Brevet FR2528466A1 — publié le 19831216

La présente invention concerne un procédé pour la protection de constructions stationnaires situées dans l'eau et entourées par l'eau, contre un champ de glace flottant sur la surface de l'eau. Dans cette description, l'expression "construction stationnaire" signifie toute construction restant essentiel- lement en lieu fixe dans l'eau, par exemple une construction flottante ancrée sur le fond. Une construction stationnaire située dans l'eau et entourée par l'eau peut être une pile de support de pont, un pilier de support de plate- forme de forage, une tour de phare érigée sur une fondation submergée, etc Des constructions de ce genre sont aujourdrhui fréquemment utilisées dans des régions o l'eau peut geler et o peuvent se produire des champs de glace flottants Les problèmes soulevés par la charge exercée par l'eau peuvent naturellement être le mieux résolus lorsque la totalité de la construc- tion est conçue dès le départ pour résister à la pression de la glace Cependant, cela n'est pas possible si la construction, qui a été conçue pour des conditions avec eau libre est transférée dans une région dans laquelle des pressions de glace peuvent exister Le problème de modifier après coup une structure importante et complexe pour qu'elle résiste à la pression de la glace est com- pliqué et constitue une opération très coûteuse. La présente invention a pour but de proposer un pro- cédé au moyen duquel des constructions déjà existantes peuvent aisément être protégées contre une charge de glace. L'invention est basée sur la constatation surprenante que, même s'il est connu que la charge causée par un champ de la glace mouvant croît proportionnellement a Vsection transver- sale de rupture de la glace d'une construction station- naire dans ce champ de glace, il est encore possible de prévoir une construction auxiliaire, qui diminue la charge horizontale causée par la glace, en dépit du fait que la section transversale de l'ensemble de la structure station- 2 2528466 naire crolt, ou, en d'autres termes, que la grandeur du champ de glace à briser est croissante. Dans ce but, le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce que une structure de protection est disposée autour de la construction stationnaire, cette structure ayant une section transversale considérablement supérieure à la section transversale de la construction stationnaire, et comprenant, au niveau de la surface de l'eau et audessous de ce niveau, une surface extérieure en petite vers le bas _n direct-on opposée a la construc- tion stationnaire de maniîère aà former une surface de rupture de la glace qui a pour effet de courber vers le bas la masse de glace qui se meut contre ladite surface de protection. Il est possible de provoquer ainsi une diminution d'importance surprenante de la force exercée par la glace, sans aucune modification de la construction elle-même, en pourvoyant la construction stationnaire d'une struc- ture de protection de ce type. Les calculs et les essais sur modèle ont montré que, lorsqu'une construction stationnaire est plus grande que l'épaisseur de la glace, le procédé conforme à l'invention peut diminuer la charge horizontale de la glace jusqu'à environ un dixième de la charge, qui serait exercée sans les mesures conformes à l'invention. La manière la plus simple d'appliquer le procédé de l'invention consiste à donner à la structure de pro- tection une forme de cône convergent vers le bas Ce cône doit de préférence être dimensionné et monté de telle sorte que son diamètre à la surface de l'eau soit égal à 0,8 jusqu'à 1,15 fois le diamètre de la construction stationnaire à protéger, divisé par ( 1 cos a) formule dans laquelle a est l'angle d'inclinaison de la surface enveloppe du cône par rapport à un plan horizontal. La valeur optimale de cet angle d'inclinaison est ha- bituellement de l'ordre de 35 à 65 degrés, et plus précisément de l'ordre de 40 à 60 degrés. Etant donné que la force de sollicitation causée par un champ de glace mouvant sur une construction station- naire dépend essentiellement de la friction entre la glace et la construction, il est avantageux, dans l'application de l'invention, de prévoir une surface extérieure lisse de la structure de protection, au niveau de la surface de l'eau et au-dessous de ce