ISO 12215-9:2012
(Main)Small craft — Hull construction and scantlings — Part 9: Sailing craft appendages
Small craft — Hull construction and scantlings — Part 9: Sailing craft appendages
ISO 12215-9:2011 defines the loads and specifies the scantlings of sailing craft appendages on monohull sailing craft with a length of hull of up to 24 m, measured according to ISO 8666. It gives design stresses, the structural components to be assessed, load cases and design loads for keel, centreboard and their attachments, computational methods and modelling guidance, and the means for compliance with its provisions.
Petits navires — Construction de coques et échantillonnage — Partie 9: Appendices des bateaux à voiles
L'ISO 12215-9:2011 définit les chargements et spécifie l'échantillonnage des appendices des bateaux à voiles d'une longueur de coque, LH, mesurée conformément à l'ISO 8666, inférieure ou égale à 24 m. Elle fournit: les contraintes de conception, les éléments structurels à évaluer, les cas de chargement et les charges de conception pour la quille, la dérive et leurs éléments de liaison, les méthodes de calcul et des instructions de modélisation et les moyens de se conformer à ses dispositions.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 12215-9
First edition
2012-06-15
Small craft — Hull construction and
scantlings —
Part 9:
Sailing craft appendages
Petits navires — Construction de la coque et échantillonnage —
Partie 9: Appendices des bateaux à voiles
Reference number
ISO 12215-9:2012(E)
©
ISO 2012
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ISO 12215-9:2012(E)
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Published in Switzerland
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ISO 12215-9:2012(E)
Contents Page
Foreword . iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 2
4 Symbols . 3
5 Design stresses . 4
6 Structural components to be assessed . 6
7 Load cases . 6
7.1 General . 6
7.2 Load case 1 — Fixed keel at 90° knockdown . 7
7.3 Load case 2 — Canted keel steady load at 30° heel with dynamic overload factor . 8
7.4 Load case 3 — Keelboat vertical pounding . 9
7.5 Load case 4 — Keelboat longitudinal impact . 10
7.6 Load case 5 — Centreboard on capsize recoverable dinghies . 11
7.7 Load case 6 — Centreboard or dagger board upwind . 11
7.8 Other load cases . 12
8 Computational methods . 15
8.1 General . 15
8.2 General guidance for assessment by 3D numerical procedures . 15
8.3 Assessment by strength of materials/non-computational-based methods . 16
9 Compliance . 16
Annex A (normative) Application declaration . 18
Annex B (informative) Information on metal for appendages and fasteners and
“established practice” for fastening and welding . 19
Annex C (informative) “Established practice” structural arrangement for ballast keels . 30
Annex D (informative) “Established practice” calculation of keel fin strength (fixed or canting)
and fixed ballast keel connected by bolts . 44
Annex E (informative) Geometrical properties of some typical appendage foil shapes . 61
Annex F (informative) Simplified fatigue strength assessment . 64
Bibliography . 76
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ISO 12215-9:2012(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 12215-9 was prepared by Technical Committee ISO/TC 188, Small craft.
ISO 12215 consists of the following parts, under the general title Small craft — Hull construction and
scantlings:
Part 1: Materials: Thermosetting resins, glass-fibre reinforcement, reference laminate
Part 2: Materials: Core materials for sandwich construction, embedded materials
Part 3: Materials: Steel, aluminium alloys, wood, other materials
Part 4: Workshop and manufacturing
Part 5: Design pressures for monohulls, design stresses, scantlings determination
Part 6: Structural arrangements and details
Part 7: Scantling determination of multihulls
Part 8: Rudders
Part 9: Sailing craft appendages
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ISO 12215-9:2012(E)
Introduction
The reason underlying the preparation of this part of ISO 12215 is that standards and recommended practices
for loads on the hull and the dimensioning of small craft differ considerably, thus limiting the general worldwide
acceptability of craft.
The loss of a keel leading to craft capsize is one of the major casualty hazards on sailing craft and therefore
the structural efficiency of all elements of the keel and its connection to the craft is paramount.
This part of ISO 12215 specifies the design loads and their associated stress factors. The user then has a
choice between one or the other of the following available options for assessing the structural arrangement.
a) Use of advanced engineering methods which allow the structure to be modelled as three-dimensional:
suitable methods include finite element analysis and subsets thereof such as matrix displacement or
framework methods. General guidance is provided on modelling assumptions within this part of
ISO 12215.
b) Use of simplified, generally two-dimensional, “strength of materials”-based stress equations: These are
presented in Annexes B to F and, if this option is chosen, use of the equations will be necessary to fulfil
the requirements of this part of ISO 12215.
This part of ISO 12215 has been developed applying present practice and sound engineering principles. The
design loads and criteria of this part of ISO 12215 may be used with the scantling determination equations of
this part of ISO 12215 or using equivalent engineering methods as indicated in a), above.
The dimensioning according to this part of ISO 12215 is regarded as reflecting current practice, provided the
craft is correctly handled in the sense of good seamanship and equipped and operated at a speed appropriate
to the prevailing sea state.
