VERISTAR HULL, UN SYSTEME INTEGRE DE SUIVI DE L`ETAT

VERISTAR HULL, UN SYSTEME INTEGRE DE SUIVI DE
L’ETAT STRUCTUREL DES NAVIRES
Par
Mireille FRANCO
Martin NIEUWENHUIJS
Division Marine de Bureau Veritas
SOMMAIRE
Le marché mondial demande de plus en plus une « containerisation » des marchandises.
L’introduction des nouveaux VLCC (Very Large Container Carriers, des navires allant jusqu’à 10000
boîtes) et l’intérêt croissant pour les ULCC (des unités dépassant les 10000 TEU) sont justifiés par la
rapide absorption par le marché de ce nouveau volume de charge et par le fait que les navires sont
toujours chargés à 100% de leur capacité. De plus, des études démontrent qu’il est possible de réduire
le prix par TEU en construisant des navires plus grands.
Sachant que la capacité des terminaux à accueillir ces VLCC et ULCC, et à les charger et décharger
dans un délai acceptable, a déjà évolué au-delà des besoins réels actuels (fig. 1) et que depuis la
construction du premier porte-conteneurs de 6200 TEU en 1999, les chantiers, en particulier les
chantiers asiatiques, ont la capacité de construire des unités de plus en plus grandes, il ne reste que des
problèmes de design à surmonter.
Si des navires de 10000 TEU sont actuellement en construction, des unités de 12000 / 13000 TEU
sont proposées aux armateurs par des chantiers coréens et des études sur des unités encore plus
grandes sont déjà envisagées.
Il faut considérer plusieurs points d’étude : l’échantillonnage de la coupe au maître, la flexion de la
poutre navire, la réponse à la torsion, aux vibrations, etc., sans oublier les exigences des sociétés de
classe, ainsi que celles des ports en ce qui concerne le tirant d’eau qui peut être une condition très
restrictive car ne dépassant pas les 15 m dans la plupart des cas.
Tout cela demande des navires de plus en plus longs, et même de plus en plus larges, sans pour autant
augmenter leur tirant d’eau.
1
Une étude menée en 2001 par Knud E. Hansen à la demande de Bureau Veritas arrivait à des
conclusions très intéressantes pour résoudre les problèmes de structure et de propulsion dans un porteconteneurs de 12500 TEU.
Depuis, de nombreuses autres études ont été faites. L’évolution des critères et des résultats par rapport à la
situation en 2002 des Très Grands Porte-conteneurs est la base de ce document où des conclusions particulières
seront exposées.
2
1
LE SYSTEME VERISTAR HULL
L’histoire des porte-conteneurs est très courte car le
premier bateau à porter des boîtes fut le IDEAL X en
1956.
Il transportait 58 boîtes sur son pont.
Actuellement, des études sont menées pour le design
de porte-conteneurs allant jusqu’à 12500 boîtes pour
un avenir à moyen terme.
Entre 2003 et 2005 les progressions ont été
vertigineuses. Si en 2004 une commande pour un
porte-conteneurs de 9200 TEU a été signée avec un
chantier coréen, en 2005 la collaboration entre deux
sociétés de classe et un chantier asiatique permet de
parler d’unités de 12000 TEU. Aujourd’hui tout le
monde parle déjà d’unités à 14000 TEU comme le
prochain pas.
L’évolution de la capacité de chargement des navires
a obligé l’étude et l’évolution future de nombreux
autres sujets : le stockage des boîtes,
l’échantillonnage, la propulsion, la capacité des
ports...
2
LES SOLUTIONS A TROUVER
A chaque fois que la taille du navire a été agrandie, il
a fallu un nouveau design et à chaque nouveau
design il a fallu reconsidérer certains « points clé »
du navire.
Depuis les choses ont beaucoup évolué.
En 1968, le ELBE EXPRESS transportait déjà 730
boîtes, c’est-à-dire plus de 10 fois plus en 10 ans. Et
rien que 13 ans plus tard, le FRANKFURT EXPRESS
chargeait autour de 3400 TEUs.
