NAVALE (ARCHITECTURE)

NAVALE (ARCHITECTURE)

L’architecture navale est l’art de concevoir des navires répondant à des programmes imposés. Les armateurs de navires marchands et les états-majors des marines de guerre fixent les programmes; les architectes navals établissent les plans des navires susceptibles de permettre l’exécution de ces programmes dans les meilleures conditions possibles de coût et d’efficacité.

Les navires modernes sont des ouvrages complexes, qui mettent en jeu la plupart des techniques. Les architectes navals en sont les maîtres d’œuvre, animateurs d’équipes de plus en plus diversifiées. Leur responsabilité d’ensemble exige qu’ils conservent directement la charge des éléments fondamentaux que sont les formes, les structures de résistance et les dispositions intérieures ou emménagements. Le domaine propre de l’architecture navale est traditionnellement limité à ces éléments.

Les caractéristiques de flottabilité, de stabilité, de propulsion et de manœuvrabilité d’un navire dépendent des formes extérieures de la partie immergée, appelée carène. L’étude systématique de ces caractéristiques en fonction des formes de carènes constitue la théorie du navire, science appliquée fondamentale pour l’architecte naval, dont l’origine ne remonte pas au-delà du XVIII^e siècle et qui est encore loin d’avoir reçu tous les développements possibles. Elle comprend deux parties: la statique, qui considère le navire immobile, donc en eau calme; et la dynamique, qui considère le navire en mouvement.

La coque d’un navire est l’ensemble des structures, généralement métalliques, qui répondent aux quatre fonctions suivantes: matérialiser la carène; résister aux efforts en service (les éléments correspondants constituent la charpente); assurer la sécurité contre un envahissement par l’eau et contre la propagation d’un incendie (les éléments correspondants constituent le compartimentage de sécurité); loger les appareils, équipements et installations nécessaires pour satisfaire le programme (les éléments correspondants constituent le compartimentage d’emménagements). Ces structures ne sont pas séparées; de nombreux éléments leur sont communs: la carène en particulier est matérialisée par des éléments de charpente ou, plus rarement, par des éléments de compartimentage.

Dans tous les cas la charpente est la structure de base sur laquelle viennent s’attacher les autres éléments. Au solide géométrique indéformable de la théorie du navire elle substitue un solide réel dont les déformations, inévitables sous les efforts qui le chargent en service, doivent rester à l’intérieur de limites non dangereuses. La résistance des structures est pour l’architecte naval une deuxième science fondamentale.

Au-delà des sciences et techniques dont elle suppose la connaissance l’architecture navale reste un art par les choix difficiles qu’elle impose à chaque stade des projets pour atteindre en définitive non seulement au meilleur équilibre économique et technique de ses ouvrages, mais aussi à l’harmonie de leurs formes.

1. Définitions générales

Un navire est un flotteur de formes allongées ayant, dans le sens de sa plus grande dimension, un plan de symétrie appelé plan longitudinal. Sa carène, dans un état de chargement déterminé, est le volume géométrique correspondant à la partie immergée. Le plan horizontal limitant en eau calme la carène est le plan de flottaison, ou flottaison. Un navire est droit lorsque son plan longitudinal est vertical.

La carène d’un navire varie avec le chargement. Les formes de la partie immergeable ne peuvent, sauf cas très particulier, être totalement définies par une formulation mathématique; il est nécessaire de recourir à une représentation graphique, dite plan des formes (fig. 1). Une carène est définie sur le plan des formes par sa flottaison.

Un plan des formes normalisé comprend trois séries de sections de la surface extérieure du flotteur par des plans parallèles à trois plans orthogonaux: le plan longitudinal, une flottaison de référence correspondant au navire droit dans un état de chargement particulier, et un plan vertical perpendiculaire aux deux précédents. On appelle carène droite une carène dont la flottaison est parallèle à la flottaison de référence du plan des formes.

Le déplacement d’un navire dans un état de chargement déterminé est le poids de l’eau déplacée par sa carène. W étant le volume de la carène et 諸 le poids spécifique de l’eau: = 諸W. Le déplacement à pleine charge est le déplacement dans l’état de chargement maximal. Le déplacement lège se déduit du précédent par suppression, pour l’essentiel, des approvisionnements consommables nécessaires au fonctionnement du navire (combustible en particulier) et, pour les navires de commerce, du chargement commercial (appelé aussi portée utile). La différence entre le déplacement à pleine charge et le déplacement lège d’un navire de commerce est son port en lourd (deadweight ).

