LES VAGUES SCELERATES, UN PHENOMENE REEL MAIS

LES VAGUES SCELERATES, UN PHENOMENE REEL
MAIS TOUJOURS MAL CONNU
Par
Anne BARTHELEMNY,
Arnaud VAZEILLE
Michel HUTHER
Bureau Veritas – Division Marine
SOMMAIRE
Le phénomène de vague scélérate est connu depuis de nombreuses années et a fait l'objet d'un
séminaire en 2000 dont les résultats ont été présentés à l'ATMA en 2001. En 2004, un nouveau
séminaire a fait le point des travaux et progrès réalisés au cours des quatre années les séparant. Le
mémoire présente une synthèse des communications faites à ce séminaire dans les domaines des
observations de vagues et de dommages de structures marines, des simulations tant numériques qu'en
bassin, de l'amélioration de la sécurité des unités en mer, de la prévision de l'apparition de vagues
scélérates. Malgré les progrès enregistrés et rapportés, il est constaté qu'il reste encore beaucoup à
faire pour permettre une bonne maîtrise du phénomène en projet par les ingénieurs et par les marins ou
opérateurs pétroliers en exploitation des navires et des unités en mer.
SUMMARY
The rogue wave phenomenon is known from many years and has been the subject of a seminar in
2000, the results of which were presented at the ATMA in 2001. In 2004 a new seminar has been
organized to check the works and progresses made during the four years between them. This paper
presents a synthesis of the papers presented at this seminar in the areas of observed waves and marine
structure damages, numerical and in model basin simulation, improvement of the safety of the units at
sea, forecasting of rogue wave occurrence. In spite of the obtained and reported progresses, it has to be
noted that it remains a lot to be done to allow a good management of the phenomenon in design by
naval architects and by sailors or offshore operators to safely operate ships and units at sea.
1. INTRODUCTION
Le phénomène de vagues exceptionnelles ou
vagues dites scélérates est connu depuis de très
nombreuses années. Bien qu'ayant été à
l'origine de dommages importants sur plusieurs
navires [1] (figure 1), le phénomène n'avait pas
préoccupé outre mesure le monde maritime car
considéré comme très très peu probable. Seuls
les "chercheurs" s'en préoccupaient et
travaillaient en silence, jusqu'au séminaire
organisé par Ifremer en novembre 2000 [2]
durant lequel il a été possible d'avoir une vue
globale des résultats obtenus et des
interrogations toujours existantes. Suite au
séminaire une revue de l'Etat de l'Art sur le
sujet a été présentée en 2001 à l'ATMA [3].
Le séminaire et les publications effectuées à
son sujet vinrent sans doute à un moment
propice car il faut reconnaître que depuis le
sujet est devenu d'intérêt publique puisque
relayé par la presse et les télévisions. Nous
avons pu ainsi voir des reportages
impressionnants avec vidéo, par exemple, de la
passerelle du "Caledonian Star" détruite par
une vagues scélérate au cours d'un voyage de
retour de l'Antarctique (Figure 2).
Il est désormais courant de voir rapporter des
dommages de navires en mentionnant que
ceux-ci sont le résultats d'une vague scélérate,
comme par exemple dans FAIRPLAY du 18
avril dernier. Le communiqué indiquait: "Le
Figure 1: Flambement du pont
principal du Ville de Marseille
navire à passager norvégien Norvegian Dawn
a été touché par une vague scélérate de 21 m
samedi 16 avril, 62 cabines ayant été inondées
et quatre passagers blessés ….. Un
communiqué officiel de NCL annonça que le
navire naviguait la nuit du 15 avril par une
mer extrêmement forte au large de la côte de
Floride, mais que la mer s'était calmée avant
que la vague ne heurte le navire."
S'étant donnés rendez-vous lors du séminaire
de 2000, les scientifiques et représentants du
monde maritimes se sont retrouvés de nouveau
à Brest sous l'égide de Ifremer du 20 au 22
octobre 2004 afin de faire de nouveau le point
sur le sujet. Nous avons considéré intéressant,
comme en 2001, de faire une synthèse des
nouveaux résultats présentés.
Figure 2: Passerelle du "Caledonian Star" après la
rencontre avec une vague scélérate
Si les espoirs de voir de nouveaux événements
bien identifiés et analysés ont été quelque peu
déçus, il a été constaté un très grand pas en
avant dans la simulation du phénomène
permettant une meilleure compréhension de sa
formation et ouvrant la voie à la possibilité de
prévoir ses effets sur les structures marines.