L’évolution n’a pas été linéaire : en 1991 la capacité
de chargement avait atteint les 4400 TEU et cinq ans
plus tard les 6700, avec le REGINA MAERSK.
2.1
2.1.1
Design structurel
LA SECTION TRANSVERSALE
Dans l’étude de Bureau Veritas menée en 2001 pour
un navire de 12500 TEU, trois solutions ont été
envisagées :
A. avec un surbau d’écoutille et un seul
conteneur sur le pont
B. avec un surbau d’écoutille mais avec deux
conteneurs hors écoutille
C. sans surbau d’écoutille
La solution A correspond au design traditionnel mais
la valeur du module de résistance étant insuffisante,
le design a été refusé.
La solution B ne permettant pas d’avoir le nombre
désiré de boîtes a été également refusée, malgré la
bonne qualité de la résistance longitudinale et la
rigidité à la torsion.
En 2001, le HAMBURG EXPRESS fut le premier
navire à pouvoir naviguer avec 7500 TEU. Il fut
battu par le navire OOCL SHENZHEN (8060 boîtes)
en 2003.
3
et légers car ils sont supportés par des hiloires de
panneaux sans bords libres.
Maintenant, pour les Post Panamax il y a
normalement un design de cale ouverte sans hiloires.
Le nombre de panneaux est entre 3 et 5 selon les
préférences de l’armateur et le poids à supporter.
2.1.3
L’arrangement C a donc été accepté, car offrant un
bon compromis entre la valeur de résistance et de
stabilité.
Actuellement, il est généralement accepté que les
ULCC aient toujours des panneaux de cales et que
les « open top » soient réservés aux navires ne
dépassant pas les 3000 boîtes.
SLAMMING AND WHIPPING
Les porte-conteneurs sont construits avec un grand
devers (renvoi de l’étrave) pour pouvoir charger le
maximum de boîtes possible sur le pont.
Actuellement, l’angle dépasse les 55º et localement
peut atteindre les 65º.
Quand le bateau navigue à grande vitesse, l’impact
sur la coque est de presque 90º et la structure ne
supporte pas toujours les énormes forces dues aux
impacts des vagues.
Pour échapper aux dommages structurels, Bureau
Veritas a inclus dans son règlement une façon de
calculer l’échantillonnage qui tient compte de
l’espacement entre raidisseurs et l’influence de
l’angle entre le raidisseur et la tôle associée.
Bien sûr, l’emploi d’acier haute résistance est
envisagé (nous arrivons maintenant à une valeur de
390 N/mm2) avec des contrôles stricts sur les
soudures, ainsi que sur les systèmes de
« revêtement ».
2.1.2
LES PANNEAUX DE CALE
Les grandes dimensions de l’écoutille font des
panneaux de cales un point critique au niveau de la
structure. Plusieurs études ont été menées à ce sujet.
Une des premières conclusions est que l’épaisseur de
la tôle du pont peut être de 100 mm.
Les hiloires qui accompagnent les « lift away
covers » (les panneaux non coulissants) ne sont pas
très favorables pour un ULCC car elles prennent trop
de place.
Les navires de la première génération de Panamax et
Post Panamax avaient des hiloires et des panneaux de
cale appuyés sur 4 cotés. Sur ces unités, les
panneaux, éléments d’étanchéité inclus, sont simples
Avec la méthodologie décrite dans le règlement, les
conclusions de l’étude ayant pour objectif de
connaître l’influence de l’angle sont très
significatives : une diminution de 40% de la force
globale quand on diminue l’angle de 55º à 45º et une
réduction de 60% de la pression.
4
calculées avec HydroSTAR avec les calculs par les
éléments finis.
AVERAGE PRESSURE ON BOW STRIPS : BOW 1
7.0E+005
strip 1
strip 2
strip 3
strip 4
strip 5
strip 6
6.0E+005
pa [Pa]
5.0E+005
4.0E+005
3.0E+005
2.0E+005
On ne doit pas pour autant croire que la corrélation
avec les mesures faites à bord et les dommages
trouvés sur les navires est si simple. La non linéarité
de la réponse de la structure face à un tel phénomène
(très local et d’une durée très limitée dans le temps)
explique la difficulté à obtenir une bonne corrélation.
