Fatigue structurale : une approche avant-gardiste pour le navire de soutien interarmées
- Jonathon Williams, Martin Fuller, and LCdr Antony Carter
- 10 juin 2022
- 12 min de lecture
On dit souvent que rien ne dure éternellement. Malheureusement, les navires ne font pas exception. À mesure que les navires vieillissent, la capacité de leur structure à résister aux contraintes imposées diminue. L’éventail limité d’outils dont disposent les autorités techniques, combiné à un grand nombre d’incertitudes, rend difficile l’évaluation précise de la durée de vie restante de la structure d’un navire. Par conséquent, les autorités opérationnelles assument un niveau de risque plus élevé lorsqu’elles exploitent de vieux navires. Le navire de soutien interarmées (NSI) sera doté d’outils supplémentaires qui permettront aux autorités techniques d’effectuer des évaluations plus éclairées des risques associés à l’exploitation de ces navires à l’approche de la fin de leur durée de vie nominale.
Durée de vie nominale
La durée de vie nominale désigne la période pendant laquelle un navire est censé être en service et en mesure d’accomplir les tâches pour lesquelles il a été conçu — compte tenu de la maintenance, des réparations et des radoubs nécessaires. Le choix d’une durée de vie nominale exige habituellement un compromis entre la robustesse structurelle et d’autres capacités comme la vitesse, l’endurance et l’armement, pour n’en nommer que quelques-unes.
La durée de vie nominale des navires de guerre de construction moderne varie généralement de 25 à 35 ans pour les grands navires de haute mer, mais elle peut dépasser 40 ans dans certains cas. Par exemple, les porte-avions de classe Nimitz et de classe Gerald R. Ford de la marine américaine ont une durée de vie utile estimative de 50 ans (U.S Navy Office of Information, 2021). La durée de vie nominale d’un navire dépend de plusieurs facteurs, dont l’un est la prise en compte des divers modes de défaillance possibles pour la structure du navire, ce qui est réalisé par l’application de ce qu’on appelle le « calcul aux états limites ». En termes simples, un état limite est défini par la description d’un état dans lequel un élément de structure donné ou une structure entière ne remplit pas sa fonction prévue. Les quatre états limites les plus courants qui sont pris en compte dans la conception des navires sont les suivants :
l’état limite accidentel (ELA), qui tient compte des dommages structuraux résultant d’accidents comme des collisions et des incendies;
l’état limite ultime (ELU), qui tient compte des mécanismes de défaillance tels que le flambage et le fléchissement;
l’état limite de fatigue (ELF), qui tient compte des défaillances résultant de dommages dus à la fatigue;
l’état limite de service (ELS), qui tient compte des dommages structuraux causés par l’exploitation normale en service (Hageman, et al., 2014).
Récemment, alors que la flotte de la Marine royale canadienne (MRC) continue de prendre de l’âge, on est devenu de plus en plus attentif à la prise en compte et à la compréhension de l’état limite de fatigue.
Qu’est-ce que la fatigue?
La fatigue est un processus de défaillance — une fonction de l’amplitude de la contrainte appliquée à une structure et des cycles selon lesquels la contrainte est répétée (Callister & Rethwisch, 2014). Prenons l’exemple d’un trombone que l’on recourbe. On peut le recourber une fois et il restera intact, mais au bout d’un certain nombre de répétitions, il va se fissurer et se briser. La représentation graphique de l’amplitude de la contrainte par rapport au nombre de cycles subis jusqu’à la défaillance est connue sous le nom de courbe de fatigue, dont un exemple est illustré à la figure 1. (L’acier utilisé dans la construction du NSI suit une courbe semblable à celle de l’acier 1045.)