During the latter stages of the development of the ISO 12215 series, and after publication of key parts, a
number of authorities adopted this International Standard for the assessment of high-performance racing
yachts. While, in theory, a category A blue-water cruising yacht could experience the same loads as a
competitive racing yacht, the latter has not been the principal focus of ISO 12215. Consequently, designers
are strongly cautioned against attempting to design high-performance racing craft such that nearly all
structural components only just comply.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 12215-9:2012(E)
Small craft — Hull construction and scantlings —
Part 9:
Sailing craft appendages
1 Scope
This part of ISO 12215 defines the loads and specifies the scantlings of sailing craft appendages on monohull
sailing craft with a length of hull, L , of up to 24 m, measured according to ISO 8666. It gives
H
design stresses,
the structural components to be assessed,
load cases and design loads for keel, centreboard and their attachments,
computational methods and modelling guidance, and
the means for compliance with its provisions.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 898-1, Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel — Part 1: Bolts, screws
and studs with specified property classes — Coarse thread and fine pitch thread
ISO 3506-1, Mechanical properties of corrosion-resistant stainless steel fasteners — Part 1: Bolts, screws and
studs
ISO 8666, Small craft — Principal data
ISO 12215-3, Small craft — Hull construction and scantlings — Part 3: Materials — Steel, aluminium alloys,
wood, other materials
ISO 12215-5:2008, Small craft — Hull construction and scantlings — Part 5: Design pressures for monohulls,
design stress, scantlings determination
ISO 12215-6:2008, Small craft — Hull construction and scantlings — Part 6: Structural arrangements and
details
ISO 12217-2, Small craft — Stability and buoyancy assessment and categorization — Part 2: Sailing boats of
hull length greater than or equal to 6 m
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ISO 12215-9:2012(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
design category
sea and wind conditions for which a craft is assessed to be suitable, provided the craft is correctly handled in
the sense of good seamanship and operated at a speed appropriate to the prevailing sea state
3.1.1
design category A
“ocean category”
category of craft considered suitable to operate in seas with significant wave heights above 4 m and wind
speeds in excess of Beaufort Force 8, but excluding abnormal conditions such as hurricanes
3.1.2
design category B
“offshore category”
category of craft considered suitable to operate in seas with significant wave heights up to 4 m and winds of
Beaufort Force 8 or less
3.1.3
design category C
“inshore category”
category of craft considered suitable to operate in seas with significant wave heights up to 2 m and a typical
steady wind force of Beaufort Force 6 or less
3.1.4
design category D
“sheltered waters category”
category of craft considered suitable to operate in waters with significant wave heights up to and including
0,3 m with occasional waves of 0,5 m height, for example from passing vessels, and a typical steady wind
force of Beaufort 4 or less
3.2
loaded displacement mass
m
LDC
mass of the craft, including all appendages, when in the fully loaded ready-for-use condition as defined in
ISO 8666
NOTE 1 The displacement includes all possible options (generator, air conditioning, etc.).
NOTE 2 The loaded displacement mass is expressed in kilograms.
3.3
sailing craft
2/3
craft for which the primary means of propulsion is wind power, having A 0,07(m ) where A is the total
S LDC S
profile area of all sails that may be set at one time when sailing closed hauled, as defined in ISO 8666 and
expressed in square metres
NOTE 1 For the headsails, A considers the area of the fore triangle.
S
NOTE 2 The area of the wing-mast(s) is included in A .
S
3.4
mass of keel
m
KEEL
mass of the ballast keel, i.e. keel fin plus bulb, where fitted, and, for twin or multiple keels, of a single keel
NOTE The mass of keel is expressed in kilograms.
2 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 12215-9:2012(E)
4 Symbols
For the purposes of this document, unless specifically otherwise defined, the symbols given in Table 1 apply.
Table 1 — Symbols, coefficients, parameters in the main core of ISO 12215-9
(Sub)clause/table
Symbol Unit Designation/meaning of symbol
concerned
2
A
m Area of fully deployed centreboard 7.7.1
CB
Reference sail area (mainsail + fore triangle + wing mast) as per
2
A
m 7.7.1
S
ISO 12217-2
Distance along keel centreline, from centre of gravity (CG) of keel to keel
a m 7
junction with hull or tuck
c m Distance along keel centreline from keel junction to floor mid-height 7
c
m Average value of c for several floors 7.5
a
e
m Proportion of the total side force taken by the centreboard 7.7.1
F
N Design force with i according to load case 7
i
2 2
g m/s Acceleration of gravity = 9,81 m/s 7
h Height of centre of area of A
m 7.7.1
CE S
h
m Height of keel between its bottom and hull connection 7.5.2
K
h Height of application of force F (load case 4)
m 7.5.2
4
F4
k 1 Design category coefficient 5, Table 2
DC
k
1 Load case coefficient 5, Table 3
LC
k
1 Length displacement coefficient 7.7.1
LD
k
1 Material coefficient 5, Table 2
MAT
L m Length of waterline in m conditions 7.5.2, 7.7.1
WL LDC
m
kg See definition 3.2 3.2, 7
LDC
m
kg See definition 3.4 3.4, 7.4
KEEL
M
Nm Design bending moment, with index I and J according to load case 7
IJ
2
st N/mm 5
Stress, which can be or , and where i can be LIM, d, u, y, yw or yu
i
deg. Angle of attack of centreboard foil 7.7
% Elongation at break Table 2
R
deg. Angle between keel axis and centreline for canting keels 7.3
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ISO 12215-9:2012(E)
5 Design stresses
The maximum stress shall be calculated for each relevant structural component and load case.