niveau De préférence, on utilisera un matériau qui reste lisse dans l'eau pendant assez longtemps, par exemple un acier inoxydable qui, malgré son prix élevé peut être la solution la plus économique Les mesures de protection conformes à l'invention apportent souvent des économies qui dépassent de plusieurs fois les dépenses de matériau et de travail causées par l'application de l'in- vention Une surface d'acier ordinaire peut également être rendue lisse en la recouvrant d'une peinture spéciale, telle qu'une peinture époxy, qui lui confère une surface dure, lisse et résistant à l'usure par la glace. L'efficacité du procédé conforme à l'invention peut être accrue en insufflant un gaz sous pression à travers des ouvertures de soufflage de gaz disposées sous l'eau, au voisinage de l'extrémité inférieure de la structure de protection ou à un niveau plus bas dans la construction stationnaire elle-même Si des quantités suffisantes de gaz, par exemple de l'air, sont éjectées, les bulles de gaz ascendantes provoqueront de violents courants d'eau le long de la surface extérieure de la structure protectrice. Cette eau agira comme un lubrifiant de réduction de la friction entre la structure protectrice et la glace ambiante Ce procédé de réduction de la friction est décrit, comme étant appliqué à des bateaux, dans le brevet US n O 3 580 204 Ce procédé est différent du procédé comparatif connu, qui est utilisé pour élever de l'eau de fond chaude vers la surface au moyen de bulles d'air ascendantes en vue de fondre la glace située à la surface ou pour éviter sa formation Lorsqu'on utilise le procédé conforme à 4 2528466 l'invention de soufflage de gaz, la quantité de gaz éjectée dans l'eau doit être suffisamment grande pour que le cou- rant d'eau engendré puisse être clairement constaté sous la forme d'une crête d'eau à la surface au voisinage im- médiat de la structure protectrice Cette crête d'eau est plus facile à observer lorsqu'on opère en pleine eau, non perturbée par des vagues, ou analogues. Il a été constaté comme favorable que la structure protectrice soit dimensionnée et montée de telle sorte que l'extension verticale de sa portion inclinée vers le bas, à partir du niveau de la surface de l'eau, vers le bas, soit égale au moins au double de l'épaisseur maximale pos- sible de la couche de glace susceptible de se produire dans la région en question, et soit, de préférence, égale à quatre fois cette épaisseur maximale. L'invention est décrite ci-après, à titre d'exemple de réalisation, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en élévation latérale d'un exemple d'application du procédé de l'in- vention pour la protection d'une colonne ou pilier vertical stationnaire, et la figure 2 est une vue par le dessus de l'ensemble de la figure 1. Dans les dessins, la référence 1 désigne une colonne tubulaire verticale dont la partie inférieure est immergée dans l'eau 2, qui est couverte par un champ de glace 4 se déplaçant en direction de la flèche 3 Un champ de glace de ce genre se déplaçant sous l'action du vent ou du courant, comme une charge horizontale agissant sur la colonne stationnaire 1 Cette charge peut être très impor- tante et provoquer une flexion, une rupture ou un déplace- ment indésirable de la colonne Des tentatives ont été faites pour résoudre ce problème en donnant à la colonne une forme favorable à la diminution de la charge de glace. Mais cette solution est compliquée et elle aura habituel- 2528466; lement un effet défavorable sur l'ensemble unitaire, dont la colonne en question est une partie constituante Il est également possible de dimensionner la colonne en vue d'une résistance mécanique à cette charge éventuelle, mais cela accroit considérablement son diamètre, ce qui, à son tour, cause un accroissement de la charge, et ainsi de suite indéfiniment Une troisième voie de solution consiste à empêcher la formation de glace au voisinage de la colonne, ce qui exige des quantités importantes de dépense d'énergie. D'autre part, ces procédés connus pour s'opposer à la formation de glace ne sont habituellement pas efficaces dans le cas d'un champ de glace mouvant. La colonne 1 peut être, par exemple, une colonne creuse en acier ayant une section transversale circulaire. Conformément à la présente invention, une structure de protection 5 