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Dans la construction de ports modernes et d'installations offshore, les poteaux d'amarrage et les rainures d'amarrage sont des éléments clés qui protègent les navires et les structures des quais contre les dommages causés par les collisions. Avec l'expansion du transport maritime mondial, la modernisation des ports et la prolifération des navires de gros tonnage, les systèmes tampons sont désormais soumis à des exigences plus élevées en termes de performances, de durée de vie, de maintenabilité et d'intelligence. L’ancienne approche reposant uniquement sur une sélection empirique et des marges de sécurité excessives est progressivement remplacée par de nouvelles méthodes combinant modélisation fiable, optimisation structurelle, matériaux durables et surveillance intelligente.
Lors de la phase de sélection des défenses, il faut suivre un ensemble de principes et de normes pour garantir que le système tampon n'est ni trop conservateur ni sous-conçu.
（1）En Chine, JTJ 297-2001 : Spécification technique pour les installations auxiliaires de quai est une référence largement utilisée, définissant les définitions, les types de défenses, l'espacement, les critères de charge et les règles de conception.
（2）Au niveau international, les dernières directives de PIANC sur les défenses (par exemple les lignes directrices WG 33 / PIANC sur les défenses) fournissent des méthodes raffinées pour le calcul de l'énergie d'amarrage, la simulation du processus d'accostage et une approche de conception holistique.
（3）Pour les défenses en caoutchouc, les normes industrielles telles que HG/T 2866 et les normes d'association (par exemple T/CANSI 31-2020) offrent des conseils supplémentaires sur la sélection et l'installation.
Ces normes fournissent des critères fondamentaux (par exemple, absorption d'énergie de conception, compression maximale admissible, limites de force de réaction, etc.) et définissent les contraintes de conception (par exemple, pression frontale maximale, capacité de cisaillement, facteurs de sécurité).
Le cœur de la sélection consiste à évaluer l' énergie de collision effective qui doit être absorbée par le système tampon pendant l'accostage du navire :
（1）En fonction de la masse du navire, de la vitesse d'approche, du tirant d'eau, du désalignement de la direction d'accostage, de la rigidité structurelle du quai, etc., calculez l'énergie de collision
（2） Tenir compte des contributions environnementales : marées, courants, vagues, mouvements des navires induits par le vent qui génèrent des impacts supplémentaires
(3) Inclure une marge de sécurité : la capacité d'absorption totale des ailes doit dépasser l'énergie de collision prévue, en tenant compte de la dégradation des performances au cours de la durée de vie.
À partir de l’évaluation énergétique, on peut déterminer le type, les dimensions, le nombre et la disposition des ailes appropriées.
Les types de défenses courants comprennent :
(1) Défenses en caoutchouc plein (fixes / non flottantes)
(2) Défenses flottantes en caoutchouc (par exemple, pneumatiques, remplies)
(3) Dans les ailes en caoutchouc : type D, type O, type W, cône, arc, type V, etc.
(4) Combinaisons de défenses de pneus/pneus , souvent utilisées dans les petits ports
(5) Défenses en acier/métalliques ou défenses en polyuréthane/composites , pour une résistance élevée à l'usure, une longue durée de vie ou des applications spéciales
Lors de la sélection, il faut comparer les performances globales en termes d'absorption d'énergie / force de réaction / répartition de la pression / facilité d'installation / coût de maintenance / durée de vie.
Par exemple, les ailes de type arc (ou style « arc ») atteignent souvent une plus grande absorption d'énergie avec des forces de réaction inférieures par rapport aux configurations simples de type V sous la même compression nominale.
Même avec une défense correctement sélectionnée, une mauvaise disposition peut entraîner une défaillance du tampon :
(1) Disposition multicouche verticale / zonage par niveau d'eau : Dans les ports à forte amplitude de marée, déployer des défenses à différents niveaux verticaux afin qu'à différents niveaux d'eau, elles soient toujours en contact avec la coque.
(2) Espacement horizontal : L'espace entre les défenses adjacentes doit garantir que lorsque les défenses subissent une compression de conception, aucune section exposée du mur du quai ne reste vulnérable.