Les volumes intérieurs d’un navire de commerce, et notamment le volume offert à la portée utile, mesurés selon des règles complexes propres à certains pays et à certaines administrations, définissent diverses jauges, exprimées en tonneaux de 2,83 m³ (100 pieds cubes).

Le report sur le plan des formes d’une carène de navire à flot s’effectue par lecture au niveau de la flottaison des échelles de tirants d’eau placées à l’avant, au milieu et à l’arrière. Les carènes normales en service étant toujours voisines de carènes droites et les calculs relatifs à celles-ci étant effectués à la construction, les caractéristiques principales de la carène lue sont immédiatement obtenues par interpolation, et notamment le volume de carène (d’où le déplacement), la position du centre de carène (centre de volume de la carène), la position du métacentre transversal (cf. infra , chap. 2), la position du centre de flottaison (centre de surface de la flottaison), etc. Les tirants d’eau représentent également une importante donnée de navigation permettant d’apprécier les possibilités de franchissement d’un seuil de profondeur connue. Pour les carènes inclinées, les calculs sont plus compliqués, mais le plan des formes donne tous les éléments nécessaires.

2. Équilibre du navire immobile et choix des formes

La résultante des pressions hydrostatiques s’exerçant sur la carène d’un navire immobile est une poussée verticale, dirigée vers le haut, égale au déplacement et appliquée au centre de carène (principe d’Archimède).

En position d’équilibre (fig. 2a), le centre de gravité G et le centre de carène C⁰ sont sur une même verticale, et la poussée 神 est égale au poids . Le relevé des tirants d’eau, qui permet de déterminer le volume de carène et le déplacement, permet donc de peser un navire. La figure représente le cas très général d’une position d’équilibre droit.

Si on incline le navire d’un angle autour d’un axe horizontal à partir d’une position d’équilibre, le poids, toujours appliqué en G, et la poussée, appliquée au nouveau centre de carène C, forment un couple.

紐 tend à redresser le navire si h 漣 a est positif, c’est-à-dire si H est au-dessus de G; à le chavirer dans le cas contraire. La valeur de h est fonction de la direction de l’inclinaison et de l’angle . Lorsque tend vers zéro, H tend vers 紐, métacentre relatif à la direction d’inclinaison considérée, h vers 福, rayon métacentrique relatif à cette direction d’inclinaison, et le couple vers:

紐 est le centre de courbure de la courbe (C ) au point C⁰.

On démontre que 福 = I/W, où W est le volume de la carène et I l’inertie de la surface de flottaison initiale par rapport à l’axe d’inclinaison Fi passant par son centre F.

Pour les formes allongées usuelles des navires et les positions d’équilibre droit et voisines, 福 est minimal lorsque Fi est longitudinal (plan d’inclinaison transversal, inclinaisons transversales) et maximal lorsque Fi est transversal (inclinaisons longitudinales).

La condition de stabilité de l’équilibre initial se réduit à ( 福 漣 a ) positif pour les inclinaisons transversales ou encore à G au-dessous du métacentre transversal. La largeur de la flottaison est un facteur de stabilité.

Pour un sous-marin en plongée, I = 0, donc 福 = 0. La condition de stabilité devient: G au-dessous du centre de carène.

La valeur du ( 福 漣 a ) transversal varie avec l’état de chargement du navire, dont dépendent à la fois la carène (flottaison, volume de carène et position du centre de carène) et la position du centre de gravité. Elle doit être déterminée pour tous les cas de chargement types. Mais elle ne donne elle-même qu’une idée approximative des caractéristiques de stabilité. L’étude des inclinaisons transversales ne peut être réduite aux seules valeurs infiniment petites de ; elle doit prendre en considération les variations du couple de redressement 紐 jusqu’aux angles limites.

La courbe 紐 = f ( ) met en évidence, pour un état de chargement déterminé, les caractéristiques suivantes (fig. 3): ( 福 漣 a ) est le module de stabilité initiale transversale; ^c est l’angle de chavirement statique; ^s et C^s sont respectivement l’angle et le couple critiques de chavirement statique (couple inclinant appliqué progressivement); ^d et C^d , l’angle et le couple critiques de chavirement dynamique (couple inclinant appliqué brutalement); R (aire de la courbe 紐), la réserve de stabilité (impulsion ou choc initial très bref).