est montée autour de la colonne 1 De cette manière, la section transversale soumise à la charge de glace est considérablement augmentée, mais, malgré cela, on obtient une réduction considérable de la charge hori- zontale La forme la moins compliquée de la structure protectrice 5 est une surface conique convergente vers le bas Le cône a une dimension telle que les blocs de glace ne viennent pas directement en collision avec la colonne 1. Etant donné que la longueur maximale d'un bloc de glace qui a été brisé par le cône 5 est égale à la moitié du diamètre de cône au niveau de la surface de l'eau, la longueur 4 de la génératrice du cône, depuis le niveau de la surface de l'eau jusqu'à la pointe inférieure 6 du cône, est choisie telle qu'elle soit égale à la moitié du diamètre S du cône 5 au niveau de la surface de l'eau. Les références suivantes sont utilisées dans la description ci-après: S = diamètre du cône 5 au niveau de la surface de l'eau, P = diamètre de la colonne 1, a = angle d'inclinaison de la surface extérieure du cône 5 6 2528466 relativement à un plan horizontal, t = résistance à le flexion de la glace = environ 500 k N/m 2 h = épaisseur de la couche de glace en mètres H = charge horizontale cnusêe par la glace lorsqu'elle a été cassée en morceaux par flexion M = charge horizontale causée par la glace lorsqu'elle a été cassée par broyage et éclatement en morceaux c = résistance au broyage de la glace 3 000 a 7 000 k N/m- f = coefficient d'adaptation à la forme n = poids spécifique de la glace = environ 9 k N/m 3 Le but de la structure protectrice est de briser la glace en la courbant vers le bas La charge horizontale agissant sur le cône 5 par la glace peut être calculée grossièrement conformément à l'équation de résistance connue de Kashteljan: H = 0,004 S t h f + 3,6 n S h f ( 1) Le coefficient d'adaptation pour un cône de type a est f= 1 + 0,5 tg a Dans le cas de non utilisation d'une structure pro- tectrice conforme à l'invention, la glace 4 entre directe- ment en collision avec la colonne 1, de sorte qu'elle est brisée par broyage et éclatement en morceaux La charge causée par la glace peut alors etre calculée con- formément à l'équation suivante: M = 0,5 c h P L'équation de résistance ( 1) de Kashteljan donne des résultats quelque peu erronés Elle donne, par exemple, 7 2528466 une valeur optimale de 67 degrés pour l'angle a Des cal- culs plus précis et beaucoup plus compliqués ont montré que la valeur optimale réelle de l'angle a est égale à environ 50 degrés et que, en pratique, l'angle a doit être compris entre 35 et 65 degrés et, de préférence, entre et 60 degrés. Dans le cas d'une épaisseur de glace de 1 mètre et d'un diamètre de colonne de 8 mètres, la charge de glace sera égale à environ 110 tonnes si l'on choisit une valeur favorable pour l'angle a Sans la structure protectrice 5, dans une situation similaire, la charge horizontale causée par la glace et agissant sur la colonne 1 s'élève à une valeur de 2 800 tonnes Ainsi, au moyen de l'invention, la résistance peut être réduite pour être égale seulement à 4 % de la charge agissant autrement sur la colonne 1 Même dans le cas o la structure protectrice ne serait pas di- mensionnée et formée de la manière la plus favorable, on peut néanmoins admettre que la charge réelle appliquée serait de l'ordre de grandeur de 10 % de la charge qui agirait sur la colonne en l'absence de la structure pro- tectrice de l'invention. La figure montre également comment la friction causée par la glace peut être diminuée par le soufflage d'air mentionné plus haut Des quantités d'air importantes sont soufflées à travers les orifices 16 'à un niveau relativement profond Cet air, en tant que tel, n'a aucun effet signi- ficatif sur la friction de la glace, mais les bulles d'air ascendantes 7 engendreront de violents courants d'eau 8 vers le haut qui donneront lieu à une crête d'eau 9 à la surface, au voisinage immédiat du cône 5 de la structure protectrice La hauteur de cette crête 9 peut être d'environ centimètres en eau calme, ou le cas échéant nettement plus Un niveau de profondeur recommandé pour les orifices de soufflage d'air est environ-5 mètres et la pression de soufflage recommandée est seulement légèrement supérieure à la pression hydrostatique règnant à la profondeur de niveau 8 2528466 de ces orifices 16. Dans des conditions de présence de glace très sévères, on peut utiliser une structure protectrice déplaçable ver- ticalement Cette mobilité peut être obtenue au moyen de cylindres de vérins 10 On peut utiliser quatre de ces vérins comme représenté dans la figure 2 Des guides et surfaces de guidage appropriés sont disposés pour la structure déplaçable verticalement La cassure de la glace peut être effectuée en déplaçant la structure 5 vers le bas Avec ces moyens, on peut même disperser des arêtes de glace en vue de réduire la charge agissant sur la colonne 1. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits Diverses modifications restent possibles sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. L'invention s'étend également à une structure de protection contre la pression d'un champ de glace mouvant par application du procédé décrit et revendiqué. 9 2528466 R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé pour la protection de constructions stationnaires ( 1) situées dans l'eau et entourées par l'eau, contre les forces exercées par un champ de glace mouvant ( 4) dans cette eau, procédé caractérisé en ce qu'une struc- ture protectrice ( 5) est disposée autour de cette construc- tion stationnaire ( 1), cette structure présentant une section transversale considérablement plus grande que la section transversale de la construction stationnaire, et comprenant, au niveau de la surface de l'eau et au- dessous de cette surface, une surface extérieure inclinée vers le bas dans une direction opposée à la construction stationnaire, pour former une surface de rupture de glace en courbant vers le bas la glace ( 4) qui se déplace contre cette structure protectrice ( 5). 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la structure protectrice ( 5) est formée fondamenta- lement par un cône convergent vers le bas. 3 Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la structure protectrice ( 5) est dimensionnée et montée de telle manière que son diamètre S au niveau de la surface de l'eau est compris entre 0,8 et 1,5 fois le diamètre P de la construction stationnaire à protéger ( 1) divisé par ( 1-cos a), formule dans laquelle a désigne l'angle d'inclinaison de la surface du cône relativement à un plan horizontal. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure protectrice ( 5) a une forme telle que l'inclinaison (a) de sa surface ex- térieure soit comprise entre 35 et 65 degrés, et notamment entre 40 et 60 degrés. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface extérieure de la structure protectrice ( 5), au niveau de la surface de l'eau et au-dessous de cette surface, est prévue lisse, et notamment réalisée en un matériau qui reste lisse en eau de mer. Z 528466 6 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, au voisinage du bord in- férieur de la structure protectrice, ou d'une portion in- férieure de la construction stationnaire ( 1), sont prévus des orifices de soufflage de gaz ( 16), qui sont connectés à un dispositif générateur de gaz sous pression, par exemple d'air comprimée au oiaven duquel sont produits, par les bulles de gaz éjectées, des courants d'eau ascen- dants ( 8),qui agissent comme un lubrifiant réducteur de friction entre la structure protectrice ( 5) et la glace ambiante ( 4). 7 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la structure protectrice ( 5) est dimensionnée et montée de telle manière que l'extension verticale de sa portion inclinée vers le bas, à partir du niveau de surface de l'eau est égale à au moins le double de l'épaisseur maximale éventuelle de la couche de glace se produisant dans la région o la construction stationnaire est installée, et est notamment égale à en- viron quatre fois cette épaisseur maximale. 8 Structure protectrice ( 5) pour l'application du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle est dimensionnée et formée conformément à ce procédé. 9 Structure protectrice suivant la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens ( 10) pour la déplacer verticalement. Structure protectrice suivant la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens sont dimensionnés et disposés de telle manière qu'il soit possible de réaliser un déplacement extrêmement énergique dirigé vers le bas et capable de briser la couche de glace.