Ch04.pdf

ZORKANI Mohammed Département d’HydrauliqueE.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-1 Chapitre 4 Amarrage d’un navire à son poste à quai La locution « amarrage » désigne l’opération dans laquelle les amarres d’un navire sont disposées de sorte qu’elles lui assurent une tenue à poste en toute sécurité durant les opérations de déchargement & chargement. Les figures suivantes montrent schématiquement les divers configurations des amarres pour assurer la stabilité du navire à son poste à quai : Les ondes infra - gravités (de périodes fondamentalement entre 25 & 300s) engagent des oscillations de grandes périodes 1 à 10mm (ondes de seiches portuaires). Si la période naturelle du navire correspond à un mode portuaire résonnant et si en plus le navire accoste proche d’un nœud des mouvements abusifs du navire ont lieu : ce qui empêche la charge ou la décharge du navire pendant plusieurs jours (ce qui pose un problème de gestion du port en question et perte économique énorme). Un navire qui accoste à un quai peut être décrit par le mouvement d’un système mécanique à un degré de liberté: les réponses & les excitations sont supposées linéaires (forces dues au changements de positions et de vitesses). La force d’excitation est celle de Drag que l’eau en mouvement exerce autour du navire. On admettant que le mouvement du navire est indépendant des autres direction et que le frottement est négligeable pour les basses fréquences du mouvement du navire. La période naturelle solution de l’équation du pendule non amortie est : tot v s k M 2π = Τ où = v M masse virtuelle du navire [la somme de la masse (M) effective du navire < y compris la charge (marchandises...) > « ou déplacement du navire » et la masse ajoutée ( / M ) due aux effets des forces d’inertie de l’eau entraînée par le navire] : / v M M M + = L'équation de mouvement du navire de masse M est : ( ) R F t d V d M M s / − = + où (V s ) est la vitesse du navire par rapport à l'eau, (F) la force motrice résultante et (R) force résistante au mouvement du navire et / M la masse ajoutée (car une certaine masse d'eau est également mise par le navire en mouvement ). On a pour un navire accosté : M % 15 M / ≈ ⇒ M 15 , 1 M v = ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-2 Le système d’attache d’un navire accosté est constitué de plusieurs câbles ou cordes ; mais seul ceux sous tension sont à considéré pour calculer le coefficient de raideur ( tot k ) donné par : ∑ ϕ θ = n n n n tot cos sin k k où • = θ n l’angle que la ligne de corde fait avec la perpendiculaire au navire dans le plan horizontal. • = ϕ n l’angle que la ligne de corde fait avec l’amarre et le navire dans le plan vertical. Pour un câble (ou une corde) dans lequel le fléchissement est négligeable et les déflexions sont faibles le coefficient de raideur individuel est donné par l’expression : n n n k l ∆ Τ = où = Τ n la tension axile (ou la charge) du câble numéro n. = ∆ n l l’allongement du câble. n k dépend du type de matériau utilisé pour concevoir le câble et de son vieillissement (dépendant de sa fréquence d’usage et es conditions de l’environnement naturel, qui sont responsable d’une perte d’élasticité du câble : effet de plasticité). Voici des données obtenues par des mesures sur des câbles commerciaux : = ε n pourcentage d’élongation n n 100 l l ∆ ≡ n ε ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-3 Traversier avant Amarre en belle Garde montante avant Garde montante arrière Traversier arrière Pointe arrière Empêche le navire de s’écarter du quai Empêche le navire de s’écarter du quai Etant donné qu’un navire est solide il possède donc 6 degrés de liberté Gardes montantes Traversiers Amarres de pointe La longueur d’une corde est déterminée entre le bollard à terre et le treuil du navire. TREUIL BOLLAR D VUE EN PLAN Pour un amarrage sûr le long d’un quai un navire est toujours tenu par 6 amarres : 3 à l’avant et 3 à l’arrière 1 et 6 : pointes AV et AR (tendant à empêcher le navire de reculer ou d'avancer) 2 et 5 : traversiers AV et AR (les traversiers empêchent le navire de s’écarter du quai). 