Évitement de la résonance

Tout système masse-ressort possède une fréquence propre — la fréquence à laquelle il tend à osciller lorsqu’il est perturbé. Dans un compensateur passif de pilonnement, la masse est la charge suspendue et le ressort est le gaz comprimé dans l’accumulateur.

Lorsque le mouvement de la tête de grue induit par les vagues oscille à cette fréquence propre ou à proximité, le système répond par un mouvement amplifié — la charge se déplace davantage que la tête de grue, et non moins. Cette amplification peut être considérable : un système non amorti en résonance aurait théoriquement une réponse infinie.

En pratique, l’amortissement limite la réponse maximale ; la hauteur du pic en résonance dépend de l’amortissement réellement configuré — c’est pourquoi le modèle de présélection indique son amortissement au lieu de citer un facteur universel. Cela est clairement inacceptable pour un dispositif conçu pour réduire le mouvement.

La période propre d’un compensateur passif de pilonnement dépend de la masse de la charge et de la rigidité du ressort à gaz. Pour l’ensemble d’unités Norwegian Dynamics défini dans les hypothèses ci-dessous, les périodes propres calculées s’étendent approximativement de 10–30 secondes ; chaque projet calcule sa propre période couplée à partir de la masse, de l’état du gaz et de la rigidité de la ligne réels.

Selon la base de présélection pour la mer du Nord utilisée ici, les périodes spectrales de pic de 5–15 secondes (Tp) constituent la bande d’excitation indicative ; la base météo-océanique propre au site du projet prévaut. Pour les systèmes bien conçus, la période propre est nettement supérieure aux périodes de vagues énergétiques, de sorte que la fréquence d’excitation reste supérieure à la fréquence propre — c’est la zone d’isolation. La marge est vérifiée par rapport au spectre de vagues du projet et non présumée.

Cependant, le risque de résonance augmente lorsque :

• Le volume de gaz est trop faible (ce qui rend le ressort trop rigide et réduit la période propre).
• La charge est plus légère que dans le cas de dimensionnement (ce qui réduit la masse et donc la période propre).
• Un pilonnement de longue période est présent (ce qui rapproche la période d’excitation de la période propre).

Les ingénieurs utilisent plusieurs stratégies pour garantir que les compensateurs de pilonnement fonctionnent en toute sécurité loin de la résonance :

• Volume de gaz suffisant — Des volumes de gaz plus importants produisent des ressorts plus souples avec des périodes propres plus longues, repoussant la résonance bien au-delà de la plage des périodes de vagues.
• Amortissement adéquat — L’ amortissement hydraulique limite l’amplification à la résonance à des niveaux acceptables et procure une marge de sécurité même si les conditions rapprochent le système de sa fréquence propre.
• Analyse de la plage de charges — Le compensateur doit être vérifié sur toute la plage des charges attendues, et pas uniquement au point de dimensionnement. La charge la plus légère donne généralement la période propre la plus courte et donc le risque de résonance le plus élevé.
• Réglage adaptatif — ANTARES règle automatiquement le point de fonctionnement de son ressort à gaz à mesure que les conditions de charge changent, afin de maintenir la période propre à la valeur définie par l’analyse. Chaque réglage reste vérifié dans le modèle couplé ; l’adaptation élargit la plage exploitable, elle ne supprime pas cette vérification.

L’évitement de la résonance ne concerne pas uniquement le compensateur — il s’applique à l’ensemble du système de levage. Le câble de grue, les poulies et tout gréement sous-marin possèdent leur propre rigidité et leur propre masse, créant un système couplé avec plusieurs modes de résonance possibles.

À de plus grandes profondeurs d’eau, l’élasticité du câble devient significative et le système couplé câble-compensateur peut présenter des fréquences de résonance différentes de celles de chaque composant pris isolément. C’est pourquoi les opérations en eaux profondes nécessitent une analyse dynamique couplée qui modélise l’ensemble du système, du navire au fond marin.

Pour les opérations critiques, des simulations dans le domaine temporel utilisant les données de vagues propres au site et les RAO réelles du navire vérifient la réponse dans les cas opératoires définis. Norwegian Dynamics fournit un appui technique pour ces analyses dans le cadre de la sélection et du dimensionnement du compensateur — voir notre guide de sélection des compensateurs pour plus d’informations.