The design stress, st , is the relevant limit stress multiplied by various stress coefficients:
d
2
stst k kk N/mm (1)
dLIM MAT LC DC
where
st is the limit stress, with st representing either , in direct stress, orin shear stress, and index
LIM
LIM is as follows:
for metal in unwelded state or well clear of HAZ, min sts;0,5t , where index y is the
y u
yield strength and index u is the ultimate strength, i.e. , for direct stress, , for
yu yu
shear stress and , for bearing stress;
by bu
for metal within HAZ, min st ;0,5 st , where index y is the yield strength and index u
yw uw
is the ultimate strength, i.e. ,, for direct stress, , for shear stress and for
yw uw yw uw
, bearing stress;
byw buw
for wood and fibre-reinforced polymer (FRP), the ultimate strength in tensile ,
tu
compressive , flexural , bearing, or shear stress ;
cu fu bu u
k is the material coefficient as defined in Table 2, with the design stress adjusted according to the
MAT
material;
k is the load case coefficient as defined in Table 3, with the design stress adjusted according to
LC
the load case;
k is the design category coefficient as defined in Table 2, with allowance for an increase in design
DC
stress for lower design categories due to less severe dynamic loadings than in higher design
categories.
Table 2 gives details on these variables.
The values of st — i.e. ,, for unwelded metals, ,,, for welded metals in a
LIM yu u yw uw yw uw
heat-affected zone (HAZ), or , , , or for wood and FRP — shall be taken
tu cu fu bu u
in accordance with ISO 12215-5:2008, i.e. according to tests or default values specified in its Annex C for
FRP, its Annex D for sandwich core, and its Annex E for laminated wood and plywood,
in accordance with Annex B for the listed metals, including, where relevant, ISO 3506-1 for stainless steel
fasteners and ISO 898-1 for carbon steel or alloy steel fasteners, and
for other metals, either from a recognized standard or from tests made in accordance with the relevant
International Standard.
4 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 12215-9:2012(E)
Table 2 — Design stresses and stress coefficients
Variable Material/designation Value
b,c
a
min. sts;0,5t
Metals, unwelded or well clear of HAZ
yu
a b,c
st min. st ;0,5 st
Metals, within HAZ, in welded condition
LIM yw uw
c
,, , and as relevant
Wood or FRP as dictated by sense of applied stress
uc ut uf ub u
Stress factor
Metals with elongation at break, % ≥ 7
0,75
R
k
MAT
d
Metals with elongation at break, % <7 min.(0,0625 + 0,3125;0,75)
R R
Wood and FRP 0,33
k
Stress factor (see Table 3)
LC
Stress factor
k
Craft of design categories A and B 1,00
DC
Craft of design categories C and D 1,25
a
Generally, the heat-affected zone is considered as being 50 mm from the weld (see also the Note in F.3.4.3).
b
For metals, 0,58 .
c
Bearing stress depends on material type (Ref [8] gives = 2,8 for Glass CSM and 0,91 for roving), metal regulation usually
ub uc
gives 2,4 to 3 for bolts (but with restrictions: far from edges, min. bolt spacing, min. thickness/bolt d). Values derived from tests are
recommended.
d
The factor gives 0,75 for ≥ 7%, and 0,375 for =1% and linear interpolation in between. Values of are given in Table B.2.
R R R
Table 3 — Value of k stress factor according to load case
L
C
Value of
Load
Keels and appendages — Load case description Subclause
k
case
LC
a
Keel bolt 7.2 0,67
1 Other elements of fixed keel — metal — 0,8
b
Other elements of fixed keel — FRP — 0,9
Canting keel — metal 7.3 0,8
2
Canting keel — FRP — 0,9
3 Keel vertical pounding 7.4 1
4 Keelboat longitudinal impact 7.5 1
5 Dinghy capsize recovery (strength of centre/dagger board) 7.6 1,34
6 Centre/dagger board upwind 7.7 1,0
a
Load case 1 treats bolts differently from other structural materials components. The design stress of bolts is lower than that of other
structural components so as to recognize stress concentration effects in bolts and accord with long-standing design practice.
b
The requirements of this part of ISO 12215 are strength-criteria based. In some cases, such as keel fins constructed of lower
modulus materials, the need to limit deflections and/or increase natural frequencies may require a substantial increase in scantlings
above those requirements. Such cases are outside the scope of this part of ISO 12215.
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ISO 12215-9:2012(E)
6 Structural components to be assessed
CAUTION — Keel loss has been found on several occasions to be attributable to insufficient thickness
of bottom plating in respect of the keel, in particularly, connecting bolts or inadequate load paths
between connecting bolts and the corresponding structure, including bolts located too far from the
relevant stiffener. It is strongly recommended that the provisions of D.5 and Table D.2 be followed and,
in particular, for bolts located too far from a stiffener, those of Table D.2, item 3.
The following shall be considered when assessing or designing the structure covered by this part of
ISO 12215.
Keel-to-hull connection (bolts, wedge connection, stub keel, etc.) — see Figures 1, C.3, C.4 and D.1.
Bottom shell plating in respect of the keel bolts and transition arrangements beyond the keel bolt zone
into the hull structure: in the case of bolted keels on a hull bottom of sandwich construction, the general
practice outlined in Annex D is to have a single skin construction for keel and bolts. If this is not the case,
the structural arrangement shall ensure that all loads — keel compression loads, bolt preload, etc. — are
safely transferred, using proper core material, inserts, etc. The risk of water permeating the sandwich
core via the bolt holes shall be seriously considered.
Backing plates/washers, where relevant.
Floors, girders and associated supporting structure.
Keel boxes.
Fins, foils, centreboards, dagger boards.
Wherever possible, assessment should be conducted by numerical methods in accordance with Clause 8.
Alternatively the “established practice” methods given Clause 9 shall be used.
Where calculation procedures do not exist, assessment should be conducted by a combination of
semi-empirical methods and the established practice given in Clause 9.
