Mesurer l’impact des vagues extrêmes sur les structures offshore

Mesurer l'impact des vagues extrêmes sur les structures offshore

Comment les forces fortes affectent-elles les grandes structures ? Crédit : Plateforme Sleipner A/Equinor

La force des vagues qui frappent les plates-formes offshore, les piliers d’éoliennes, les navires ou d’autres structures offshore peuvent causer d’énormes dégâts.

L’un des problèmes fondamentaux et non résolus de la conception de ce type de grandes structures est de pouvoir prédire exactement comment elles réagiront aux contraintes extrêmes. Quelle est exactement la charge de la force des vagues puissantes qui s’écrasent sur les structures ?

Résoudre ces défis sera une étape majeure vers des opérations maritimes plus sûres et plus rentables.

Interaction entre la charge et l’effet de charge

« Il est crucial de comprendre l’interaction mutuelle entre l’onde d’impact et la réponse de la structure », explique René Kaufmann.

Kaufmann est chercheur postdoctoral au NTNU SIMLab (Structural Impact Laboratory) et l’un des chercheurs du projet SLADE KPN. Il s’agit d’un projet de renforcement des connaissances pour l’industrie (KPN) financé par le Conseil de la recherche de Norvège, dans lequel des chercheurs de SINTEF Ocean et NTNU collaborent à la recherche fondamentale.

L’objectif global est d’augmenter la sécurité en mer.

Construire des ponts et mieux concevoir

Il est important d’élargir ce que l’on sait de ces défis, mais cela nécessitera des études expérimentales systématiques des scénarios d’impact des vagues. Le projet fera exactement cela, ce qui devrait permettre aux chercheurs de comprendre comment le comportement d’une structure interagit avec les charges qui lui sont appliquées.

Les chercheurs développent des méthodes expérimentales pour mesurer cette interaction. De meilleures méthodes de calcul peuvent aider l’industrie lors de la conception de nouvelles structures offshore.

L’objectif de Kaufmann est de mesurer l’impact des déformations de surface locales causées par des charges massives.

Mesurer l'impact des vagues extrêmes sur les structures offshore

La façon dont les grandes structures réagissent aux fortes vagues n’est pas encore entièrement comprise. Le boursier postdoctoral Rene Kaufmann est l’un des chercheurs qui s’efforcent de trouver les réponses. Crédit : Vegard Aune, SIMLab

Un aspect important de la recherche de Kaufmann est de s’assurer que l’équipement de mesure lui-même n’affecte pas les propriétés de la structure. Les chercheurs du SIMLab ont utilisé leur expérience des techniques basées sur des caméras pour mesurer la réponse structurelle aux charges résultant d’impacts et d’explosions.

Mais plus là-dessus plus tard. Nous partons d’abord pour un voyage dans la mer de Norvège.

« Une énorme vague sur son chemin »

Les vagues horizontales monstrueuses qui peuvent frapper violemment les navires et autres structures en mer proviennent de ce qu’on appelle des tempêtes centenaires.

En 1995, la plate-forme offshore « Draugen » a été mise à rude épreuve dans la région de Halten Bank, sur le plateau continental norvégien. Le 12 mars, un ouragan a balayé la mer de Norvège et le responsable de la plate-forme Magne Gundersen a reçu un appel téléphonique inattendu du centre météorologique d’Aberdeen.

Le Centre a mis en garde contre une vague massive se dirigeant vers la plate-forme. L’équipage n’avait que 30 minutes pour se préparer. La production a été immédiatement arrêtée. Gundersen a rassemblé l’équipage de 134 personnes dans le gymnase à l’intérieur de la plate-forme. Là, il rassure tout le monde en exprimant sa confiance inconditionnelle envers les ingénieurs qui ont conçu la plate-forme Draugen.

La plate-forme a tremblé sous l’équipage

« Juste après avoir prononcé ces mots, le ‘BANG’ le plus fort, le plus tremblant et le plus violent que j’aie jamais entendu a retenti », a déclaré Gundersen dans une interview après l’incident.

« Nous avons commencé à ressentir un mouvement de plus en plus important sous nos pieds. (…) [T]La chambre n’arrêtait pas de tanguer. Je ne pouvais pas dire exactement combien de temps cela a duré, mais je suppose que cela prendrait plus d’une minute », a-t-il déclaré.

D’abord, l’énorme vague avait heurté le puits, avant de se soulever sous le pont avec une force énorme. La distance entre le niveau d’eau stagnante et le pont de la cave de la plate-forme est de 30 mètres.

Mesurer l'impact des vagues extrêmes sur les structures offshore

La plate-forme Draugen sur Halten Bank, en mer de Norvège. Crédit: Svema / Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0

Dans la physique du claquement des ondes

Une question clé pour SLADE est : quelle est la contrainte effective de ces types de charges ?