Les présentations au séminaire peuvent être
classées en 4 grandes familles qui sont passées
en revue: les observations de vagues et de
dommages de structures marines, les
simulations numériques et en bassin, les
travaux visant à améliorer la sécurité des unités
en mer, les travaux visant à prévoir l'apparition
de vagues scélérates.
2. OBSERVATIONS
Depuis 2000, compte-tenu des présentations
effectuées on pouvait s'attendre à de nombreux
nouveaux rapports d'observation de vagues ou
de dommages. En fait seuls 3 présentations
concernent des observations de vague et 2 des
dommages sur des structures.
Ce peu d'observations renforce les conclusions
du passé: même si le phénomène de vague
scélérates est beaucoup plus fréquents dans la
nature qu'il n'était admis, la probabilité de se
trouver à l'endroit et au moment où il se
produit est très très faible.
2.1 Mesures à la mer
2.2 Accidents
Lors du séminaire, 3 nouveaux rapports
d'observations en mer ont été présentées dans
des zones connues pour la possibilité
d'existence du phénomène, la Mer du Nord et
Comme mentionné précédemment, seulement
2 présentations rapportent des accidents
attribués aux vagues scélérates, un concerne le
FPSO Schiehallion en Mer du Nord et l'autre
des pertes de navires sur les côtes de Norvège.
l'Océan Indien (côtes d'Afrique du Sud), mais
aussi dans une zone plus inattendue, la Mer
Noire.
En Mer du Nord on retrouve les données du
champs pétrolier d'Ekofisk mais aussi des
mesures sur une période de 6 mois au large des
côtes belges.
En Océan Indien, les observations ont été
effectuées à partir d'une plate-forme pétrolière
située en bordure du courant "Algulhas" sur
une période de 6 ans. Les mesures donnent
quelques 1563 vagues pouvant être classées
vagues scélérates conduisant à une probabilité
d'apparition de 3,1 %, ce qui conforte le chiffre
donné par Liu et Pinho en 2004 pour
l'Atlantique sud de 3,7%. Les vagues scélérates
ont été observées aussi bien par fortes tempêtes
que par mers moyennes.
Les hauteurs des vagues de type scélérates
obtenues par le système de mesure se placent
entre 25 et 30 m, mais quelques mesures
donnent des valeurs considérées comme des
anomalies de mesure, non réellement
expliquées, 6 points entre 40 et 50 m, et même
un point à 71 m.
En Mer Noire, ce sont 15.000 enregistrement
de vagues qui ont été traités. Une vague
scélérate de 10,3 m dans une mer de hauteur
significative de 2,6 m est présentée, donnant
un facteur Hmax/Hsign de 3,9 (figure 3)
Le Schiehallion, un FPSO de 228 m de long, a
eu à affronter l'assaut d'une vague scélérate la
nuit du 9 nov 1998. L'état de mer correspondait
à une hauteur significative de 14 m mais le
bordé de l'étrave a été enfoncé de quelques 25
cm sur plusieurs mailles à une distance entre
15 et 20 m au dessus de la flottaison.
Sur les côtes de Norvège, une analyse des
naufrages de chalutiers sur une période de 9
ans, ayant entraîné la perte de 72 vies
humaines, conduit à constater que les pertes se
concentrent sur 24 zones correspondant toutes
à des zones à forte probabilité d'apparition de
vagues scélérates. Sur l'une des zones, Stad, il
a été enregistré le retournement de 8 navires
avec pertes de 28 vie humaines. Les pertes y
sont clairement attribuées au phénomène de
vagues scélérates conduisant les autorité
norvégiennes à tester un système d'alerte aux
navires.
3. SIMULATIONS
Si le nombre de communications relatives aux
observations est faible, il n'en est pas de même
de celles concernant les simulations. C'est dans
le domaine de la simulation numérique que les
efforts se sont portés, d'ailleurs avec succès. Si
on compte 3 présentations de simulations en
bassin, on en compte 13 sur des simulations
numériques.
3.1 Simulations numériques
La première constatation est qu'il se confirme
la possibilité de simuler numériquement le
phénomène d'apparition d'une vague scélérate.