3 et 4 : gardes montantes AV et AR (tendant à empêcher le navire d'avancer ou de reculer) x xx x y yy y z zz z { {{ { | || | } }} } Amarre de point AV Traversier AV Traversier AR Gardes montantes Amarre de point AR Axe longitudinal du navire défonce ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-4 Les conditions d’un bon amarrage sont : • L’amarrage doit être symétrique : les amarres devront être disposées autant que possible symétriquement par rapport au navire et au poste d’accostage. • Les amarres qui remplissent les mêmes fonctions devront quasiment avoir la même longueur (mesurée entre le treuil du navire et le point d’amarrage) et les mêmes caractéristiques. • Un amarrage doit être homogène (cohérent) c’est – à – dire de manière approchée la condition de rupture doit se retrouver en même temps sur les divers amarres sollicitées, pour éviter que tout l’effort ne porte sur l’amarre la plus tendue qui cassera ainsi. • Les angles longitudinaux formés par les amarres et la murailles du navire doivent être les plus faibles possible (10 à 15° constituent un idéal) • Les angles verticaux entre les amarres et le quai doivent si possible être de l’ordre de 25°pour les traversier s et gardes montantes. Ordre de grandeurs des angles formés par les amarres Les différentes types d’amarre présentent un fonctionnement différent en statique et en dynamique. Sa complexité structurelle se manifeste en dynamique par des boucles d’hystérésis (hystérésis est un retard de l’effet sur la cause : comportement élasto – plasticité ce qui d’un point de vu rhéologique résulte du fait que le matériau subit une perte de mémoire sous l’effet des contraintes importantes de l’énergie mécanique et convertie en chaleur d’où un échauffement du câble) et des réformations rémanentes variables avec la période et l’amplitude. 25° 25° ANGLES VERTICAUX Ligne d’eau ° 15 ° 15 ° 15 ° 15 Axe transversal de symétrie Axe longitudinal de symétrie du navire ANGLES LONGITUDINAUX ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-5 Rappel en Mécanique des Milieux Continus : MMC Etude des cordes peu déformables : voir Ch01 de mon cours MMC Soit une éprouvette sollicitée par une machine á attraction qui imprime á cette éprouvette une dilatation linéaire : 0 0 100 l l l − = ε pourcentage d’élongation L’allongement se fait á température constante et l’intensité (F) de (F r ) augmente lentement. Soit ( 0 S ) la section initiale de la corde (câble). • La déformation résiduelle OB diminue dans le temps. • L’élasticité est dite complète s’il n’y a pas de déformation permanente. • L’élasticité est dite idéale ou parfaite lorsqu’il n’y a pas de déformation résiduelle : quelle que soit la vitesse de charge et de décharge donc on a un phénomène réversible. • Dans le cas de / AA il y a une déformation permanente et / OB est appelée la déformation plastique (elle est irréversible), bien que le cycle / / / L B A est un cycle d’histérysise. On peut définir la résistance d’un matériau (RDM) comme le rapport de la charge de rupture à la section : ce rapport est une contrainte. • Modélisation approchée de l’effet hystérésis d’un câble artificiel : En première