Les valeurs classiques du ( 福 漣 a ) transversal se situent entre 0,50 m (petits bâtiments) et 2,50 m (grands bâtiments); il est plus élevé pour les grands navires de charge. De même, ^c est généralement de l’ordre de 50 à 70⁰, ^s de l’ordre de 30 à 40⁰, ^d de l’ordre de 20⁰.

Si l’on déplace transversalement à bord du navire un poids p d’une distance d , ce navire prend une inclinaison telle que 紐 = pd cos soit tan = pd / (h 漣 a ).

Si l’on déplace verticalement vers le haut un poids p à bord d’un navire en position droite, l’équilibre de celui-ci demeure inchangé mais sa stabilité est diminuée; le terme ( 福 漣 a ) prend alors la valeur ( 福 漣 a 漣 (pl )/ ), l étant le déplacement vertical du poids p .

Si le navire comporte une citerne remplie d’un liquide avec une surface libre, tout se passe comme si le poids p du liquide contenu dans cette citerne était suspendu en un point situé à la distance 福 = I / W au-dessus de son centre de volume (W étant le volume du liquide et I l’inertie de la surface libre par rapport à un axe parallèle à l’axe d’inclinaison et passant par le centre de surface). Le terme ( 福 漣 a ) prend alors la valeur ( 福 漣 a 漣 ( 諸 I )/ ), 諸 étant le poids spécifique du liquide contenu dans la citerne. Les «carènes liquides», qui entraînent une perte de stabilité, sont donc à éviter; la solution consiste à réduire au minimum la surface libre, ou plutôt son inertie I .

Le dessin des formes de la carène, de l’hélice et du gouvernail constitue une phase très importante de tout projet de navire. Il vise à optimiser le comportement de ce navire en marche sur une mer quelconque – comportement dont l’étude fait l’objet de l’hydrodynamique navale ^{[cf. HYDRODYNAMIQUE NAVALE]}. Les formes de la carène sont généralement choisies pour rendre minimale la résistance à l’avancement en eau calme compte tenu d’un certain nombre de contraintes à respecter (dimensions maximales, encombrement de certaines cales, de chaufferies...). Le choix de l’hélice (ou plus généralement du propulseur) est ensuite effectué de manière à conduire au rendement maximal de propulsion (rendement propre de l’hélice, rendement d’interaction hélice-carène), tout en évitant des risques de cavitation et de vibrations trop prononcés. Le comportement du navire sur mer agitée n’affecte guère que les formes avant, le but à atteindre étant essentiellement d’éviter les risques de slamming (fouettement de la coque consécutif à une retombée brutale de l’avant dans la lame) et d’embarquement d’eau. Quant au gouvernail et, plus généralement, aux dispositifs de manœuvre, ils doivent permettre au navire de tourner court, tout en lui conservant une bonne stabilité en route rectiligne.

Les qualités hydrodynamiques du navire (résistance à la marche, propulsion, tenue à la mer, manœuvrabilité) sont en général vérifiées expérimentalement à l’aide de modèles réduits, dans des laboratoires spécialisés appelés bassins d’essais de carènes.

3. Structure du navire

Le calcul de la structure du navire a pour but de vérifier que, d’une part, l’endommagement par fatigue, sans être nul, ne conduira pas à un volume de travaux d’entretien qui serait insupportable et que, d’autre part, la sécurité est assurée par mer forte.

Les efforts s’exerçant sur le navire à la mer sont le poids des masses, compte tenu des efforts d’inertie dus aux mouvements d’ensemble (roulis, tangage, pilonnement) et la pression de l’eau sur la carène. Le tout forme un système en équilibre. À considérer le comportement d’un navire sur une mer démontée, on conçoit les difficultés de la description de ce système. La pratique distingue donc deux catégories de méthodes de calcul de la structure résistante ou charpente: les méthodes conventionnelles de mise sur houle standard et les méthodes probabilistes.