De plus, localement, certains éléments peuvent
flamber ou avoir de fortes contraintes et la
redistribution des charges sur le navire doit être
refaite pour arriver à une étude correcte du
phénomène.
Nous avons déjà eu l’exemple sur un navire où
l’endroit le plus chargé à cause du « slam » à l’avant
était la cloison transversale du cargo-room.
1.0E+005
2.2
0.0E+000
59.8
60.0
60.2
60.4
60.6
Time [s]
Wide Flare
AVERAGE PRESSURE ON BOW STRIPS : BOW 2
3.0E+005
strip 1
strip 2
strip 3
strip 4
strip 5
strip 6
2.5E+005
pa [Pa]
2.0E+005
1.5E+005
1.0E+005
Emplacement du rouf
Traditionnellement, le rouf (deckhouse) était à
l’arrière, tout prêt du puits. Le besoin de transporter
de plus en plus de boîtes sur le pont posait de vrais
problèmes pour la visibilité depuis le rouf. Soit le
rouf était de plus en plus haut, soit il devait être
déplacé à l’avant.
Dans l’étude sur les 12500 TEU, la conclusion était
que le rouf devait être mis à l’avant et le
compartiment machine à l’arrière (dans le ¼ L
arrière). Cette configuration permet d’avoir une
rigidité à la torsion plus importante, une meilleure
visibilité, des arbres de propulsion plus courts et
moins des bruits dans les locaux de l’équipage.
5.0E+004
0.0E+000
59.8
60.0
60.2
60.4
60.6
Time [s]
Narrow Flare
Après un calcul réglementaire, la valeur des
pressions
dues
au
slamming
peut
être
calculée avec
des logiciels
pour calculs
hydrodynamiques, tel que HydroSTAR. Cela permet
de comparer des designs différents et d’en choisir un,
sachant quelles sont les pressions prévues contre la
perte de conteneurs sur le pont.
Notre équipe de développement a même élargi les
calculs liant les charges dues au slamming et
5
Les locaux d’habitation et le compartiment machine
peuvent être déplacés si les tests avec les analyses
FEM montrent un manque de rigidité.
La dernière configuration représente un nombre de
conteneurs 11,5% plus grand que la première, c’està-dire, de 11 535 à 12 873 TEU
2.3
Le moteur
Selon les résultats de Knud E. Hansen, la puissance
nécessaire pour la propulsion du porte-conteneurs de
12500 boîtes est de 60MW (à 85% MCR).
La solution traditionnelle, c’est-à-dire, un seul
moteur diesel pour une ligne d’hélice unique n’est
plus valable due à plusieurs inconvénients : les
charges sur l’hélice deviennent trop importantes, la
vitesse en extrémité de pale est critique, le diamètre
du propulseur est limité par le tirant d’eau maximal
et l’épaisseur des pales d’un propulseur approprié
serait trop gros.
L’idée de navires avec double moteur/propulseur
devient très intéressante quand la puissance s’accroît
car installer deux moteurs améliore la redondance et
l’efficacité de la propulsion.
D’autre part, avoir une double ligne demande un
investissement plus important et c’est pour cela que
la solution d’un seul moteur reste la préférée des
armateurs et des chantiers.
Selon la vitesse, la puissance, la consommation de
fuel et d’autres aspects économiques, la solution
optimale peut être différente.
Actuellement, les derniers designs continuent à
vouloir imposer un seul moteur. C’est le cas sur le
9400 TEU en construction à Hyundai et classé BV.
6
2.4
Torsion
La longueur des navires atteint des valeurs
inimaginables. Nous arrivons à 378 m entre
perpendiculaires pour le navire 12500 TEU et à 391
m pour le 14500 TEU sur lequel nous travaillons
actuellement.
La grande longueur de ces unités fait que la coque est
soumise à des sollicitations considérablement plus
importantes que celles imposées sur les petits
navires, en particulier, en ce qui concerne la torsion.
Les effets de torsion peuvent être diminués en ayant
une plus importante « zone fermée » dans la section
transversale (Saint Venant) ou en augmentant la
résistance au « warping » de la coque.