approximation on peut simuler une amarre par des courbes linéaires qui passent par l’origine comme suit : ε / A / L L / B O B σ = = 0 S F contrainte Dilatation linéaire Seuil de plasticité Diagramme de charge Diagramme de décharge (Irréversibilité) déformation plastique Diagramme de décharge Déformation résiduelle A / A de décharge on % F r F r − 0 S 0 l CABLE Différents types d’amarres : • Câbles d’acier • Cordages en fibres textiles • Cordage en fibres artificielles ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-6 Une corde (câble) est caractérisée par son coefficient de raideur (k) : l l d d Ε = σ (loi de Hooke) : l l ∆ σ ∆ = ∆ = o S F k ⇒ l l ∆ σ ∆ = ∆ = o rup rup rup S F k la longueur rémanente (ou résiduelle) est : 2 55 , 0 rup res l l ∆ ≈ ∆ Rappel: Formalisme et données numériques sur la dilatation des solides Le coefficient (χ) de dilatation cubique est : « T température » F T V V 1 | | ¹ | \ | ∂ ∂ ≡ χ où (F) tension appliquée au câble (à la corde) Le coefficient de dilatation linéaire est : F T 1 | | ¹ | \ | ∂ ∂ ≡ γ l l d’où ⇒ γ ⋅ = | | ¹ | \ | ∂ ∂ l l F T ( ) T 1 o ⋅ γ + = l l Dans un solide isotrope le coefficient de dilatation cubique χ χχ χ est égal à 3 fois le coefficient de dilatation linéaire γ γγ γ, on a donc : γ ⋅ = χ 3 avec ( ) ( ) T 3 1 V T 1 V V o o ⋅ γ + ≈ ⋅ χ + = Données numériques du coefficient de dilatation linéaire χ χχ χ : ♦Zn : 24.10 -6 deg -1 ♦Al : 18.10 -6 deg -1 ♦Ag : 17.10 -6 deg -1 ♦Cu : 14.10 -6 deg -1 ♦Laiton : 20.10 -6 deg -1 ♦Fe : 09.10 -6 deg -1 ♦Acier : 10.10 -6 deg -1 ♦Pt : 09.10 -6 deg -1 ♦Verre : 08.10 -6 deg -1 On utilise souvent des amarres d’acier pour la fixation longitudinale et en polypropylène pour la fixation à quai des navires porte – conteneurs. où Ε Module élastique de Young F r Simplification de la courbe de fonctionnement d’une amarre 2 55 , 0 rup l ∆ 2 rup l ∆ o r rup l l l − = ∆ o 0 100 l l l l ε = − = ∆ o S F contrainte ≡ σ = N rup critique σ = σ Rupture Contrainte limite (rupture) r 55 , 0 σ = σ F l’effort de tension sur l’amarre S o section statique de l’amarre o l longueur statique la l’amarre l longueur dynamique de l’amarre Déformation résiduelle Marche Nominal 55% de la contrainte (force) de rupture ( ) c c o c 1 S S critique corde la de Section l α − = = Restriction Relation contrainte – déformation ou permanente Comportement Elastique l Ε = σ ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-7 Signalons que la dilatation des solides provient de l’anharmonicité des vibrations et que (χ χχ χ) est essentiellement positif pour un solide. Voici quelques indications à température ordinaire : diamant : 2.10 - 6 deg - 1 ; quartz : 34.10 -6 ; silice :1,5.10 - 6 ; CO 2 : 850.10 - 6 ; glace : 1150.10 - 6 .... N.B. : En réalité si le matériau (du tube) est soumis souvent à une tension (F) il faut en tenir compte par le billet du module de Young du matériau ( Ε) de fabrication du câble : ( ) ;... F , T l l = ⇒ dF F dT T d T F | | ¹ | \ | ∂ ∂ + | | ¹ | \ | ∂ ∂ = l l l Les 2 dérivées partielles introduites se déduisent du coefficient de dilatation linéaire (γ) et du module d’YOUNG ( Ε) de la substance de fabrication du câble. Rappelons que le module d’YOUNG moyen s’écrit : Ε ⋅ = | | ¹ | \ | ∂ ∂ ⇒ | | ¹ | \ | ∂ ∂ = | | | | | ¹ | \ | ( ¸ ( ¸ ∆ ( ¸ ( ¸ ∆ = ( ¸ ( ¸ ≡ Ε → ∆ S F F S S F T F T T où ' d 0 L provoquée la qui tube du longueur la de relative iation var tion sec de unité par tention la de iation var ite lim l l l l l l Par suite : dF S dT d Ε ⋅ + ⋅ γ ⋅ = l l l finalement : ( ) dT S d S dF Ε ⋅ ⋅ γ − | ¹ | \ | Ε ⋅ = l l Notons que si le coefficient de dilatation linéaire γ est nul (soit un effet de