7 Load cases
7.1 General
7.1.1 Status of design load cases
CAUTION — For load cases 1 and 2 (see references in the list below ) — where keels have a large rake
angle, the centre of gravity (CG) of the bulb/fin can be located a significant distance aft or forward of
the fin or bolt group longitudinal centre at the root. This will induce a torsional moment in addition to
bending about the fore and aft axis, equal to the weight of the fin/bulb multiplied by the horizontal
distance between the fin/bulb longitudinal centre of gravity (LCG) and root/bolt group LCG. In such
cases, it will be necessary to combine direct stresses owing to bending with shear stresses due to the
torque. The resulting von Mises equivalent stress shall not exceed the design stress given in
Equation (1). See also 7.8.1.
The design stress shall be assessed for each load case using Equation (1), together with the design stress
coefficients given in Tables 2 and 3, as follows:
7.2 defines the fixed keel 90° knockdown load case 1 and corresponding force, F , and design bending
1
moment, M , at 90° heel, for the keel at its root/bolt level and floor neutral axis, respectively; it shall be
1
used for fixed keels, either vertical or angled as in the case of twin keel craft, and axially lifting/swing
ballast keels;
6 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 12215-9:2012(E)
7.3 defines canted keel load case 2 and the corresponding force, F , and design bending moment, M , at
2 2
30° steady heel plus a dynamic overload factor; it shall only be used for canting keels;
7.4 defines vertical pounding load case 3 and design vertical force, F ;
3
7.5 defines longitudinal impact load case 4 and design horizontal force, F , considering a longitudinal
4
impact with a fixed or floating object or animal;
7.6 defines dinghy capsize recovery load case 5 and the design vertical force, F , in 90° knockdown,
5
applied on the tip of a centreboard for dinghy capsize recovery;
7.7 defines centreboard/dagger board load case 6 and the transverse horizontal force, F , applied to
6
centreboard or dagger board used while sailing upwind;
7.8 considers other load cases, particularly where specific designs bring combined stresses.
NOTE On ballast keels, any buoyancy or lifting forces (as the craft is considered to have stopped) which have been
exerted have been neglected for simplification, making all calculations slightly conservative.
7.1.2 Limitation of load cases
This part of ISO 12215 is based on the presumption that load magnitudes are set at such a high level of
severity that the number of expected occurrences during the lifetime of the craft will be low. Hence, all load
cases are considered to be “static” in the sense that they are used in conjunction with static design stresses
according to Tables 2 and 3.
This presumes a certain relationship between static strength and fatigue strength, which is generally
preserved for unwelded metals of modest static strength and low stress concentration effects. However, for
welded structures and poor detail design/fabrication, compliance with the “static” load cases cannot guarantee
that fatigue failure will not occur. In such cases, an explicit fatigue life assessment or inspection regime shall
be considered. See Annex F.
In addition, the load cases consider that, for bolted connections, the methods for assessing keel bolts are
based on the presumption of a broadly uniform distribution of diameter and spacing along the fin root or keel
flange (see D.4 for details).
7.2 Load case 1 — Fixed keel at 90° knockdown
This case corresponds to a 90° knockdown case (heeled at 90°) (see Figure 1), which is usually the most
severe transverse bending load for fixed ballast keels:
Fm g (2)
1 KEEL
expressed in newtons (N) as the vertical force, at 90° knockdown, exerted by gravity at the keel CG
M Fa (3)
1.1 1
expressed in newton metres (Nm) as the keel heeling design moment at the keel junction
M Fac (4)
1.2 1
expressed in newton metres (Nm), keel heeling moment at floor mid height
where
a is the distance, in metres (m), along the keel centreline, from the keel CG to the keel's junction with
the hull or tuck;
© ISO 2012 – All rights reserved 7
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ISO 12215-9:2012(E)
c is the distance, in metres (m), along the keel centreline from the keel junction to the floor at mid-
height;
2
g is the acceleration of gravity, taken as 9,81 m/s and used throughout this part of ISO 12215.
For craft fitted with a fin and tuck [see Figure 1 b)], it may be necessary to consider a range of values of c to
establish the most highly stressed point.
Annex C gives information on how to calculate the shear force and bending moment on each floor when these
are analysed as independent beams.
NOTE For single fixed keels, when considered parallel to the centreline these bending moments correspond to a heel
angle of 90°knock-down. For fixed twin keels [see Figure 1 c)], the cosine of angle from the horizontal when the craft is
knocked down is not considered, as the keels will be parallel to the waterline at some point before or after the craft
reaches 90° of heel.
7.3 Load case 2 — Canted keel steady load at 30° heel with dynamic overload factor
7.3.1 General
This case only applies to canting keels [see Figure 1 d)]. It corresponds to a steady heel at 30° that can be
experienced as a long-term load in upwind passages, with an additional dynamic overload factor which
represents the additional fluctuating load experienced as the craft progresses in an adverse seaway.
Load case 2 represents the normal upwind sailing condition for a craft with canted keel, but is augmented by a
1)
40 % dynamic overload factor to allow for unusual combinations of rigid body motions and accelerations,
and is thereby considered to constitute an infrequently occurring case, i.e. fatigue is not expected to be an
issue required to be considered, except for welded metals relevant to 7.1.2:
Fm1, 4 g (5)
2 KEEL
expressed in newtons (N) as the vertical force exerted by gravity at the keel CG
MFa sin 30 (6)
2.1 2
expressed in newton metres (Nm) as the canting keel design heeling moment at the keel junction
where is the maximum canting angle from axial (vertical) plane, and shall not be taken as greater than 60°
o
or less than 30 .
NOTE 1 The lower limit of 30° ensures a load at least 22 % greater than load case 1.
