STABILITE D'UN NAVIRE

I. LA STABILITE: PRINCIPE et GENERALITES
II. MOUVEMENT DE POIDS
III. CARENES LIQUIDES
IV. VOIE D'EAU
V. LES DOCUMENTS HYDROSTATIQUES

I. LA STABILITE: PRINCIPE et GENERALITES

Navire stable : C'est un navire qui a la capacité de revenir à sa position initiale après avoir été incliné momentanément par une force extérieure.

Principe d'Archimède : Tout corps plongé dans un liquide reçoit une poussée verticale de bas en haut égale au poids du volume de liquide déplacé, et appliquée au centre de volume de la partie immergée (centre de carène C₀ ou B₀ pour Buyoncy)

Couple de force : Le couple de force est un ensemble de 2 forces de même intensité, parallèle et de sens contraire.

K : " Keel " Quille du navire
B₀ = C₀ : Centre de carène initiale (" Buyoncy ")
B₁ : Centre de carène (où s'applique la poussée d'Archimède )
G : Centre de gravité du navire (où s'applique P)
M : Point métacentrique (confondu avec M,'métacentre initial, pour des inclinaisons <10° ; M se trouve à l'intersection de avec l'axe du navire)
P : Déplacement du navire (poids)
F = : Poussée d'Archimède
Z : jonction entre la perpendiculaire à P passant par G avec la force
: Inclinaison du navire (gîte)

Quand le navire est droit, la résultante des forces P et est nulle et le navire reste droit.

Moment d'un couple : C'est le produit de la grandeur commune des 2 forces par leur distance " d ". Cette distance " d " est appelée bras de levier du couple.

Si les 2 forces se rapprochent, la distance GZ diminue donc le moment du couple diminue.

Calcul du moment du couple de redressement :

M' : Métacentre initial
M : Point métacentrique

Moment du couple : Mt=P.GZ
Cos = MZ / GM
Sin = GZ / GM
D'où -> GZ = sin . GM

Mt = P. sin . GM

Pour des inclinaisons inférieures à 10°, M et M' sont considérés comme confondus, on a donc :

Mt = P(r-a) . sin

Quand le navire est incliné par le vent, le centre de carène se déplace. Les 2 forces poids et poussée s'écartent l'une de l'autre. Ils forment un couple de redressement (P.) dont le moment est:
Mt = P(r-a) . sin

P = déplacement du navire
h = hauteur métacentrique transversale
a = distance du centre de gravité au centre de carène initial
= inclinaison transversale du navire

La formule d'Archimède :
Soient " V " le volume de la partie immergée et " d " la densité ou poids spécifique du liquide, suivant le principe d'Archimède, la poussée F ( ) est égale au poids du liquide déplacée, c'est-à-dire :

F = = V.d

d : densité de l'eau de mer = 1,026

Métacentre initial : C'est le point M'dont la position est fixe. Elle est déterminée par les chantiers de construction et communiqué au capitaine du navire.

Point métacentrique : C'est le point M dont la position varie avec l'inclinaison du navire. Pour les inclinaisons inférieures à 10°, M se confond pratiquement avec le point M'.

La hauteur métacentrique " h " se situe entre le centre de carène et le point métacentrique M.
Cette hauteur h peut être remplacée par la distance M'B₀ qui est appelé rayon métacentrique transversal et désigné par la lettre " r ".

Si < 10°
-> Mt = P(r-a).sin
-> Mt = P(r-h) sin

4 CAS SELON LES POSITIONS DE G ET B1

II. MOUVEMENT DE POIDS

Un mouvement de poids correspond à la modification de la position d'un poids à bord sans changer le déplacement du navire ni le volume de carène. En conséquence, on s'intéressera d'abord à la situation initiale et à la situation finale.
Il peut arriver qu'en situation intermédiaire, pendant le transfert de poids, la stabilité soit réduite ou mise à défaut.

1. TRANSFERT VERTICAL DE POIDS

Déplacement sur la même verticale d'un poids vers le haut ou le bas. L'équilibre du navire n'est pas modifié (mais la stabilité l'est), le navire reste droit s'il l'était avant le mouvement de poids.

La stabilité diminue quand on déplace vers le haut le centre de gravité du navire.
On exprime la quantité de stabilité d'un navire par le produit :

P(r-a) : Module de Stabilité Transversale

Dans ce cas, le nouveau module de stabilité transversale est :

P(r-a)' = P(r-a) - pz (" - pz " pour un déplacement vers le haut)

P(r-a)' = P(r-a) + pz (" + pz " pour un déplacement vers le bas)

Lors d'un déplacement de poids, le centre de gravité se déplace parallèlement et dans le même sens.

Lors d'un déplacement vertical, l'assiette ne change pas, la gîte reste constante.

Etude d'un déplacement selon les axes z, y, x:

C'est le déplacement verticale qui influence le plus la stabilité.