La fatigue est caractérisée par une fissuration qui se produit en trois phases distinctes : l’amorçage de fissuration, la propagation de la fissure et la défaillance structurale. Dans la phase d’amorçage de fissuration, une contrainte appliquée à un matériau qui est suffisamment importante pour provoquer la fatigue entraîne la formation d’une fissure microscopique au point maximal de contrainte à l’intérieur du matériau, habituellement au point où il y a une concentration de contrainte ou un défaut. Durant la phase de propagation de la fissure, la fissure se propage avec chaque cycle de contrainte répété jusqu’à ce que la fissure soit assez grande pour que la partie intacte restante du matériau se rompe lors de l’application suivante de la contrainte. Il en résulte une défaillance structurale. Des millions de cycles peuvent être nécessaires pour atteindre ce point, car le nombre réel de cycles dépend de l’ampleur de la contrainte appliquée, du type de matériau et d’autres facteurs (Sieve, Kihl, & Ayyub, 2000). Toutefois, si la fréquence des cycles de contrainte est élevée, la rupture par fatigue peut se produire relativement rapidement (Callister & Rethwisch, 2014).
Il y a des concentrations de contraintes, tant globales que locales, dans les structures de tous les navires. Les concentrations globales de contraintes sont souvent associées à des changements importants de géométrie ou à des discontinuités, comme les ouvertures sur le pont, les terminaisons de superstructure et les charnières. Les concentrations locales de contraintes se produisent dans les matériaux de base et les soudures. Dans le premier cas, les zones telles que les coins pointus, les transitions brusques et les bordures de plaques sont des zones courantes de concentration des contraintes. Dans ce dernier cas, il est courant que des concentrations de contraintes se produisent le long des nombreux kilomètres de soudures longitudinales, transversales et verticales qui relient les divers morceaux de la coque d’un navire, souvent à la suite de décisions de conception détaillée et de défauts de soudure (Sieve, Kihl, & Ayyub, 2000).
Les concentrations de contraintes peuvent également résulter de la corrosion localisée et générale causée par l’exposition de surfaces structurelles non protégées au milieu marin. Les surfaces peuvent devenir non protégées si elles ne sont pas recouvertes adéquatement ou correctement, ou si les revêtements protecteurs ont été endommagés (Callister & Rethwisch, 2014).
Les navires subissent de nombreuses formes de contraintes cycliques, la source dominante étant les charges cycliques induites par les vagues (Glen, Dinovitzer, Paterson, Luznik, & Bayley, 1999). Dans cet environnement, le nombre de cycles peut atteindre des millions par année et ces cycles peuvent avoir une grande variété d’amplitudes. Les autres sources de charges cycliques comprennent les vibrations des machines, les vibrations de la coque provoquées par les hélices, et le mouvement du liquide à l’intérieur des réservoirs (Sieve, Kihl, & Ayyub, 2000).
Durée de vie en fatigue
La durée de vie en fatigue désigne le temps nécessaire pour que des cycles répétés entraînent la rupture d’un matériau causée par la fatigue. Par exemple, si un matériau peut supporter 20 cycles de charge jusqu’à la rupture, et que la charge est répétée à un cycle par minute, la durée de vie en fatigue du matériau sera alors de 20 minutes. Le même principe peut être appliqué pour évaluer la durée de vie en fatigue des structures des navires.
Bien que les structures des navires contiennent de nombreux types de détails structuraux, il est courant, pour prédire la durée de vie en fatigue d’un navire, de fonder la prévision sur un seul détail ou sur une série de détails structuraux qui sont prévalents dans la structure du navire. Ce détail déterminera la limite de durée de vie en fatigue, car les parties plus robustes de la structure du navire auront une durée de vie en fatigue plus longue. En général, la procédure suivante est requise pour prédire la durée de vie en fatigue :
Déterminer les charges dont on prévoit qu’elles agiront sur la structure, ainsi que la réponse du navire à ces charges;
Déterminer les contraintes internes dans la structure du navire en fonction des charges prévues;
Sélectionner une courbe de fatigue appropriée pour les détails structuraux d’intérêt; puis.
Comparer les cycles de contrainte appliqués aux cycles de contrainte devant provoquer une défaillance (Sieve, Kihl, & Ayyub, 2000).