NOTE 2 Very thin fins of canting keel, especially those of FRP construction, may need a “flutter” (vibration) analysis,
but this is considered outside the scope of this part of ISO 12215 (see 7.1.2).
For calculation of floors, the keel design heeling moment of supporting structure floors is
M Fa sin 30 0,5c (7)
2.2 2
expressed in newtons (N) as the design bending moment of canting keel floors.
Annex C gives information on how to calculate the shear force and bending moment on each of the two
“wet-box” bulkheads when these can be analysed as independent beams.
1) The dynamic overload factor for normal sailing conditions is in the order of
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 12215-9
Première édition
2012-06-15
Petits navires — Construction de coques
et échantillonnage —
Partie 9:
Appendices des bateaux à voiles
Small craft — Hull construction and scantlings —
Part 9: Sailing craft appendages
Numéro de référence
ISO 12215-9:2012(F)
©
ISO 2012
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ISO 12215-9:2012(F)
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ISO 12215-9:2012(F)
Sommaire Page
Avant-propos . iv
Introduction . v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Symboles . 3
5 Contraintes de conception . 4
6 Éléments structurels à évaluer . 6
7 Cas de chargement . 6
7.1 Généralités . 6
7.2 Cas de chargement 1 — Quille fixe avec le bateau couché à 90° . 7
7.3 Cas de chargement 2 — Charge continue sur une quille basculante (pendulaire) à 30° de
gîte, avec un facteur de surcharge dynamique . 8
7.4 Cas de chargement 3 — Talonnage vertical d'un voilier à quille . 10
7.5 Cas de chargement 4 — Talonnage longitudinal d'un voilier à quille . 11
7.6 Cas de chargement 5 — Dérive sur un dériveur chaviré redressable . 12
7.7 Cas de chargement 6 — Dérive pivotante ou coulissante au près . 12
7.8 Autres cas de chargement. 13
8 Méthodes de calcul . 16
8.1 Généralités . 16
8.2 Instructions générales pour l'évaluation par des procédures de calcul 3-D . 17
8.3 Évaluation à l'aide de méthodes de résistance des matériaux non fondées sur le calcul
par ordinateur . 17
9 Conformité . 18
Annexe A (normative) Déclaration d'application . 19
Annexe B (informative) Informations sur les métaux pour les appendices et les boulons, et
«pratiques établies» pour le boulonnage et le soudage . 20
Annexe C (informative) Dispositions structurelles de «pratique établie» au droit de la quille de
lest . 31
Annexe D (informative) Dispositions structurelles «de pratique établie» pour le calcul de la
résistance du voile de quille (fixe ou basculante) et des quilles de lest boulonnées . 46
Annexe E (informative) Propriétés géométriques des profils d'appendices typiques . 64
Annexe F (informative) Évaluation simplifiée de la résistance en fatigue . 67
Bibliographie . 81
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 12215-9 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 188, Petits navires.
L'ISO 12215 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Petits navires — Construction
de coques et échantillonnage:
Partie 1: Matériaux: Résines thermodurcissables, renforcement de fibres de verre, stratifié de référence
Partie 2: Matériaux: Matériaux d'âme pour les constructions de type sandwich, matériaux enrobés
Partie 3: Matériaux: Acier, alliages d'aluminium, bois, autres matériaux
Partie 4: Ateliers de construction et fabrication
Partie 5: Pressions de conception pour monocoques, contraintes de conception, détermination de
l'échantillonnage
Partie 6: Dispositions structurelles et détails de construction
Partie 7: Détermination de l'échantillonnage pour les multicoques
Partie 8: Gouvernails
Partie 9: Appendices des bateaux à voiles
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ISO 12215-9:2012(F)
Introduction
Les raisons ayant présidé à la préparation de la présente partie de l'ISO 12215 sont que les normes
existantes et les pratiques recommandées de définition des chargements sur la coque et le dimensionnement
des petits navires diffèrent considérablement entre elles, limitant ainsi l'acceptabilité générale des bateaux.
La perte d'une quille entraînant le chavirage du bateau est l'un des principaux risques de décès sur les
bateaux à voiles et l'efficacité structurelle de tous éléments de la quille et de sa liaison au bateau est capitale.
La présente partie de l'ISO 12215 spécifie les charges de conception et les facteurs de contrainte qui leur
sont associés. L'utilisateur peut choisir l'une des deux options suivantes possibles pour évaluer la disposition
structurelle.
a) Utiliser des méthodes avancées d'ingénierie qui permettent une modélisation tridimensionnelle de la
structure. L'analyse par éléments finis est une des méthodes appropriées, ainsi que les méthodes qui en
découlent, comme les matrices de déplacement ou les méthodes des cadres. Des instructions générales
concernant les considérations de modélisation sont données dans la présente partie de l'ISO 12215.
b) Utiliser des équations simplifiées de détermination de contraintes, généralement bidimensionnelles,
basées sur la «résistance des matériaux». Elles sont données dans les Annexes B à F et, lorsque cette
option est choisie, l'utilisation de ces équations sera nécessaire pour satisfaire aux exigences de la
présente partie de l'ISO 12215.
La présente partie de l'ISO 12215 a été développée en utilisant la pratique actuelle et des principes
d'ingénierie pertinents. Les charges et critères de conception de la présente partie de l'ISO 12215 peuvent
être utilisés avec leurs équations de détermination de l'échantillonnage ou à l'aide de méthodes d'ingénierie
équivalentes, comme indiqué au point a) ci-dessus.
Les dimensionnements conformes à la présente partie de l'ISO 12215 sont considérés comme reflétant la
pratique courante, à condition que le bateau soit manœuvré correctement avec le «sens marin», et à une
vitesse appropriée à l'état de la mer rencontré.