2. DEPLACEMENT TRANSVERSAL DE POIDS

Ce déplacement transversal sans ballastage provoque une gîte.
Le centre de gravité se déplace parallèlement au mouvement de poids et dans le même sens.
Il n'y a pas de changement d'assiette.

IL N'Y A PAS PERTE DE STABILITE PAR ELEVATION DE G PUISQUE CE DEPLACEMENT EST HORIZENTAL.

L'angle de gîte provoqué par le déplacement transversal est obtenu par la formule :

= 57.3 p.y / (P(r-a))

La gîte est proportionelle au poids déplacé et à la distance de déplacement.

3. POIDS SUSPENDU

Dès que le poids est décollé du sol par un appareil de levage du navire (grue, mât de charge…), il s'applique alors au niveau de g1 (au niveau de l'axe de la chappe).

Le Module de Stabilité Initiale Transversale est :
MSIT₀ = P(r-a)

Le nouveau MSIT' après déplacement est :
MSIT' = MSIT₀ - ph
MSIT' = MSIT₀ - pz

MSIT' = P(r-a) - pz

Tant que le poids n'est pas débarqué, le déplacement du navire reste constant.
Pour la manutention de colis lourd, un calcul prévisionnel de stabilité est impératif.

Si le produit " pz " est important et que le MSIT₀ est faible au moment où le colis décolle, MSIT' peut devenir négatif. Le navire recherche alors une nouvelle position d'équilibre stable. Il s'incline alors, entraînant le colis du côté de la gîte. Celui-ci peut provoquer des dégâts importants en prenant de la vitesse et en accumulant de l'énergie cinétique dans le mouvement de balan créé. Cette situation est dangereuse pour le navire et pour l'équipage à proximité du colis.
Même si le MSIT' reste positif, une petite gîte insensible au départ peut-être beaucoup amplifiée par la diminution du MSIT et provoquer le même effet de balan.

III. CARENES LIQUIDES

Lorsqu'une capacité à liquide n'est pas complètement vide ou remplie, le liquide qu'elle contient se déplace lorsque le navire s'incline. La surface du liquide est libre de s'incliner à la gîte ou au tangage d'où l'appellation de surface libre.
Il y a mouvement de poids.
En général, le mouvement longitudinal de liquide n'a pas d'effet sensible sur la stabilité longitudinale du navire (réservoir dans la longueur du navire).

Il existe différentes conceptions de cuves, cales, réservoirs, …, pour limiter les carènes liquides :

On assimile une carène liquide à un poids suspendu.

IV. VOIE D'EAU

Définition : Une voie d'eau est une ouverture accidentelle dans la coque mettant 1 ou plusieurs compartiments en libre communication avec la mer.

On peut étudier l'effet d'une voie d'eau sur la position d'équilibre du navire et sa réserve de stabilité transversale résiduelle à l'aide de 2 méthodes :

1) Méthode dite à " carène perdue "

On définit une nouvelle carène en retirant le volume du ou des compartiments envahis à la carène initiale.
Cette méthode nécessite un calculateur programmé à cet effet. Elle est utilisée systématiquement par les bureaux d'études de chantier et les sociétés de classification pour effectuer les calculs prévisionnels de stabilité après avarie.

2) Méthode dite " par embarquement de poids "

C'est une méthode approchée utilisable facilement si le poids d'eau embarqué " p " dans le compartiment, du fait de la voie d'eau, est relativement faible devant le déplacement initial P₀ du navire.
Cette méthode est analogue à celle utilisée pour les embarquements de poids compte tenu des effets de carènes liquides et de libre communication.

V. LES DOCUMENTS HYDROSTATIQUES

Les documents hydrostatiques sont obligatoires à bord des navires. Ils donnent sous forme de tables les caractéristiques de la carène en fonction du tirant d'eau, la variation du T.E en fonction du poids, l'impact du déplacement du centre de gravité sur le T.E, l'impact du déplacement du centre de carène…
On y trouve des données indispensables au calcul de stabilité du navire. Ces tables sont établies par les chantiers de constructions pour les navires modernes. On peut cependant les recalculer en disposant de 2 des 3 éléments suivants :

-Le tracé des lignes d'eau (ou section horizentale)
En principe, il y en a 11. La ligne d'eau zéro passe par le fond de la carène à la perpendiculaire milieu.

-Les couples de tracé (ou section transversale)
Il y en a en principe 21, de 0 à 20. Le couple zéro contient la PP.ARR., le couple 10, la PP. milieu, le couple 20 la PP.AV.

-Les sections longitudinales Il y en a 6 en principe, de 0 à 5, la section 0 correspondant au plan longitudinal.

Avec 2 de ces tracés, on peut définir le navire et déterminer les éléments de la table hydrostatique qui nous intéressent pour le calcul de stabilité pour les différentes lignes d'eau comme : les volumes de carènes, la position du centre de carène, du centre de gravité, le rayon métacentrique…

Outre les tables et courbes hydrostatiques, le capitaine devra posséder les plans du navire, les courbes de stabilité et de bras de levier, le compte rendu de l'expérience de stabilité…