(3) Répartition le long du bord d'attaque : Les types de quais (mur de quai, quai sur pieux, quai sur chevalets) nécessitent des stratégies d'aménagement différentes
(4) Protection d'extrémité/coin : les régions d'extrémité peuvent nécessiter des ailes plus denses ou renforcées pour gérer les concentrations de contraintes locales
(5) Dispositions superposées / de secours : pour une large gamme de tailles de navires, envisagez des défenses superposées ou de rechange pour gérer les événements d'accostage extrêmes.
Dans la conception des ailes, il faut contrôler strictement :
(1) Pression frontale maximale admissible : La pression sur la coque du navire ne doit pas dépasser les valeurs admissibles.
(2) Capacité de cisaillement : Surtout sous une couchette inclinée ou inclinée, la défense doit résister aux forces de cisaillement
(3) Contrôle des forces de réaction : Les forces de réaction ne doivent pas être trop élevées pour éviter d'endommager le quai ou la structure du navire
(4) Redondance / facteur de sécurité : Tenir compte de la dégradation des matériaux et des conditions extrêmes afin que la conception conserve une marge
La sélection Fender n’est que la première étape. L'optimisation structurelle est plus cruciale pour améliorer les performances, réduire les coûts et prolonger la durée de vie.
Les approches de conception modernes mettent l'accent sur la considération de la défense comme faisant partie d'un système tampon plutôt que de traiter la défense, la structure d'ancrage, le cadre de support et la fondation comme des éléments isolés :
（1）Les lignes directrices PIANC (WG 33)/plus récentes soulignent que la conception doit intégrer la défense, la structure du quai et le comportement d'amarrage plutôt que de traiter la défense de manière isolée.
（2）Par exemple, la rigidité de la structure d'ancrage, des connexions de support et des pièces intégrées doit correspondre aux performances de mise en mémoire tampon pour éviter les défaillances par inadéquation.
Grâce aux progrès de la simulation, les concepteurs peuvent utiliser l'analyse par éléments finis (FEA), les modèles de couplage dynamique, l'analyse contact-impact, etc., pour simuler les interactions complexes entre la coque du navire, les défenses et la structure du quai.
Par exemple, les chercheurs ont utilisé des modèles d'éléments finis non linéaires du système « coque-aile-quai » pour simuler les réponses dynamiques sur toute la séquence d'accostage. Les résultats montrent souvent qu'à mesure que la vitesse d'approche augmente, l'efficacité d'absorption de la défense diminue, conduisant à une limite supérieure de vitesse d'approche sûre (par exemple 2 à 2,5 nœuds dans un cas donné).
Grâce à une telle modélisation, il est possible d'examiner l'évolution chronologique des contraintes, des déformations et de l'énergie absorbée tout au long des phases de contact, de compression, de déchargement et de rebond, puis d'optimiser le profil de la défense, la répartition des matériaux et le schéma d'ancrage.
Surtout pour les ailes grandes ou performantes, on peut envisager :
(1) Optimisation de la topologie : Optimiser la structure interne ou le support squelettique pour réduire le poids et les matériaux tout en préservant les performances
(2) Conception modulaire/unitaire : divisez les grandes ailes en unités modulaires pour faciliter la fabrication, le transport et le remplacement.
(3) Optimisation multi-objectifs : optimiser simultanément l'absorption d'énergie, la force de réaction, le coût, le poids et la durée de vie
Le choix des matériaux et la durabilité sont essentiels à l’optimisation structurelle :
(1) Caoutchouc / composites / matériaux renforcés de polymères hautes performances : réduire le poids tout en améliorant la résistance à la fatigue et les performances au vieillissement
(2) Couches ou revêtements de surface résistants à l'usure : pour atténuer l'usure localisée
(3) Structures composites (ex. ossature métallique + revêtement élastomère) : pour équilibrer rigidité et capacité de déformation
(4) Intégration de capteurs / matériaux d'autodiagnostic : pour fournir des données pour une surveillance ultérieure
Lors de la conception, il faut tenir compte de la dégradation environnementale (exposition aux UV, corrosion saline, cycles de température, bioencrassement) qui dégrade les propriétés des matériaux au fil du temps.