Méthodes conventionnelles de mise sur houle standard

Les méthodes conventionnelles de mise sur houle standard tirent parti de l’existence des milliers de navires dont la qualité de la charpente a été démontrée par des années de service à la mer. Elles ont pour but d’évaluer dans quelle mesure un nouveau projet appartient à la population précédente; cette évaluation s’exprime en termes de contraintes résultant du calcul d’un schéma de la structure du navire, soumis à des efforts conventionnels.

Cette structure est toujours représentée comme une poutre à section indéformable (schéma de poutre-navire). Les seuls efforts à considérer sont donc les résultantes des poids et poussées sur des tranches de longueur unité de cette poutre. Des raisons pratiques conduisent à séparer les efforts en eau calme et les efforts sur houle. En eau calme, les efforts considérés sont les poids et la poussée d’Archimède sur les tranches de la carène. Sur houle, le chargement considéré est la différence algébrique entre les poussées hydrostatiques créées par une houle standard et les poussées en eau calme. Très généralement, la houle standard retenue a une longueur égale à la longueur entre perpendiculaires, le milieu du navire étant soit sur creux, soit sur crête. Le creux H de la houle standard (amplitude de l’oscillation double) s’exprime en fonction de la longueur L du navire par une relation de la forme: H = a L^b (l’exposant b varie entre 0,5 et 1).

Les contraintes admissibles ne peuvent être rattachées à des caractéristiques du matériau comme la limite d’élasticité, la limite de fatigue ou la résistance. Elles sont étroitement dépendantes des efforts retenus et de la méthode de calcul. Leur ordre de grandeur est de 10 ⁸ pascals.

Méthodes probabilistes

La surface de la mer peut être décrite en termes de probabilités par le biais des spectres de houle tant qu’il s’agit d’un processus aléatoire stationnaire du second ordre, c’est-à-dire à court terme. Il est possible de se projeter dans le long terme par la connaissance de relevés statistiques sur les paramètres des spectres.

Le problème se ramène au calcul de la réponse du navire – et en particulier de la contrainte en un point donné – à une houle sinusoïdale de pulsation 諸 et de direction 﨏 par rapport à l’axe du navire. Soit T ( 諸, 﨏) cette réponse qui est supposée linéaire, c’est-à-dire proportionnelle à l’amplitude de la houle; elle est généralement calculée en employant le schéma de la poutre-navire. Le spectre de la réponse est:

S ( 諸, 﨏) est le spectre de la houle.

On peut ainsi donner des estimations de la distribution statistique à long terme des contraintes de la poutre-navire. Cette distribution est comparée aux possibilités de résistance du matériau de coque vis-à-vis du dommage cumulé en fatigue, et des risques de ruine.

La charpente résistante

Les surfaces constituant le bordé de carène ainsi que les cloisonnements transversaux et longitudinaux assurent la résistance du navire aux efforts d’ensemble. Les réseaux de raidisseurs orthogonaux qui sont fixés à ces surfaces ont deux rôles:

– assurer la stabilité des bordés et leur éviter une destruction par flambage avant qu’ils n’aient atteint leurs possibilités ultimes de résistance. Cela fixe le nombre et la répartition des raidisseurs.

– assurer la résistance aux efforts locaux: pression de l’eau, poids des machines, du fret, etc. Cette considération détermine généralement leur échantillonnage. Les membrures sont disposées, les unes dans le sens longitudinal, les autres dans le sens transversal; leur appellation varie selon leur sens, leur importance et les bordés sur lesquels elles s’appliquent: varangues, lisses et carlingues dans les fonds; couples et porques, serres et lisses, sur les murailles; barrots et hiloires sous les ponts.

La structure transversale est constituée par des cloisons transversales (sections pleines), elles-mêmes convenablement raidies, ou, plus fréquemment, par des anneaux de membrures transversales soutenus le cas échéant par des épontilles, régulièrement répartis sur la longueur. Les efforts sur les sections intermédiaires sont reportés par les membrures longitudinales sur les sections renforcées.

Les extrémités avant et arrière sont soumises à des efforts localisés importants, justifiant des structures rigides (charpente avant et charpente arrière) qui ferment la poutre-navire respectivement sur l’étrave et sur l’étambot (pièces autrefois massives, aujourd’hui composites). Les bordés des fonds et des murailles constituent le bordé de carène, dont la surface extérieure matérialise les formes.