Lors des derniers stades de développement de l'ISO 12215, et après que certaines de ses parties
essentielles ont été publiées, plusieurs autorités ont adopté cette Norme internationale pour l'évaluation des
voiliers de régate de haute performance. S'il est vrai qu'un voilier de croisière de catégorie A prévu pour la
navigation transocéanique peut en théorie subir les mêmes chargements qu'un voilier de régate compétitif,
ces derniers n'ont pas été l'objectif principal de l'ISO 12215. Les concepteurs sont en conséquence fortement
avertis de ne pas concevoir de voilier de compétition en ayant quasiment tous les éléments structurels juste
conformes.
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NORME INTERNATIONALE ISO 12215-9:2012(F)
Petits navires — Construction de coques et échantillonnage —
Partie 9:
Appendices des bateaux à voiles
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 12215 définit les chargements et spécifie l'échantillonnage des appendices des
bateaux à voiles d'une longueur de coque, L , mesurée conformément à l'ISO 8666, inférieure ou égale à
H
24 m. Elle fournit:
les contraintes de conception;
les éléments structurels à évaluer;
les cas de chargement et les charges de conception pour la quille, la dérive et leurs éléments de liaison;
les méthodes de calcul et des instructions de modélisation; et
les moyens de se conformer à ses dispositions.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 898-1, Caractéristiques mécaniques des éléments de fixation en acier au carbone et en acier allié —
Partie 1: Vis, goujons et tiges filetées de classes de qualité spécifiées — Filetages à pas gros et filetages à
pas fin
ISO 3506-1, Caractéristiques mécaniques des éléments de fixation en acier inoxydable résistant à la
corrosion — Partie 1: Vis et goujons
ISO 8666, Petits navires — Données principales
ISO 12215-3, Petits navires — Construction de coques et échantillons — Partie 3: Matériaux: Acier, alliages
d'aluminium, bois, autres matériaux
ISO 12215-5:2008, Petits navires — Construction de coques et échantillonnage — Partie 5: Pressions de
conception pour monocoques, contraintes de conception, détermination de l'échantillonnage
ISO 12215-6:2008, Petits navires — Construction de coques et échantillonnage — Partie 6: Dispositions
structurelles et détails de construction
ISO 12217-2, Petits navires — Évaluation et catégorisation de la stabilité et de la flottabilité — Partie 2:
Bateaux à voiles d'une longueur de coque supérieure ou égale à 6 m
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3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
catégorie de conception
conditions de mer et de vent auxquelles un bateau est considéré comme étant approprié, à condition que le
bateau soit manœuvré avec sens marin et utilisé à une vitesse appropriée à l'état de la mer rencontré
3.1.1
catégorie de conception A
catégorie «en haute mer»
catégorie de bateaux considérés comme convenant pour une navigation sur des mers avec des hauteurs
significatives de vagues supérieures à 4 m et des vitesses de vent pouvant dépasser la force 8 sur l'échelle
de Beaufort, à l'exclusion toutefois de conditions exceptionnelles, par exemple les ouragans
3.1.2
catégorie de conception B
catégorie «au large des côtes»
catégorie de bateaux considérés comme convenant pour une navigation sur des mers où l'on rencontre des
hauteurs significatives de vagues inférieures ou égales à 4 m et des vitesses de vent inférieures ou égales à
force 8 Beaufort
3.1.3
catégorie de conception C
catégorie «à proximité des côtes»
catégorie de bateaux considérés comme convenant pour une navigation sur des mers où l'on rencontre des
hauteurs significatives de vagues inférieures ou égales à 2 m et des vitesses de vent inférieures ou égales à
force 6 Beaufort
3.1.4
catégorie de conception D
catégorie «en eaux abritées»
catégorie de bateaux considérés comme convenant pour une navigation sur des eaux où l'on rencontre des
hauteurs significatives de vagues inférieures ou égales à 0,30 m avec des vagues occasionnelles de 0,5 m,
provenant par exemple d'un bateau passant à proximité, et des vitesses de vent typiques stables inférieures
ou égales à force 4 Beaufort
3.2
masse de déplacement en charge
m
LDC
masse du bateau, y compris tous ses appendices, lorsqu'il est en conditions de charge maximale comme
définies dans l'ISO 8666
NOTE 1 Ce déplacement comprend toutes les options possibles (générateur, système d'air conditionné, etc.).
NOTE 2 La masse de déplacement en charge est exprimée en kilogrammes.
3.3
bateau à voiles
bateau dont le moyen principal de propulsion est la force du vent et dont la surface totale de profil, A , de
S
toutes les voiles pouvant être établies ensemble lorsque le bateau est au près serré, telle que définie dans
2/3
l'ISO 8666 et exprimée en mètres carrés, est telle que A 0,07(m )
S LDC
NOTE 1 Pour les voiles d'avant, il s'agit de la surface du triangle avant.
NOTE 2 La surface du ou des mâts-aile est comprise dans A
.
S
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3.4
masse de la quille
m
KEEL
masse de la quille de lest, en kilogrammes, c'est-à-dire l'aileron de quille plus le bulbe, le cas échéant, et,
pour les quilles doubles ou multiples, masse de chaque quille
NOTE La masse de la quille est exprimée en kilogrammes.
4 Symboles
Pour les besoins du présent document, sauf définition spécifique contraire, les symboles donnés au Tableau 1
s'appliquent.
