Traversée de la zone de déferlement

Qu’est-ce que la zone de déferlement ?

La zone de déferlement est la région autour de la ligne de flottaison où une charge se trouve en partie dans l’air et en partie dans l’eau. Sa hauteur n’est pas un nombre fixe de mètres : elle suit les crêtes et les creux des vagues ainsi que le mouvement de la tête de grue. Elle augmente donc avec l’état de mer et la réponse du navire. Un objet la traverse à la descente et, s’il est récupéré, de nouveau à la remontée.

Quatre effets qui modifient la charge de ligne

1. Impact sur l’eau. À l’entrée dans l’eau, celle-ci frappe la face inférieure et les surfaces horizontales de l’objet. La force croît avec le carré de la vitesse d’impact, F_{\text{slam}} = \tfrac{1}{2} \rho\, C_s A_s v_s^2, où C_s est le coefficient d’impact (au moins 3 pour les cylindres circulaires lisses et 5 dans les autres cas, selon la méthode simplifiée) et A_s la surface qui frappe l’eau. Cet effort bref et intense détermine souvent la vérification structurale de la charge utile et de l’élingage.
2. Traînée. L’eau s’oppose au déplacement de l’objet. La force croît avec le carré de la vitesse relative, F_D = \tfrac{1}{2} \rho\, C_D A_p v_r^2, où A_p est la surface vue par dessous ; pour une charge utile grande et plate, cette force peut dépasser le poids dans l’eau.
3. Flottabilité variable. À mesure que l’objet s’immerge, la flottabilité décharge en partie la ligne. Chaque vague modifie le volume immergé et, avec lui, la charge de ligne, F_\rho = \rho\, \delta V g.
4. Masse ajoutée. L’eau autour de l’objet doit accélérer avec lui, ce qui augmente son inertie à mesure qu’il s’immerge. Le mouvement de la tête de grue et des vagues ajoute ainsi une force proportionnelle à l’accélération relative.

L’importance de la flottabilité dépend de la charge utile. Une structure dense en acier conserve la majeure partie de son poids dans l’eau ; un objet léger par rapport à son volume, comme un couvercle en PRV ou un module doté de grands réservoirs, en perd une grande part (environ la moitié pour du PRV massif), tandis que sa grande surface subit l’action des vagues (figure 1). Notre article sur les levages sous-marins détaille la traînée et la masse ajoutée avec des chiffres.

Élingues détendues et charges de choc

Si la flottabilité et les forces ascendantes des vagues dépassent le poids de l’objet, les élingues se détendent. Lorsqu’elles se retendent un instant plus tard, la ligne subit une charge de choc, souvent bien supérieure au poids statique. La méthode simplifiée de DNV-RP-N103 combine les quatre effets en une force hydrodynamique caractéristique, F_{\text{hyd}}, et fixe un critère pour éviter la détente des élingues :

et, lorsque la détente des élingues ne peut être exclue, elle calcule la charge de choc à partir de la vitesse à la reprise de tension, de la raideur du système de levage et de la masse de l’objet, masse ajoutée comprise :

Ce que change un compensateur de pilonnement

Placé en ligne entre le crochet et les élingues, un compensateur passif de pilonnement assouplit le système de levage. Son ressort à gaz absorbe le mouvement de la tête de grue sous forme de course au lieu de le transmettre aux élingues. Il supprime ainsi la part due à la grue du mouvement de l’objet par rapport à l’eau ; le mouvement propre de l’eau demeure. La traînée et la force de masse ajoutée diminuent, et la raideur plus faible K réduit la charge de choc dans la formule ci-dessus. Dimensionné pour le cas étudié, il maintient les élingues sous tension.

Il présente trois limites. Le compensateur ne doit pas arriver en bout de course pendant la traversée, faute de quoi les charges maximales réapparaissent. Le poids de l’objet supporté par la ligne diminue pendant l’immersion, ce qui déplace l’équilibre du compensateur : la course disponible doit donc être vérifiée à chaque étape. Enfin, un système souple a une longue période propre : il n’isole la charge que des vagues dont la période est bien plus courte et amplifie le mouvement près de sa période propre. Le modèle de levage vérifie donc son réglage par rapport aux périodes des vagues prévues pour l’opération.

Une unité à compensation passive adaptative comme ANTARES peut passer à un réglage plus raide et mieux amorti pendant la traversée. La variation de poids et les charges dues aux vagues utilisent alors moins de course ; l’unité peut ensuite s’assouplir de nouveau sous cette zone.

Cas : un couvercle en PRV de 35 t à Hs 1.8 m

Dans notre étude CONSTELLATION CS-2026-004, un couvercle de protection en plastique renforcé de verre de 35 t est descendu d’un navire de construction à travers la surface, à Hs 1.8 m et Tp 7.5 s. Ce couvercle appartient à une catégorie de charges utiles difficile : une coque large et mince, légère pour sa taille, que les vagues peuvent soulever à l’entrée dans l’eau. La même charge utile, le même état de mer, le même élingage et huit réalisations de vagues ont été simulés avec un élingage rigide et avec un RIGEL 75 t / 4.5 m.

Sur les huit simulations, le DAF allait de 3.41 à 5.38 avec un élingage rigide et de 1.15 à 1.91 avec RIGEL ; la course utilisée du côté dimensionnant allait de 83 à 98 %. Le rapport de charge de choc mesure la baisse de tension de la ligne par rapport au poids dans l’eau, exprimée en fraction de ce poids : à 1.00, les élingues se détendent. Son seuil de 0.90 correspond au critère de détente des élingues de DNV-RP-N103 appliqué aux tensions simulées. Les seuils de DAF et de course sont nos références pour cette étude, pas des limites DNV.

Les simulations avec compensation ont satisfait les quatre critères de réponse pour chaque réalisation. La course était le facteur limitant : dans quatre simulations sur huit, plus de 90 % de la course a été utilisée du côté dimensionnant (rétraction), jusqu’à 98.4 %, sans atteindre la butée. Le réglage devrait donc être réexaminé avant un levage réel. À Hs 2.0 m, aucun réglage testé n’a satisfait les quatre critères. Lire l’étude du couvercle en PRV →

Planifier la traversée

1. Évaluer les états de mer. Simulez la traversée pour les hauteurs et périodes de vagues ainsi que les caps prévus, en tenant compte du mouvement du navire à la tête de grue. Le résultat définit une fenêtre opérationnelle ; une fenêtre météo exige que les prévisions y restent conformes pendant toute l’opération.
2. Choisir la vitesse de traversée. Une descente plus rapide réduit le temps passé dans la zone, mais augmente la vitesse d’impact et la force correspondante. DNV-RP-N103, dont la méthode simplifiée retient généralement une vitesse de crochet de 0.5 m/s ; notre cas utilisait une vitesse de descente de 0.16 m/s.
3. Vérifier les deux extrêmes de tension. La tension minimale indique si les élingues se détendent ; la charge maximale indique si la grue, le câble et l’élingage résistent. Ces deux vérifications sont nécessaires.
4. Confirmer par une analyse temporelle. Un modèle temporel des vagues, du navire, de la grue et de l’élingage, de l’hydrodynamique de l’objet et du compensateur fournit les tensions, les mouvements et la course nécessaires à la vérification finale. CONSTELLATION réalise cette analyse avec et sans compensateur.