Pour lutter contre la torsion, des études approfondies
ont été menées sur les unités à classer avec un
règlement qui a déjà inclus les spécificités de ce type
de navires.
En particulier, une des dernières innovations est
l’approche semi probabiliste. Selon cette approche, le
critère de défaillance concerne la résistance ultime et
la fatigue cumulée. Des études avec les Eléments
Finis sont systématiquement faites pour connaître les
contraintes et étudier la fatigue.
Des problèmes de cavitation et de vibrations sont à
attendre avec la configuration « un moteur/un
propulseur » pour un tirant d’eau de 15 m environ.
Des études avec CFD et des tests avec modèles sont
nécessaires pour éviter l’érosion et la défaillance du
gouvernail.
Le gouvernail travaille dans un champ très complexe
combinaison du flux hélicoïdal créé par le propulseur
et le flux créé par la coque elle même. Les vortex
générés combinés à la cavitation finissent par créer
une érosion, particulièrement sur le safran.
Une solution, qui se révèle partielle, est l’installation
de gouvernails fabriqués avec de l’acier inoxydable,
mais cela suppose une maintenance continue.
Pour avoir une solution acceptable, il faut une étude
approfondie comprenant CFD et tests sur des
modèles. Cela demande des mesures de flux créer par
le propulseur et incident sur le gouvernail et du flux
limite due à la coque.
Les tolérances du design sont très petites, et donc la
construction de ces gouvernails doit être aussi très
soignée. Cet outil applique les coefficients de
concentration de contraintes, calcul de
dommage pour chacun des cycles de contrainte
calculés, puis combine ces dommages en
applicant la methode de Miner.
2.5
Gouvernail
La taille des gouvernails à installer dans des ULCC
est déjà à sa limite maximale, depuis le design du
9400 TEU.
7
2.6
Roulis
roll »)
parametrique
(« parametric
Les porte-conteneurs actuels peuvent être soumis à
des accélérations de roulis extrêmes quand ils
naviguent avec une mer debout ou de l’arrière. La
Figure 1 montre une réponse typique.
Ce
comportement, connu comme « parametric roll »,
peut créer des dommages sévères sur la structure
d’un navire. Bureau Veritas a étudié le phénomène et
on est maintenant possible de créer des graphiques
avec la vitesse et la direction de la houle pour aider
les équipages à identifier et éviter les conditions qui
causent ce « parametric roll ».
La résonance due au « parametric roll » arrive
toujours avec une mer debout ou de l’arrière. Cela
ne peut pas s’expliquer par des mécanismes linéaires
puisque dans ces conditions (mer debout ou de
l’arrière) l’excitation linéaire du mouvement de
roulis est très basse (zéro pour les mers debout ou de
l’arrière). La raison se trouve dans les critères
changeant de stabilité quand le navire passe à travers
le train d’ondes. Alors que le navire se déplace dans
les vagues, la géométrie sous-marine du navire varie,
ce qui résulte en un changement périodique de la
valeur GM. Quand la période de roulis naturel du
navire est deux fois plus élevée que la période de
rencontre de la vague, et que la longueur d’onde est à
peu près la même que la longueur du navire, le roulis
est peu important et l’amplitude de la vague est assez
haute pour que le roulis paramétrique se produise.
Figure 1. : Roulis paramétrique typique (Typical
parametric roll event)
vitesse et route qui pourraient créer un roulis
extrême.
Après avoir effectué un nombre important de
simulations pour chaque navire et pour différents cas
de chargement, il est possible de produire des relevés
polaires qui représentent le mouvement de roulis
maximal escompté pour un état de mer donné quant à
la vitesse et au cap du navire. La Figure 2 en montre
un exemple typique. Ces relevés peuvent être utilisés
par l’exploitant du navire afin d’éviter des situations
dangereuses qui pourraient mener au roulis
paramétrique.