Les structures au-delà de l’aile elle-même présentent également un potentiel d’optimisation :
(1) Les méthodes d'ancrage (tiges d'ancrage, encastrement, joints boulonnés, soudage) doivent équilibrer la constructibilité et la sécurité structurelle.
(2) Les connecteurs/cadres de support doivent être redondants et faciles à remplacer.
(3) Les pièces encastrées/fondations doivent correspondre à la capacité portante du quai
(4) Facilité de maintenance/remplacement : conception pour la protection contre la corrosion, retrait rapide, remplacement modulaire
Au cours de la phase de planification et de conception, des dispositions doivent être prises pour l'entretien et le remplacement futurs afin d'éviter les pièges « une excellente défense mais impossible à remplacer ».
En plus de la sélection et de l'optimisation structurelle, les tendances suivantes émergent dans la conception de systèmes tampons modernes :
Avec des gammes plus diversifiées de tailles de navires et de conditions d'amarrage, la défense traditionnelle « taille unique » est remplacée par des conceptions modulaires et personnalisées :
（1）Les fabricants de défenses proposent plusieurs unités modulaires qui peuvent être assemblées pour correspondre aux conditions d'amarrage
（2）Ailes réglables ou ailes avec rigidité ou hauteur réglables
（3）Certains fournisseurs proposent désormais des outils de sélection en ligne intégrés aux spécifications de défense + poteau d'amarrage (par exemple les outils de conception de Trelleborg)
Cette tendance permet aux concepteurs d'allouer de manière flexible les ressources tampons, de réduire les coûts d'inventaire et de s'adapter aux futurs changements de navires.
Le renseignement est un axe majeur des infrastructures portuaires, et les systèmes tampons ne font pas exception :
（1） Intégration de capteurs (jauges de contrainte, capteurs piézoélectriques, capteurs de pression/déplacement sans fil, accéléromètres) pour surveiller la déformation, les contraintes et l'usure en temps réel
（2） Utilisation de l'IoT, des plates-formes cloud ou des technologies de jumeaux numériques pour relier l'état des défenses aux systèmes d'exploitation portuaires
（3）Utiliser les données de surveillance pour piloter la maintenance prédictive, l'estimation de la durée de vie et l'alerte précoce
Selon une étude de marché, le marché des défenses valorise de plus en plus l’intégration de capteurs et les capacités de surveillance de l’état comme moteur de croissance.
Face aux exigences croissantes en matière d’environnement et de réduction des émissions de carbone, la conception des systèmes tampons s’oriente vers des orientations plus vertes et plus durables :
（1） Utilisation de matériaux durables, anti-âge, recyclables ou réutilisables
（2）Optimisation pour réduire l'utilisation de matériaux
（3）Processus de fabrication respectueux de l'environnement pour réduire les émissions de carbone
（4） Prendre en compte les coûts du cycle de vie complet (matériaux, maintenance, remplacement) plutôt que le seul coût initial
La conception de nouvelle génération repose davantage sur une simulation fine et une analyse statistique du comportement d’accostage :
(1) Utiliser les données AIS / VTS (Automatic Identification System / Vessel Traffic Service) pour collecter les vitesses d'approche réelles des postes d'amarrage, les distributions des types de navires, le désalignement, l'angle de décalage, etc.
(2) Introduire l'analyse d'incertitude (Monte Carlo, analyse de sensibilité) dans la conception
(3) Tenir compte des conditions extrêmes (tempête, amarrage asymétrique, amarrage à courant élevé) et s'assurer que les systèmes tampons s'adaptent
Une conception aussi raffinée permet d’éviter une conception excessive tout en garantissant la sécurité dans divers scénarios.
Les systèmes tampons ne sont plus autonomes : ils sont co-conçus avec des poteaux d'amarrage, des rainures d'amarrage, des agencements de cordages d'amarrage , etc. :
(1) Considérant l'influence des forces des lignes d'amarrage sur le comportement du tampon
(2) Coordonner les positions relatives, la rigidité et les chemins de charge entre les défenses et les poteaux d'amarrage
(3) Pendant l'accostage, la rainure d'amarrage, les dispositifs de guidage de câble et les champs d'impact tampons peuvent interagir et se coupler
Cette vue intégrée permet d'obtenir des performances système plus fiables et une maintenance/exploitation plus facile.