Tableau 1 — Symboles, coefficients et paramètres dans la partie principale
de la présente partie de l'ISO 12215
Article/Paragraphe/
Symbole Unité Désignation/signification du symbole Tableau
concernés
2
A
m Surface de la dérive entièrement déployée 7.7.1
CB
Surface de voilure de référence (GV + triangle AV+ mât-aile), comme définie
2
A m 7.7.1
S
dans l'ISO 12217-2
Distance, mesurée le long de l'axe de la quille, entre le centre de gravité
a m 7
(CG) de la quille et sa liaison avec la coque ou l'aileron de quille
Distance, mesurée le long de l'axe de la quille, entre la liaison de la quille et
c m 7
la mi-hauteur de la varangue
c m Valeur moyenne de c pour plusieurs varangues 7.5
a
e m Proportion de la force latérale totale prise par la dérive 7.7.1
F N Force de conception, où i correspond au cas de chargement 7
i
2
2
g m/s Accélération due à la pesanteur, g = 9,81 m/s 7
h m Hauteur du centre de surface de A 7.7.1
CE S
h m Hauteur de la quille, entre sa base et sa liaison avec la coque 7.5.2
K
h m Hauteur du point d'application de la force F (cas de chargement N°4) 7.5.2
4
F4
k 1 Coefficient de catégorie de conception Article 5, Tableau 2
DC
k 1 Coefficient de cas de chargement Article 5, Tableau 3
LC
k 1 Coefficient de longueur/déplacement 7.7.1
LD
k 1 Coefficient de matériau Article 5, Tableau 2
MAT
L m Longueur de la flottaison en conditions m 7.5.2, 7.7.1
WL LDC
m kg Voir la définition 3.2 3.2, 7
LDC
m kg Voir la définition 3.4 3.4, 7.4
KEEL
Moment de flexion de conception, où les indices I et J dépendent du cas de
.
M N m 7
IJ
chargement
2
st N/mm Contrainte, qui peut être ou , où i peut être LIM, d, u, y, yw ou yu 5
i
deg. Angle d'attaque du profil de dérive 7.7
% Allongement à la rupture Tableau 2
R
deg. Angle entre l'axe de la quille et l'axe du bateau, pour les quilles basculantes 7.3
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5 Contraintes de conception
La contrainte maximale doit être calculée pour chaque élément structurel pertinent et combinaison de cas de
chargement.
La contrainte de conception, st , est la contrainte limite pertinente multipliée par divers coefficients de
d
contrainte:
2
stst k kk , N/mm (1)
dLIMMAT LC DC
où
st est la contrainte limite, où st signifie pour une contrainte directe, oupour une contrainte de
LIM
cisaillement, et l'indice LIM signifie:
min sts;0,5t , pour les métaux non soudés ou loin des zones affectées par la chaleur de
y u
soudure, où l'indice y signifie la limite élastique et l'indice u signifie la résistance à la rupture
(c'est-à-dire , pour les contraintes directes, , pour les contraintes de cisaillement et
yu yu
, pour les contraintes de matage);
by bu
min st ;0,5 st , pour les métaux dans les zones affectées par la chaleur de soudure, où
yw uw
l'indice y signifie la limite élastique et l'indice u signifie la résistance à la rupture (c'est-à-dire
, pour les contraintes directes, , pour les contraintes de cisaillement et
yw uw yw uw
, pour les contraintes de matage);
byw buw
la contrainte de rupture en traction, , en compression, , en matage, , ou en
tu cu fu
cisaillement, , pour le bois ou le stratifié (résine armée de fibre).
bu
k est le coefficient de matériau défini au Tableau 2, et ajustant la contrainte de conception selon le
MAT
matériau;
k est le coefficient de chargement défini au Tableau 3, et ajustant la contrainte de conception
LC
selon le cas de chargement;
k est le coefficient de catégorie de conception défini au Tableau 2, et permettant d'augmenter la
DC
contrainte de conception pour des catégories de conception plus basses en raison de
chargements dynamiques plus faibles que pour les catégories plus élevées.
Le Tableau 2 spécifie les détails de ces différentes variables.
Les valeurs de st (c'est-à-dire ,, pour les métaux non soudés, ,, , pour les zones
LIM yu u yw uw yw uw
affectées par la chaleur de soudure sur les métaux soudés, ou , , , ou bien pour le bois et
tu cu fu bu u
le stratifié) doivent être déterminées:
conformément à l'ISO 12215-5:2008, c'est-à-dire selon les valeurs provenant d'essais ou selon les
valeurs par défaut données respectivement dans son Annexe C pour les stratifiés, son Annexe D pour les
âmes de sandwich, et son Annexe E pour le bois moulé et le contreplaqué;
conformément à l'Annexe B de la présente partie de l'ISO 12215 pour les métaux cités, et, le cas échéant,
l'ISO 3506-1 pour les éléments de fixation en acier inoxydables, et l'IS0 898-1 pour les éléments de
fixation en acier au carbone;
ou, pour les autres matériaux, soit à partir d'une norme reconnue, soit à la suite d'essais effectués
conformément à la Norme internationale pertinente.