Le cas des sous-marins est particulier. Leur charpente résistante, ou coque résistante, est une enveloppe fermée calculée pour supporter extérieurement les pressions hydrostatiques à la profondeur de plongée maximale; les éléments ainsi échantillonnés constituent une structure longitudinale suffisante. La coque résistante est, en tout ou en partie, enveloppée par une coque légère achevant de matérialiser la carène. L’espace entre coque résistante et coque légère, nécessairement en communication avec la mer, est partiellement occupé par des ballasts dont le remplissage et la vidange (par chasse d’air) permettent la prise et la sortie de plongée.

Les matériaux doivent être à la fois légers et résistants, avoir une bonne résilience et, qualité la plupart du temps connexe, une bonne ductilité. Ils doivent avoir en outre, si possible, des propriétés très diverses telles que: résistance à la corrosion, particulièrement active en milieu marin; faible coefficient de conductibilité, d’où meilleure habitabilité intérieure; action antisalissure réduisant la rugosité de la carène, etc. Les aciers sont les matériaux types actuels des charpentes de navires. Les alliages légers, les bois et les matériaux plastiques sont cependant utilisés de préférence dans certains cas.

La résistance (charge de rupture) des aciers utilisés en construction navale varie couramment de 400 à 650 MPa. La résistance des alliages légers (aluminium, magnésium à 3 à 5 p. 100 de Mg) est inférieure, mais la différence avec les aciers doux à 400 MPa est peu importante. L’avantage en poids spécifique des alliages légers est par contre très net (2,7 pour 7,8). Au contraire, leur module d’élasticité, trois fois plus faible que celui de l’acier, oblige à prêter une attention particulière aux risques de flambement. La justification de la faveur des aciers réside dans leur déformation plus faible sous charges, leur meilleure résistance au flambement et surtout leur meilleur prix. Sauf quelques exceptions, seules de petites unités ont des charpentes résistantes en alliages légers; en revanche, ceux-ci servent couramment à la construction de superstructures. L’usage des bois réapparaît, grâce à la technique des contreplaqués, pour les vedettes rapides; il reste classique pour les embarcations. La navigation de plaisance utilise désormais assez largement les plastiques; la construction navale militaire les emploie maintenant couramment pour la construction de bâtiments de fort tonnage de lutte contre les mines, à cause de leur amagnétisme. Ils tendent à remplacer le bois dans cette application.

La technique universelle d’assemblage des matériaux métalliques est actuellement le soudage électrique. Il représente la meilleure solution au problème de la réalisation de joints de caractéristiques mécaniques analogues à celles des éléments de base pour la constitution de structures globales monoblocs. Sa mise en œuvre s’est heurtée à l’origine à de graves difficultés, sanctionnées par des ruptures totales de ponts de résistance survenues à quai, donc en l’absence de tout effort anormal, sur des liberty ships américains pendant la Seconde Guerre mondiale. Ces difficultés sont aujourd’hui maîtrisées. La soudabilité des aciers de construction navale est contrôlée et la technologie optimale d’exécution des joints parfaitement connue et appliquée dans les chantiers.

Un tracé judicieux du réseau de joints d’assemblage était un élément essentiel de la résistance d’ensemble d’une charpente. Les caractéristiques des joints soudés autorisent maintenant une assez grande liberté. Les coques de navire sont assemblées sur cales à partir d’éléments de plus en plus importants, appelés panneaux, préfabriqués en atelier. Les joints entre panneaux atteignent de grandes longueurs sans créer, pour autant, des points faibles. La préfabrication permet une amélioration substantielle de la productivité: les panneaux sont exécutés dans des conditions plus favorables et leur ordre de confection est indépendant de l’ordre de montage; d’ailleurs, la construction proprement dite est accélérée, avec réduction corrélative des durées d’immobilisation des cales et des bassins.

Le compartimentage de sécurité

Le compartimentage de sécurité comprend le compartimentage d’étanchéité et le compartimentage contre l’incendie.

La première ligne d’étanchéité étant constituée par le bordé de carène, le compartimentage d’étanchéité a pour but de limiter, en cas de brèche dans ce bordé, l’envahissement du navire par l’eau, de manière à sauvegarder d’une part son équilibre au double point de vue flottabilité et stabilité, d’autre part la disponibilité de ses installations vitales, c’est-à-dire, en premier lieu, de son appareil de propulsion.