Les charges qui agissent sur la structure du navire dépendent du profil opérationnel et environnemental du navire. Le profil opérationnel est défini par le nombre de jours que le navire passe en mer, la vitesse et le cap du navire lorsqu’il est en mer, et le temps pendant lequel le navire fonctionnera selon différentes combinaisons de vitesse et de cap dans différentes conditions de houle. Le profil environnemental est défini par la hauteur des vagues et la période durant laquelle elles seront rencontrées pendant la durée de vie utile du navire, ainsi que par les probabilités de subir différentes conditions de houle. La Figure 2 indique la position quotidienne du NCSM Iroquois (DDH/DDG-280) de 1972 à 2009 d’après les registres; ces données peuvent être utilisées pour déterminer le profil environnemental du navire.
Un navire réagira différemment à des vagues ayant des caractéristiques différentes. La réponse la plus importante pour déterminer la durée de vie en fatigue est le moment de flexion verticale. À l’aide du profil opérationnel et environnemental du navire, il est possible de déterminer l’histogramme des moments de flexion verticale pour la durée de vie du navire. Grâce à cet histogramme, les contraintes internes de la structure du navire peuvent théoriquement être déterminées au moyen de calculs « manuels » ou d’outils comme l’analyse par éléments finis pour les structures plus complexes. Un histogramme de l’étendue de variation de la contrainte peut être déterminé à l’emplacement du détail étudié.
Les courbes de fatigue pour les détails structuraux peuvent être obtenues à partir d’un certain nombre de sources telles que les codes du bâtiment et les guides de conception. Dans certains cas, il peut être nécessaire de mener des expériences afin de déterminer la courbe de fatigue pour le détail en question.
La prédiction de la durée de vie en fatigue n’est pas une science exacte. Plusieurs hypothèses peuvent mener à l’incertitude, comme l’hypothèse selon laquelle le comportement de fatigue d’un détail de structure dans un environnement de laboratoire présentera le même comportement lorsqu’il sera intégré à la structure du navire. La qualité de construction d’un navire a également un impact important sur les contraintes résultantes dans la structure, et donc sur la durée de vie en fatigue (Sieve, Kihl, & Ayyub, 2000). De plus, les méthodes utilisées pour souder et assembler les structures du navire pourraient entraîner des contraintes résiduelles élevées qui, lorsqu’elles sont superposées aux contraintes cycliques appliquées, pourraient accélérer la fatigue dans les structures du navire touchées.
Méthode actuelle de surveillance de la fatigue
Traditionnellement, la fatigue structurale des navires de la MRC est surveillée par des inspections de coque ayant pour but d’examiner les zones où la fatigue peut se produire et de déterminer les endroits où des réparations sont nécessaires. Les inspections de coque, bien qu’elles soient nécessaires pour comprendre l’état des matériaux d’un navire, représentent une approche plus réactive lorsqu’il s’agit de surveiller la fatigue, étant donné que lorsque des fissures sont repérées lors des inspections, la fatigue s’est déjà produite. Lorsque des fissures sont découvertes, elles mesurent généralement plusieurs centimètres de long et s’étendent sur l’épaisseur du placage, comme le montre la Figure 3.
Les efforts déployés récemment au sein de la MRC pour mieux comprendre la fatigue comprennent une évaluation de la durée de vie en fatigue restante de l’ancien NCSM Iroquois. Une analyse a été effectuée par Recherche et développement pour la défense Canada (RDDC) sur des détails de raccordement retirés du navire lors de son démantèlement (Huang, 2021).
Navire de soutien interarmées
Le premier navire de la future classe Protecteur est actuellement en construction au chantier naval Vancouver Shipyards Co. Ltd., de North Vancouver (C.-B.). La Figure 4 montre l’état d’avancement de la construction du navire, qui aura une durée de vie nominale de 30 ans. Une fois livrée à la MRC, la classe Protecteur sera maintenue selon les normes de classification de l’American Bureau of Shipping (ABS). Toutefois, afin de compléter le régime d’inspection de la coque exigé par l’ABS, la classe Protecteur sera dotée de plusieurs outils supplémentaires permettant d’évaluer activement la durée de vie en fatigue. Light Structures AS, un fournisseur mondial de technologie de surveillance structurale des navires dont le siège social est à Oslo, en Norvège, installera un système de surveillance de coque sur chaque navire. De plus, des échantillons de matériaux et de soudures provenant de la fabrication des principales zones de la structure du navire sont recueillis pendant le processus de construction.
