en dessous de la valeur admissible. Ainsi, avec les bonnes mesures prises, il est possible de protéger les navires et les navires contre les énormes charges créées par les divers mouvements du navire.
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