dilatation thermique négligeable : déformation isotherme) on retrouve la loi de Hooke valable pour les faibles élongations du câble : l l d S dF | ¹ | \ | Ε = c'est - à - dire : dx que tel dx = o o 〉〉 ± l l l , où o l est la longueur du câble au repos. © Données numériques du module d’Young de quelques matériaux : Mpas 200000 dyne/cm 10 2 2 12 nickel = ⋅ ≈ Ε 2 10 acier Kg/m 10 2⋅ ≈ Ε -2 9 -2 4 eau m 10 15 , 2 g.cm 10 07 , 2 ⋅ Ν × ≈ Κ ⋅ ≈ Ε Mpas 2758 Y PVC ≈ Mpas 90000 Y fonte ≈ .... dF l d l S F ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-8 Les caractéristiques des amarres en acier et en polypropylène sont : Matériau Acier Polypropylène Force de rupture 61 97 ( ) ruprure l l ∆ 0,03 0,44 Poids métallique ( ) m Kg 5,5 2,4 m en l ∆ tons en F 50 100 150 1 2 3 4 F R = 122 F N = 67 2,65 Câble en acier N R 0,8 1,5 m en l ∆ tons en F 50 150 200 4 8 12 16 F R = 194 F N = 107 2,65 Câble en polypropylène N R 14,5 22 ASSISE EN PIERRES Tout venant REMBLAI - 12 m 4,5 m - 16 m Roches de 3 à QUAI EN BLOCS de L’ANCIEN PORT DE TANGER ENROCHEMENT DE 10 à 100Kg filtre Il faut étudier la stabilité monolithique : • Au glissement • Au reversement • Au poinçonnement ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-9 • Voici un ordre de grandeur des tensions d’amarrage : Espacement des Bollards est de 20m déplacement Traction par ligne de BOLLARD en Tonne 002 000 010 000 020 000 100 000 200 000 010 030 060 100 150 & voici également la charge de rupture : Tonnage du navire en Tonne Diamètre des câbles en mm Charge de Rupture en Tonne 01 000 02 000 03 000 04 000 05 000 07 500 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000 18 20 22 24 26 30 32 36 40 44 48 52 56 021 024 028 037 046 057 069 083 097 112 138 160 184 Amarrage Accostage PIVOTEMENT GLISSEMENT ENROCHEMENTS REMBLAI ORDINAIRE PORTIQUE, GRUE .... GRAND GLISSAMENT SOUS – PRESSION Bollard d’amarrage Bollard & défonce ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-10 ACCOSTAGE ACCOSTAGE ACCOSTAGE ACCOSTAGE Ι ΙΙ Ι) - Pré – dimensionnement : Ι.1) Efforts appliqués : • 25 à 30 t/ml sur les quais • 200 à 300 t/ml sur les ducs d’Albe Ι.2) Energie absorbée par les défenses : 1,5 à 5t par milliers de tonnes de port en lourd ΙΙ ΙΙ ΙΙ ΙΙ) Notions Théoriques : Ε = Ε n + Ε e Ε n = énergie navire (d’accostage du navire) = 2 V g D 2 1 Ε e = énergie eau = 2 2 V B g 03 , 1 4 h 2 1 π où ♦ = D Déplacement = (Port en lourd + Port à vide) ♦ = h tirant d’eau ♦ = B Largeur du navire ♦ = V Vitesse d’approche du navire de l’ouvrage d’accostage Vitesse (V) d’approche en (m/s) Conditions météorologiques Approche < << < 1000 tdw de 1000 à 5000 tdw de 5000 à 10000 tdw Navires plus grandes Vent fort et houle Vent moyen et houle Vent modéré et houle Protégée Difficile Favorable Modéré Favorable 0,75 0,60 0,45 0,20 0,55 0,45 0,35 0,15 0,40 0,30 0,20 0,10 0,30 0,20 0,15 0,10 L’énergie absorbée par une défense : Ε D = Κ Ε = Κ ( Ε n + Ε e ) où Κ = C 1 × C 2 × C 3 • C 1 varie de 1 à 0,2, il caractérise l’emplacement du choc : pour choc au centre (C 1 = 1) & pour choc à l’extrémité (C 1 = 0,25) • C 2 caractérise le type de quai : ­ C 2 = 1 pour un quai ouvert ­ C 2 = 0,8 pour un quai plein Défense QUAIS G a ( ) ( ) 2 2 2 1 a 3 2 3 2 C + Λ Λ ≈ Λ Eau ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-11 • C 3 caractérise le type de coque : ­ C 2 = 1 pour un coque rigide ­ C 2 = 0,9 à 0,95 pour un quai plein La déformation (δ) de la défense est donnée par : Ε D = Κ Ε = Κ ( Ε n + Ε e ) ≈ 2 1 F D × δ Ducs d’Albe Une duc d’Albe (ou Dolphin) consiste en des pilotis (poteaux en bois, tubes d’acier, blocs de ciment...) ancrés dans le sol du bassin sur lequel