Système de surveillance de coque
Un système de surveillance de coque peut être utilisé pour appuyer les évaluations de la durée de vie en fatigue en fournissant des histogrammes de l’étendue de variation des contraintes pour les zones présentant un intérêt particulier dans la structure d’un navire. La technologie n’est pas nouvelle. Des systèmes de surveillance de coque ont été installés dans les navires de sécurité nationale de la classe Legend de la Garde côtière des États-Unis (Hageman, et al., 2014), et un autre système a récemment été installé à bord du NCSM Montréal (FFH-336). Cependant, la prochaine classe Protecteur sera la première classe de navire de la MRC à être équipée d’un système de surveillance de coque au moment de la livraison. Cela permettra de bien comprendre les contraintes imposées à la structure dès le début de la vie utile, ce qui autrement ne peut qu’être estimé.
Le système de surveillance de coque du navire de soutien interarmées fonctionnera en transmettant de la lumière par des câbles à fibres optiques à des capteurs de contrainte à fibres optiques situés à des emplacements choisis sur la structure du navire. Les capteurs reflètent un spectre de lumière correspondant à la déformation de la structure, et les données qui en résultent peuvent être analysées et utilisées pour déterminer les contraintes sur la coque (figure 5). Le système de surveillance de coque du NSI comprendra également deux ensembles de trois accéléromètres orientés le long des axes longitudinal, transversal et vertical de la coque, ainsi qu’un capteur de mouvement de six degrés de liberté. La sortie de ces dispositifs permettra de comprendre les mouvements du navire causés par les vagues (Light Structures AS, 2019). Les emplacements des capteurs de contrainte, des accéléromètres et du capteur de mouvement sur le NSI sont indiqués à la figure 6.
Bien que l’intention première soit que l’analyse des données recueillies à partir du système de surveillance de coque permette une évaluation plus précise de la fin de vie de la plate-forme, la manière exacte dont ces données seront utilisées reste à déterminer. Il faudra investir soit pour développer les compétences nécessaires au sein du MDN, soit recourir à la sous-traitance afin de recueillir et d’analyser les données pour obtenir des résultats significatifs. Les données pourraient aider à éclairer un certain nombre de décisions, y compris la question de savoir s’il sera nécessaire d’effectuer des inspections de coque au-delà du régime prescrit par la société de classification si le NSI doit rencontrer des conditions qui ne correspondent pas au profil opérationnel et environnemental prévu. Les données recueillies pourraient également montrer à quelle vitesse les dommages dus à la fatigue s’accumulent, ce qui aiderait à prendre des décisions concernant la fréquence des inspections de coque. Enfin, les données pourraient appuyer un certain nombre d’initiatives parallèles au sein du MDN, notamment :
Appuyer la validation des modèles numériques et théoriques utilisés pour prédire la durée de vie en fatigue;
Soutenir le développement d’un jumeau numérique du navire qui pourrait :
Fournir aux organismes techniques une compréhension plus globale de l’état des matériaux du NSI;
Permettre la réalisation de simulations pour déterminer les états de fatigue dans une structure localisée, et ainsi permettre des régimes d’inspection de coque plus ciblés.
Échantillons de matériaux
Compte tenu de l’importance des matériaux de construction du navire dans la détermination de la durée de vie en fatigue du navire, des échantillons de matériaux et de soudure de référence sont recueillis pendant la construction du NSI. Les échantillons d’acier comprendront des plaques et des profilés pour toutes les qualités d’acier de structure utilisées dans la conception, l’épaisseur et la largeur étant déterminées à partir des valeurs médianes pour chaque type d’acier utilisé. Des échantillons de profilés et de coupons de soudure provenant du NSI, que l’on peut voir à la Figure 7, sont expédiés au Centre d’essais techniques de la qualité (CETQ) à Ottawa. Ces échantillons pourraient être analysés par le CETQ à l’avenir afin de confirmer les hypothèses formulées au sujet du comportement en fatigue des matériaux et des soudures utilisés dans la construction du NSI, et permettre l’élaboration de courbes de fatigue plus précises. La Direction des systèmes de plate-forme navale (DSPN 2) et le CETQ prévoient mener un certain nombre d’expériences lorsqu’ils recevront ces échantillons. Les échantillons restants seront entreposés dans des conditions de laboratoire à température et à humidité contrôlées jusqu’à ce qu’ils soient nécessaires.