Plusieurs modèles s'affrontent, basés sur des
interférences d'ondes, des solitons, des
ondelettes, des ondes aléatoires, des trains
d'ondes, des focalisations d'énergie.
Figure 3 – Vague scélérate en Mer Noire (22
nov 2001)
Toutes permettent de générer des vagues
scélérates représentatives des observations, et
toutes s'accordent sur le caractère fortement
non linéaire du phénomène. Les travaux
montrent clairement que même le 2ème ordre
est insuffisant pour approcher correctement la
forme d'une vague scélérate (figure 4).
Parmi l'ensemble des présentations nous avons
choisi un exemple de traitement 3D
correspondant à des bassins numériques sur
lesquels travaillent des équipes françaises et
qui illustrent bien les capacités des modèles et
des moyens informatiques actuels [4-5]
(figure 5).
Figure 4: Modèles du 1er et 2ème ordre
comparés à une mesure
création de vagues scélérates pour des
conditions particulières de houle, courant et
vent, et que les spectres d'ondelettes peuvent
être un outil intéressant pour déterminer
l'existence de vagues scélérates à partir des
mesures de profils de vagues.
Les travaux de [4] concernent la génération en
bassin 3D de vagues scélérates et la
comparaison avec un modèle de bassin
numérique, confirmant la possibilité de générer
en bassin une vague scélérate et montrant une
bonne concordance des deux résultats.
La dernière présentation concerne des essais en
bassin avec mesures de pression sur le bordé
d'un modèle du FPSO Schiehallion qui a été
mentionné précédemment, dans le but
d'expliquer les avaries observées. Les mesures
ont concerné les pentes des vagues, les vitesses
fluides et les pressions engendrées. Les
résultats montrent que les pressions sont plus
fonction de la pente des vagues que des
mouvements relatifs mais que ni le modèle
linéaire ni celui du second ordre permettent de
représenter correctement le phénomènes
observés.
4. SECURITE DES UNITES EN MER
Figure 5: Focalisation de vague en bassin
numérique [4]
En complément de la simulation de la forme
des vagues scélérates, les modèles permettent
d'approcher les champs de vitesses fluides qui
sont à la base des calculs des interactions
fluide-structure et des efforts dynamiques
s'exerçant sur les bordés des structures.
La connaissance du phénomène présente un
intérêt pour l'ingénieur si elle permet de
déterminer les effets sur les structures marines
et d'évaluer le niveau de sécurité. Ainsi
4 présentations concernent des travaux sur les
méthodes de prédiction des effets locaux et
4 concernent le comportement du navire.
4.1 Prédiction des effets locaux
Les développements des modèles numériques
n'ont pas éliminé les recherches de simulations
dans des bassins à houle. Les travaux se
poursuivent sur la génération de la vague
scélérate elle-même mais aussi pour la mesure
de ses actions sur des structures marines.
Le premier niveau d'avarie sur une structure
correspond à la déformation permanente des
tôles et panneaux raidis des bordés des unités.
C'est le cas par exemple du Schiehallion
mentionné en 2.2. Les déformations sont
induites par les pressions d'impact, comme
dans le cas du slamming des navires. Pour le
calcul de projets la méthode actuelle est de
déterminer les vitesses maximales à partir
desquelles les pressions d'impact sont
déterminées par calculs ordinateurs.
Ainsi on peut noter des générations de vagues
scélérates en canal avec effet de courant et de
vent sur des groupes de vagues aléatoires et
leur caractérisation par spectres d'ondelettes
[6]. Les résultats montrent la possibilité de
Les
présentations
concernent
des
déterminations par mesures en bassin des
vitesses de liquide avec recherche des
corrélations avec des caractéristiques des
vagues, principalement la hauteur et la pente,
3.2 Simulations en bassin
et des modèles de vague, premier et second
ordre (figure 6).
Figure 6: Distribution en probabilité des
vitesses suivant le modèle de vague
Il est noté la difficulté soulevée par les lois de
similitudes, les champs de vitesses suivant la
loi de Froude, les pressions d'impacts relevant
plus de la compressibilité et de la cavitation.
4.2 Comportement du navire
Le comportement global du navire fait aussi
l'objet des attentions des chercheurs. Deux
domaines sont concernés, le risque de
retournement par perte de stabilité suite à
envahissement et de dommages globaux de
structures avec ruptures.