« Nous devons comprendre la charge avant de pouvoir étudier les détails du comportement d’une structure », explique Vegard Aune, professeur agrégé au SIMLab.

Un autre incident qui a contribué à la motivation de SLADE s’est produit en mer du Nord en décembre 2015, lorsqu’une grosse vague abrupte a déferlé sur la plate-forme de forage COSL Innovator. La plate-forme a été conçue conformément à la réglementation, mais n’a toujours pas résisté à la charge.

L’incident a fait une vie humaine et quatre personnes ont été blessées. La plate-forme a également été considérablement endommagée.

Comprendre la charge pour prédire la réponse de la charge

« Des accidents comme l’événement COSL Innovator soulèvent la question de savoir si nous comprenons pleinement la physique sous-jacente du chargement lors de violentes vagues. Il est crucial de fournir aux ingénieurs de construction des connaissances détaillées sur les charges, la physique sous-jacente et les matériaux. Tout cela est essentiel pour comprendre et prédire comment les structures réagissent en cas de stress extrême », explique Aune.

Essais sur modèles contrôlés

Kaufmann, avec ses collègues chercheurs Bjørn Christian Abrahamsen du SINTEF Ocean Transport & Energy et les ingénieurs de projet Trond Auestad (SIMLab) et Jens Åge Havmo (SINTEF Ocean), ont récemment passé plusieurs jours dans l’Ocean Basin Laboratory de Tyholt à Trondheim, où ils ont des tests de slamming sur des modèles réduits.

Les chercheurs ont testé la technique de mesure qu’ils avaient élaborée, qui consiste à mesurer la charge lorsque la vague frappe la structure.

Aujourd’hui, cela est mesuré avec des compteurs ponctuels qui reposent sur des fils. L’équipe SLADE a exploré l’utilisation de lasers et de techniques de caméras qui non seulement fournissent des mesures à un point donné, mais peuvent potentiellement déterminer dans le temps et dans l’espace comment l’ensemble du champ d’ondes entrant évolue à mesure qu’il se rapproche de la structure.






Les chercheurs ont utilisé le bassin océanique de Tyholt à Trondheim pour recréer des vagues déferlantes claquant sur une plaque d’acier plate. La plaque a été intégrée dans un pilier en acier représentant une structure en acier réduite en mer.

Ce développement conduit à un autre objectif pour SLADE, celui de combler le fossé entre les tests physiques et les simulations informatiques fiables.

Les chercheurs ont recréé des vagues déferlantes dans le bassin, les faisant claquer dans une plaque d’acier plate. La plaque a été intégrée dans un pilier en acier représentant une structure en acier réduite en mer.

Mesures au niveau micro

Kaufmann a une formation en mécanique des écoulements. Il est un expert en déflectométrie, qu’il décrit comme une « technique de mesure de pente de surface en plein champ ». La technique est très sensible et permet de mesurer les déformations jusqu’au micromètre.

Kaufmann a obtenu son doctorat de l’Université de Southampton, au Royaume-Uni, en 2019. La technique qu’il utilise dans SLADE est liée à sa thèse.

Des scientifiques qui se complètent

Le chef de projet de SLADE, le Dr Øyvind Hellan, décrit le projet comme une « collaboration inspirante entre des environnements de recherche qui se complètent ».

Hellan est vice-président de la recherche au SINTEF Ocean. Il dit que lorsque SLADE a été lancé, ils voulaient se concentrer sur la constitution d’une équipe de chercheurs norvégiens de premier plan. SINTEF Ocean, un leader mondial de la technologie marine et de la recherche biologique marine, s’est associé au département de technologie marine de NTNU et au SIMLab du département d’ingénierie structurelle.

IMT est un leader mondial de l’éducation, de la recherche et de l’innovation pour les systèmes techniques en milieu marin. SIMLab a le même statut dans le domaine des structures porteuses soumises à des charges extrêmes.

Équipe des meilleurs chercheurs dans le domaine

« Ce sont les deux environnements académiques de NTNU qui se classent en tête des évaluations internationales du Conseil de recherche dans leurs domaines respectifs », a déclaré Hellan.

SLADE KPN a été lancé en 2019, mais les partenaires impliqués ont une longue histoire commune de collaboration.


Utiliser les navires eux-mêmes pour surveiller et prévoir les vagues


Fourni par l’Université norvégienne des sciences et de la technologie

Citation: Mesure de l’impact des vagues extrêmes sur les structures offshore (2021, 17 août) récupéré le 17 août 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-08-impact-extreme-offshore.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.