En ce qui concerne le développement en taille des
porte-conteneurs, il est intéressant de noter que
l’augmentation de la longueur du navire peut avoir
des répercussions positives quant à la prédisposition
au roulis paramétrique. Comme la longueur d’onde
doit être d’à peu près la même magnitude que la
longueur du navire pour qu’un roulis paramétrique
survienne, une longueur entre perpendiculaires bien
au-dessus de 350m amènerait le navire dans une zone
plus sure. Les longueurs d’onde predominates sont
d’environ 200 à 350m.
Figure 2. : Roulis maximal for un état de mer donné
et pour différents caps et vitesses / Maximum roll
motion for a given sea state and for different
headings and speeds
Le roulis paramétrique ne peut pas être évité dans le
design des navires sans changer radicalement la
forme de la coque, ce qui affecterait d’autres
exigences. Toutefois, le roulis extrême est en
fonction de la vitesse et de la route du navire en
relation avec des longueurs d’ondes particulières. Si
donc les officiers du navire connaissent les raisons
du problème et les longueurs d’ondes qui le font se
produire, ils peuvent prédire et éviter les associations
8
3
LES OUTILS
L’étude complète depuis le design d’un navire aussi
complexe qu’un porte-conteneurs de 14500 boîtes
n’est possible que si nous disposons d’outils adaptés.
Des ordinateurs de plus en plus puissants et des
logiciel de calcul de plus en plus réalistes ont permis
aujourd’hui au design d’un 14500 boîtes d’être sur
nos bureaux.
Avec l’augmentation des tailles de navires et les
formes de la coque associées aux porte-conteneurs, le
moment de flexion de la vague escompté doit être
calculé. Le calcul de ces chargements rigides nonlinéaires doit être effectué dans le domaine du temp.
Ces calculs sont nécessaires afin de prendre en
compte la pression hydrodynamique de la surface
mouillée exacte (la théorie linéaire s’arrête à z=0).
La différence avec les moments de flexion de la
vague de l’IACS pourrait bien être autour de 10%.
Dans le cas de très grands navires, le spring pourrait
être significatif.
Ceci est dû aux fréquences
structurelles naturelles basses qui (partiellement
grâce à la vitesse sur l’avant qui augmente la
fréquence de rencontre) pourraient entrer dans le
champ des fréquences contenues dans le spectre de
mer typique.
DYANA
ABAQUS
VERISTAR
HYDROSTAR
P
HYDROSTAR ++
(Time domain)
SLAM
GLOBAL ANALYSIS
t
Scatter Diagram
Springing
ABAQUS
Local Analysis
)
Whipping
SEA STATE
Les recherches effectuées montrent qu’un porteconteneurs de 14500 boîtes aurait 391 m de long,
54.2 m de large et un tirant d’eau de 14.5 m et
naviguerait à 25.5 Kn.
9
4
CONCLUSIONS
Les études actuellement en cours parlent déjà des
porte-conteneurs de 13000 TEUs et plus.
Les calculs du BV se basent sur un navire de 14500
TEU et ils regroupent une très grande partie des
résultats présentés par les experts dans les différentes
publications et présentations. Cette étude devient
donc une compilation idéale des conclusions.
Le navire, avec une section fermée, charge 10 files
de 19 colonnes de conteneurs dans ses cales et 8 files
de 21 colonnes sur son pont.
l’expérience, les calculs à faire et différentes façons
d’éviter les problèmes.
Les prévisions de construction pour un futur
proche restent sur des tailles d’environ 13000
boîtes.
Le compartiment machines se situe dans le ¼ L
arrière tandis que le rouf est à l’avant, permettant une
plus grande capacité de charge, grâce aussi à un bow
flare d’environ 60º.
Concernant la propulsion, malgré le fait que la
solution un moteur/un propulseur continue à être la
préférée, pour les 14500 boîtes (comme pour les
12500
auparavant)
une
solution
double
moteur/double propulseur est préconisée.
En ce qui concerne les problèmes des efforts sur le
navire (torsion, whipping, warping...) l’application
du règlement et les recommandations de nos experts
suffisent pour obtenir des valeurs à la fois
raisonnables et fiables.
Alors que l’étude n’est pas encore au stade du design
du gouvernail, tous les logiciels et l’expérience de
BV sont mis en place pour pouvoir avancer avec
confiance, sachant les problèmes soulevés par
10