Pour les risques liés à la stabilité une étude
propose des règles opérationnelles pour les
petits navires afin d'éviter les pertes de stabilité
et une autre française présente une approche
originale de calcul dynamique sur houle d'un
flotteur avec embarquement progressif d'eau
jusqu'au retournement [7].
Les 2 autres présentations concernent les règles
de classification des navires: la position de
l'AISC (Association Internationale des
Sociétés de Classification) confirmant la prise
en compte du phénomène pour l'amélioration
des règles existantes ou le développement de
nouvelles règles et l'analyse des règles de
module minimum vis-à-vis des efforts induits
par une vague scélérate.
On peut ainsi constater que les nouvelles règles
AISC pour les minéraliers améliorant la
sécurité vis-à-vis des risques d'envahissement à
l'avant sont parfaitement en ligne avec les
résultats des travaux effectués sur les effets des
vagues scélérates.
Au sujet des règles de module minimum, des
calculs de moments induits sur un FPSO et un
porte-conteneurs par une vague scélérate, la
vague de Draupner (hauteur de 26 m observée
en Mer du Nord en 1995 [3]) ont été effectués
en pas de temps permettant de déterminer la
valeur extrême du moment à la coupe au
maître. Les résultats des calculs du FPSO ont
été comparés à des mesures en bassin donnant
une bonne corrélation (figure 7).
Figure 7: Moment de flexion en fonction du temps au passage de la vague scélérate,
calculs et mesures en bassin
Le résultat est quelque peu surprenant mais
intéressant car il donne des valeurs inférieures
à celles du moment réglementaire actuel.
Concerant le FPSO, la présentation conclue: "Il
a été montré que pour cette vague particulière
et cette coque de FPSO les charges sont dans
le domaine de celles attendus et qu'il
n'apparaît pas nécessaire de modifier les
règles de conception".Il doit donc être souligné
qu'il
s'agit
d'une
vague
avec
des
caractéristiques particulières, de deux navires
particuliers, et que le moment de houle a été
calculé au milieu de la poutre navire alors que
les avaries observées montrent un moment
maximum dans la zone du tiers avant des
navires [3].
5. PREVISIONS
L'autre domaine qui, avec la simulation du
phénomène, préoccupe le plus les chercheurs
est celui de la prévision dans le but d'alerter les
navires ou les opérateurs des unités pétrolières
en mer. En effet on compte pas moins de 14
présentations sur le sujet, 9 traitant de
l'évaluation de la fréquence d'apparition, 5 de
la possibilité d'existence de vagues scélérates.
5.1 Fréquence d'apparition
La grande difficulté d'estimation de la
fréquence d'apparition d'une vague scélérate
réside dans sa très très faible probabilité. Les
valeurs de probabilité admises sont de l'ordre
de 10-4 par an ce qui conduit à des probabilités
à long terme de 10-11 à 10-12 ou encore 10-8 par
vagues de tempête.
Les approches sont donc basées sur des
modèles de queues de distributions. Les
méthodes s'appuient sur des spectres d'énergie
de houle et des formulations non linéaires ou
des équations de Schrödinger non linéaires.
La réelle difficulté est qu'il est pratiquement
impossible de calibrer les formulations de
manière efficace avec des observations vu leur
très faible nombre et le manque d'information
sur les états de mer correspondant.
5.2 Possibilité s'existence
L'autre approche concerne la possibilité
d'évaluer le risque ou non d'apparition de
vagues scélérates suivant certaines conditions
de mer, de vent et de courant. D'après les sites
où de telles vagues ont été le plus souvent
observées des modèles d'évaluation ont été
développés, en particulier sur les côtes
d'Afrique du Sud et de Norvège.
Les vagues scélérates présentant un front de
vague de pente anormalement raide et une
forte dissymétrie, deux facteurs sont retenus: la
cambrure des vagues et le kurtosis du spectre
de houle. Considérant les origines possibles, à
ces deux paramètres est ajouté un indice
mesurant la probabilité de vagues croisées.
On notera plus particulièrement un modèle
développé par Météo-France [8] basé sur la
cambrure et le risque de vagues croisées et
utilisé pour l'opération des navires rapides dans
la zone du golfe de Gênes (figure 8).