un navire peut amarrer : QUAIS SUR PIEUX Les structures sur pieux sont utilisées dans de nombreux types d’ouvrage allant des appontements avec ducs d’Albe aux quais continues. Ils sont adaptés à la construction des appontements ne nécessitant pas de soutènement. Ces ouvrages comportent plusieurs files de pieux foncées dans le sol dont l’espacement est de l’ordre de 5 à 8m. une file de pieux doit être en particulier prévue au droit des voies de roulement des portiques. Ces pieux ont rôle de reporter les charges verticales dans les couches profondes du sol de bonne qualité. Ils sont généralement constitués de Tubes métalliques Défonce d’accostage SOL 1507 - 1582 Général et homme d’état espagnol Ferdinand Alvarez de Tolède (Duc d’Albe) Eau ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-12 tubes d’acier qui sont éventuellement remplis de béton après fonçage pour faire transiter des efforts normaux importants. Pour reprendre les inévitables efforts horizontaux liés à l’exploitation du quai (navires, portiques,...) un soutènement avant ou arrière peut se révéler inévitable et nécessaire et certains pieux peuvent être inclinés. PHE PBE Rideaux QUAI SEMI – OUVERT PHE QUAI OUVERT CORROSION des PIEUX Protection par un revêtement en peinture (EPOXY) CORROSION an mm 1 , 0 ≤ an mm 2 , 0 à 1 , 0 de an mm 1 , 0 ≤ enterrée dans l’eau hors eau ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-13 PHE QUAI OUVERT À ÀÀ À ETALEMENT ARRIERE QUAI FERME ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-14 APPENTEMENT : plan général COUPE A – A : TIRANTS PIEUX APPONTEMENT PASSERELLE 15 67 +11 000 -12 Pieux Φ ΦΦ Φ914 Φ ΦΦ Φ600 A NAVIRE de 85000 tpl NAVIRE de 85000 tpl A Pile central VUE EN PLAN c – à – d Horizontale Coupe (A – A ) : transversale ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-15 Appontement Méthanier Navires dit GLN équipés de cuves cryogéniques pour le transport de méthane à (– 162 o ) Ouvrages d'accostage sur sol de bonne portance Lorsque le sol de fondation offre une bonne résistance (sols rocheux, galets, sable compact), les quais sont réalisés sous forme d'ouvrages massifs capables de résister aux efforts horizontaux (vers la terre, causés par l'accostage des navires et vers le bassin, provoqués par la poussée des remblais et l'amarrage des navires) et aux efforts verticaux dus à leur poids propre. Méthanier (ou pétrolier) Chemin d'accès Chemin des conduites Sea - line (conduite flexible) Réservoir ⊗ pompes Flotteur Défenses Site Internet → Planète TP : Ministère de l’Ecologie, de l’énergie, du Développement durable et de l'Aménagement du territoire FRANCE ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-16 Ouvrages d'accostage sur sol de faible portance Les différents systèmes mis en œuvre quand le terrain naturel n'offre pas de bonne qualité : ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-17 • Extension extérieure du port du Havre (FRANCE) : 2000 Le quai extérieur concerne quatre nouveaux postes à quais en eau profonde, pour une longueur totale de 1602 m. VUE en COUPE du NOUVEAU QUAI ZORKANI Mohammed Département d’Hydraulique E.H.T.P. Chapitre 4 : Amarrage d’un navire 4-18 Gaz Naturel Liquéfié Navire Transporteur de GNL « Méthanier » : Ce navire a une longueur hors tout = 277m une largueur = 43,40m Quantité maximale qu’il transport = 134230 m 3 de GNL à (-163°C) Vitesse maximale de croisière = 19,5 nœuds Durées de chargement ou de déchargement au terminal gazier ≈ ≈≈ ≈ 12 h Il contient 4 cuves Le GNL est à peu près deux fois plus léger que l’eau. N.B. : à (-161°C) sous une pression d’une atmosphère le méthane se liquéfie. Méthanier algérien