Conclusion
Les évaluations fondées sur les conditions ont permis à la MRC de dépasser la durée de vie nominale de ses navires dans le passé, mais il demeure difficile de prévoir les défaillances par fatigue à l’aide de ces méthodes. Cela mène à des décisions qui comportent un risque accru ou qui entraînent l’application de marges de sûreté excessives pour tenir compte des incertitudes.Bien que l’équipement de surveillance de coque lui-même ne soit ni nouveau ni novateur, le fait que le futur NSI soit équipé de ce système au moment de la livraison est une approche novatrice pour la MRC. Malgré le travail qu’il reste à faire pour déterminer la meilleure façon d’utiliser les données recueillies, elles devraient à tout le moins fournir aux autorités techniques un meilleur aperçu de la durée de vie en fatigue de la structure du navire. Les échantillons de matériau permettront de recueillir des données expérimentales, ce qui permettra aux autorités techniques de mieux comprendre le comportement en fatigue. Il s’ensuit qu’il sera possible de prendre des décisions plus éclairées en réduisant les incertitudes, ce qui, au bout du compte, entraînera une plus grande confiance en ce qui a trait à l’exploitation sécuritaire des navires vieillissants.
Remerciements
L’assistance du Capc Mark Bartek, DSPN 2-2, Structures des navires, et du Dr James Huang, DSPN 2-4, Génie des matériaux et du pétrole maritimes, dans la préparation et l’examen technique de cet article a été très appréciée.
Ouvrages cités
Callister, W., & Rethwisch, D. (2014). Materials Science and Engineering. Hoboken: John Wiley & Sons Inc.
Glen, I., Dinovitzer, A., Paterson, R., Luznik, L., & Bayley, C. (1999). Fatigue-Resistant Detail Design Guide for Ship Structures. Washington, D.C.: Ship Structure Committee.
Hageman, R., Drummen, I., Stambaugh, K., Dupau, T., Herel, N., Derbanne, Q., . . . Kim, P. (2014). Structural Fatigue Loading Predictions and Comparisons with Test Data for a New Class of US Coast Guard Cutters.
Huang, J. (2021, December 20). Courriel : MEJ Article // Fatigue & JSS Hull Monitoring System.
Huang, J. (2021, September 15). Courriel : Ship Life Extension // Current Strategy.Light Structures AS. (2019). 194-160.00-025 Functional Description for Hull Monitoring System. Oslo.
Light Structures AS. (2022). The technology behind our structural monitoring systems. Extrait de : https://www.lightstructures.com/structural-monitoring/
Seaspan Shipyards, @. (2021, October 20). From our #VancouverShipyards modernization, to designing and building world-class vessels for the @CoastGuardCAN and the @RoyalCanNavy [tweet]. Récupéré sur Twitter: https://twitter.com/MoreThanShips
Sieve, M., Kihl, D., & Ayyub, B. (2000). Fatigue Design Guidance for Surface Ships. West Bethesda: Naval Surface Warfare Center.
Smith, M. (2017). HMCS Iroquois Structural Testing Program. NATO ST PSDS Meeting. Helsinki.
U.S Navy Office of Information. (2021, November 12). Aircraft Carriers - CVN. Récupéré sur America's Navy: https://www.navy.mil/Resources/Fact-Files/DisplayFactFiles/Article/2169795/aircraft-carriers-cvn/
Jonathon Williams est un ingénieur en formation qui a terminé une rotation avec le Bureau de gestion du projet de navires de soutien interarmées en tant qu’architecte naval subalterne.
Martin Fuller est architecte naval pour le Bureau de gestion du projet de navires de soutien interarmées à Ottawa.
Le Capc Antony Carter était gestionnaire de l’architecture navale pour le Bureau de gestion du projet de navires de soutien interarmées à Ottawa.
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