Figure 8: Indice de cambrure de vague en Méditerranée
Une autre méthode originale a été présentée,
basée sur une théorie de transition entre classes
de spectres de vague. Cinq classes ont été
définies:
1- vagues du vent
2- houle
3- vagues du vent et houle récente de
fréquence voisine
4- vagues du vent et houle ancienne de
fréquence et direction éloignées
5- vagues du vent et houle confondues en
fréquence et direction
La théorie prévoit des vagues scélérates pour
certains types de transition, en particulier 1-3
ou 3-1. L'application de la méthode en Mer du
Nord pour les périodes pendant lesquelles des
vagues scélérates ont été observées donnent de
bonnes corrélations.
Cependant on notera pour terminer l'étude
effectuée en Mer du Nord sur le champs de
Frigg dont les résultats avaient été présentés en
2004 à l'ATMA [9] et qui conclue à
l'impossibilité de définir des paramètres
permettant de prévoir correctement le risque ou
non d'apparition de vagues scélérates, les
fausses alarmes étant aussi nombreuses que les
vrais.
6. CONCLUSION
Les travaux effectués au cours des 4 dernières
années montrent clairement que le phénomène
de vague scélérate est désormais pris très au
sérieux par le monde maritime. Les études
continuent à chercher une caractérisation
précise de ce que l'on peut appeler vague
scélérate et les conditions dans lesquelles elle
peut se produire. Il est d'ailleurs remarqué que
l'intérêt pour ce phénomène est sorti du monde
professionnel puisqu'il en est de plus en plus
souvent question dans les média, presse écrite
mais aussi télévision.
Depuis le séminaire de 2000 [2], de nombreux
progrès ont été constatés dans tous les
domaines, mesures en bassin et simulations par
calcul ordinateur. En outre des études de
comportement de structures marines ont été
effectuées ouvrant la porte à des outils pour les
projets, en évaluation du risque de chavirement
ou de dommages structurels.
Des modèles de prévision de risque
d'apparition de vagues scélérates ont été
développés, testés par rapport à des
observations, et même mis en pratique de
manière opérationnelle en Méditerranée pour
l'exploitation des navires rapides.
Cependant il reste encore beaucoup à faire
pour bien comprendre le phénomène et le
maîtriser, tant du point de vu projet que du
point de vu opération des unités en mer. En
particulier il n'est toujours pas possible de
relier clairement le risque d'apparition d'une
vague scélérate à des paramètres particuliers
des états de mer et le peu d'observations
documentées rend très difficile la vérification
de la validité des modèles théoriques.
REFERENCES:
[1] P. de Livois, N. Ket – Avaries du "Ville de
Marseille" par très gros temps –Bulletin
Technique du Bureau Veritas, juillet 1978
[2] M. Olagnon, G.A. Athanassoulis, editors Proceedings of the Rogue Waves 2000
workshop - Ifremer, ISBN 2-84433-063-0
[3] M. Huther, J.C. Le Hire, M. Olagnon, Vagues Exceptionnelles et Dommages en Mer
– ATMA - Paris, octobre 2001.
[4] F. Bonnefoy, P. Roux de Reilheac,
D. Le Touzé, P. Ferrant – Numerical and
physical experiments of wave focussing in
short-crested seas – Rogue waves 2004,
SeaTechWeek 2004 – Brest octobre 2004
[5] C. Fochesato, F. Dias, S. Grilli – Wave
energy focussing in a three-dimensional
numerical wave tank - Rogue waves 2004,
SeaTechWeek 2004 – Brest octobre 2004
[6]
J.P. Giovanangeli, C. Kharif,
E. Pelinovsky – Experimental study of the
wind effect on the focussing of transient wave
groups - Rogue waves 2004, SeaTechWeek
2004 – Brest octobre 2004
[7] G. Oger, M. Doring, B. Alessandrini,
P. Ferrant – SPH: Toward the simulation of
wave-body interactions in extreme seas –
Rogue waves 2004, SeaTechWeek 2004 – Brest
octobre 2004
[8] H. Savina, J.M. Lefèvre – Sea State in
Marine Safety Information, Present state,
future prospects - Rogue waves 2004,
SeaTechWeek 2004 – Brest octobre 2004
[9]
M. Olagnon, A.K. Magnusson Confrontation d’hypothèses sur les vagues
exceptionnelles avec des statistiques en mer du
Nord – ATMA - Paris, juin 2004.