Voici deux cas illustratifs ou études de recherche et leurs idées pour la sélection des ailes et l'optimisation structurelle.
Cas 1 : Simulation couplée dynamique et limitation de la vitesse d’accostage
Dans une étude intitulée « Simulation dynamique de la collision navire-aile-quai », les auteurs construisent un modèle d'éléments finis non linéaire du système coque-aile-quai et simulent la séquence d'accostage complète. Les résultats indiquent qu'à mesure que la vitesse d'approche augmente, l'efficacité d'absorption des ailes se dégrade ; dans le cas étudié, la vitesse maximale d'accostage en toute sécurité était d'environ 2,5 nœuds, avec une vitesse de sécurité recommandée d'environ 2,0 nœuds.
Implication : Même si la sélection des défenses est appropriée, si la vitesse d'accostage réelle est trop élevée, les performances du tampon peuvent se dégrader ou échouer. Ainsi, le contrôle de la vitesse doit faire partie de la conception.
Cas 2 : Tendance du marché en matière de modularisation et d'intégration intelligente
Selon une étude de marché, le marché des défenses évolue vers des solutions modulaires, personnalisables et intégrées aux capteurs . Les fabricants de défenses intègrent des capteurs de surveillance d'état, proposent des outils de conception en ligne et des schémas de combinaison modulaires pour répondre aux exigences variées des ports.
Implication : Dans la fabrication d'équipements et la conception de systèmes, il est sage de réserver de l'espace pour la disposition des capteurs, les normes d'interface modulaire et les voies de mise à niveau, en prévision des améliorations futures.
En passant de la sélection des ailes à l'optimisation structurelle, les concepteurs sont confrontés à plusieurs défis :
1. Incertitudes liées au comportement d’accostage
La vitesse d'approche, l'angle de désalignement, l'attitude et le mouvement du navire sont hautement aléatoires. Les conceptions doivent incorporer des modèles statistiques ou de Monte Carlo pour gérer cette incertitude.
2. Dégradation des matériaux et prédiction de la durée de vie en fatigue
Les matériaux en caoutchouc et polymères se dégradent avec le temps en raison des UV, du brouillard salin, des cycles de température, de l'encrassement biologique, de la fatigue mécanique, etc. La prévision de la durée de vie et la conception des marges sont essentielles.
3. Contraintes de construction et d’installation
Les éléments encastrés du quai, les fondations d'ancrage, les cadres de support doivent obéir aux contraintes du chantier (profondeur, structure des pieux, forme structurelle du quai). La conception doit garantir la constructibilité.
4. Complexité du couplage système
L'interaction entre les défenses, les poteaux d'amarrage, les cordages et les rainures peut être compliquée. Des modèles de simulation conjointe et de couplage itératif peuvent être nécessaires.
5. Équilibrer les performances, les coûts et la maintenance
Les ailes hautes performances dotées de capteurs intelligents sont plus chères. La sélection doit trouver un compromis entre les performances, les coûts, la maintenance et les dépenses liées au cycle de vie.
6. Lacunes en matière de normes et adaptation à la localisation
Bien que des normes (par exemple JTJ, PIANC) existent, de nombreux projets doivent s'adapter au climat local, à l'hydrologie, à la composition des navires et aux contraintes juridiques/réglementaires.
De la sélection des défenses à l’optimisation structurelle, se trouve au cœur de la conception du système tampon de quai. À l’avenir, la conception des systèmes tampons s’appuiera de plus en plus sur des outils de simulation, une réflexion au niveau du système, l’innovation matérielle et une surveillance intelligente. La personnalisation modulaire, la détection d’état et la conception durable sont des orientations émergentes. Parallèlement, les concepteurs doivent continuer à tenir compte des incertitudes liées au comportement d'accostage, au vieillissement des matériaux, aux contraintes de constructibilité, au couplage des systèmes et aux problèmes de coûts sur toute la durée de vie.