La figure 4 représente un schéma de compartimentage principal, comprenant: systématiquement, le cloisonnement transversal du navire en tranches par des cloisons principales étanches (CPE) développées jusqu’à l’un des ponts résistants, appelé pont d’étanchéité; éventuellement, des doubles fonds limités par le vaigre; sur les paquebots et les grands bâtiments de guerre, et souvent sur les autres navires au droit de l’appareil de propulsion, des compartiments étanches latéraux entre murailles et cloisons longitudinales, prolongeant de chaque bord les doubles fonds et constituant avec eux une véritable double coque.

La convention internationale sur la sauvegarde de la vie humaine en mer fixe, pour les navires de commerce, une organisation d’étanchéité minimale en imposant en particulier, pour des avaries types, des valeurs limites de longueurs envahissables, de ( 福 漣 a ), de gîte (inclinaison transversale) et de franc-bord (hauteur au-dessus de la flottaison en abord du pont d’étanchéité). Les règles en vigueur dans les flottes de guerre sont analogues mais adaptées aux missions; elles sont très sévères et très strictement appliquées sur les grands bâtiments de combat. D’une manière générale, l’organisation d’étanchéité impose des structures spéciales lourdes et onéreuses, complique l’installation des circuits de toute nature et gêne les communications intérieures, mais sa conception, sa réalisation et le maintien de son intégrité en service sont pour le navire des éléments de survie éventuelle à ne jamais négliger.

Le compartimentage contre l’incendie retarde la propagation par élévation de température si les cloisons sont constituées de matériaux isolants, ou plus directement s’oppose à la propagation des flammes si les cloisons sont étanches et si toutes les ouvertures sont obturées en temps utile. Au-dessous du pont d’étanchéité, le compartimentage d’étanchéité joue le rôle de compartimentage contre l’incendie; il est simplement complété en certains points par des revêtements isolants. Au-dessus du pont d’étanchéité, les grands navires, et notamment les paquebots, sont organisés d’une manière analogue en tranches d’incendie généralement plus développées en longueur que les tranches d’étanchéité.

Les dispositions ci-dessus sont uniquement architecturales. Elles sont complétées par des moyens de détection (appareils avertisseurs), de lutte active (pompes d’épuisement, d’assèchement, de redressement, d’incendie; lances à incendie, extincteurs, etc.), et en dernier ressort de sauvetage (embarcations, radeaux, etc.).

Les emménagements

Les emménagements, compartiments disposés à l’intérieur de la poutre-navire et, en superstructures, au-dessus de celle-ci, sont répartis selon les exigences des installations qu’ils doivent loger. On peut classer sommairement celles-ci sous quatre rubriques:

– les installations de coque , qui permettent la manœuvre du navire (mouillage, amarrage, remorquage, stabilisation, évolutions..., appareil propulsif exclu), la sauvegarde de la sécurité (redressement, épuisement, assèchement, incendie, embarcations...) et la vie à bord (ventilation, conditionnement, chauffage, installations hôtelières);

– les machines , qui comprennent non seulement l’appareil propulsif (chaufferies à mazout ou nucléaires et turbines à vapeur, ou moteurs Diesel, ou turbines à gaz, lignes d’arbres, auxiliaires et accessoires), mais aussi les installations de production et de distribution d’énergie électrique, les installations de production d’eau douce (appareils distillatoires), les installations frigorifiques, etc.;

– les équipements de télécommunications, de détection aérienne (radars) et sous-marine (sonars, sondeurs), et de navigation (gyrocompas, lochs, aides radio-électriques);

– les installations spéciales qui, directement conçues en fonction des programmes des navires, constituent en définitive leur raison d’être; installations pour passagers des paquebots, installations de cargaison des navires de charge, systèmes d’armes des bâtiments de guerre, etc.

Il est logique que, sous quelques règles générales communes concernant les autres installations (apparaux de mouillage à l’avant, appareil propulsif vers l’arrière), l’architecture générale des emménagements d’un navire s’ordonne autour de ses installations spéciales. Les distributions de compartiments sont ainsi très différentes selon les types, et parfois aussi, à un moindre degré, selon les armateurs et les pavillons.

Encyclopédie Universelle. 2012.