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Tableau 2 — Contraintes de conception et coefficients de contrainte
Variable Matériau/désignation Valeur
b,c
Métaux, non soudés ou loin des zones affectées par la chaleur de
min sts; 0,5t
a
yu
soudure
b,c
a
min st ; 0,5 st
st Métaux, dans les zones affectées par la chaleur de soudure
LIM yw uw
c
,, , et selon le cas
Bois et stratifiés, selon la direction de la contrainte appliquée
uc ut uf ub u
Facteur de contrainte selon le matériau
Métaux dont l'allongement à la rupture % ≥ 7
0,75
R
k
MAT d
Métaux dont l'allongement à la rupture % <7
min(0,062 5 +0,312 5; 0,75)
R
R
Bois et stratifié (Composite) 0,33
Facteur de contrainte selon le cas de chargement
k
LC
(voir le Tableau 3)
Facteur de contrainte selon la catégorie de conception
k Bateau de catégorie de conception A et B 1,00
DC
Bateau de catégorie de conception C et D 1,25
a
On considère généralement que la zone affectée par la chaleur de soudure est située à une distance inférieure à 50 mm des
soudures (voir la Note en F.3.4.3).
b
Pour les métaux, 0,58 .
c
Les contraintes de matage dépendent du type de matériau (la Référence [8] de la Bibliographie donne = 2,8 pour le mat
ub uc
de verre et 0,91 pour le roving), la réglementation pour la construction métallique donne généralement 2,4 à 3 pour les boulons (mais
avec des restrictions loin des bords, écartement minimal des boulons, valeur minimale épaisseur/diamètre du boulon). L'utilisation de
valeurs provenant d'essais est recommandée.
d
Le facteur donne 0,75 pour ≥ 7 %, et 0,375 pour = 1 % avec une interpolation linéaire entre ces valeurs. Voir le Tableau B.2
R R
pour les valeurs de .
R
Tableau 3 — Valeurs de k , facteur de contrainte selon le cas de chargement
LC
Valeur
Cas de
Quilles et appendices — Description du cas de chargement Paragraphe
de k
chargement
LC
a
Boulon de quille 7.2 0,67
1 Autres éléments de quilles fixes — Métal — 0,8
b
— 0,9
Autres éléments de quilles fixes — Stratifié (Composite)
Quilles basculantes — Métal 7.3 0,8
2
Quilles basculantes — Stratifié (composites) — 0,9
3 Talonnage vertical 7.4 1
4 Impact longitudinal sur les voiliers à quille 7.5 1
Redressement d'un dériveur chaviré
5 7.6 1,34
(résistance de la dérive pivotante ou coulissante)
6 Dérive pivotante ou coulissante au près 7.7 1,0
a
Le cas de chargement 1 considère différemment les boulons des autres matériaux d'éléments structurels. La contrainte de
conception des boulons est plus faible que celle des autres éléments structurels afin de prendre en compte les effets de concentration
de contrainte dans les boulons et pour correspondre à une pratique de conception établie depuis longtemps.
b
Les exigences de la présente partie de l'ISO 12215 sont basées sur des critères de contrainte. Dans certains cas, comme les
voiles de quille construits avec des matériaux à faible module d'élasticité, la nécessité de limiter les déformations et/ou d'augmenter les
fréquences naturelles peut exiger une augmentation substantielle d'échantillonnage par rapport à celui requis par le présent document.
De tels cas sont en dehors du champ d'application de la présente partie de l'ISO 12215.
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6 Éléments structurels à évaluer
ATTENTION — On a constaté à plusieurs reprises que la perte de quille était attribuée à une épaisseur
insuffisante du bordé de fond au droit de la quille, et particulièrement au droit des boulons de liaison
ou à un chemin de contrainte inadéquat entre les boulons de liaison et la structure correspondante, y
compris des boulons placés trop loin des raidisseurs correspondants. Il est fortement recommandé
de suivre les dispositions données en D.5 et au Tableau D.2 et, en particulier, pour les boulons placés
trop loin des raidisseurs, celles du Tableau D.2, élément 3.
Les éléments suivants doivent être pris en compte lors de l'évaluation ou la conception des éléments de
structure couverts par la présente partie de l'ISO 12215.
Liaison entre la quille et la coque (boulons, blocage conique, aileron de quille, etc.); voir les Figures 1,
C.3, C.4 et D.1;
Bordé de fond au niveau des boulons de quille et disposition de la transition au delà de la zone des
boulons de quille dans la structure de la coque. Dans le cas des quilles boulonnées sur un fond de coque
en construction sandwich, la pratique générale, définie dans l'Annexe D, est de passer en construction
monolithique au droit de la quille et des boulons. Si cela n'est pas le cas, la disposition structurelle doit
garantir que tous les chargements — contraintes de compression dues à la quille, précontrainte des
boulons, etc. — sont correctement transmis, en utilisant un matériau d'âme approprié, des inserts, etc. Le
risque de perméation de l'eau dans l'âme du sandwich à travers les trous de boulons doit être
sérieusement pris en compte.
Contre-plaques/rondelles, le cas échéant.
Varangues, carlingues et structure porteuse associée.
Boîtes de quille.
Ailerons de quille, foils, dérives pivotantes ou coulissantes.
Chaque fois que cela est possible, il convient que l'évaluation soit effectuée à l'aide des méthodes de calcul
numérique indiquées à l'Article 8. Sinon, les méthodes de «pratique établie» données à l'Article 9 doivent être
utilisées.
Lorsqu'il n'existe pas de procédures de calcul, il convient d'effectuer l'évaluation à l'aide d'une combinaison de
méthodes semi-empiriques et de l'utilisation des pratiques établies données à l'Article 9.
7 Cas de chargement
7.1 Généralités
7.1.1 Statut des cas de chargement de conception
ATTENTION — Pour les cas de chargement 1 et 2 (voir les références dans la liste ci-dessous) — lorsque
les quilles ont un grand angle d'inclinaison longitudinal, le centre de gravité (CG) de l'ensemble
aileron/bulbe peut se trouver à une distance significative en avant ou en arrière du centre longitudinal
du profil d'aileron de quille à sa racine ou du groupe de boulons. Cela induira un moment de torsion
en plus du moment de flexion autour de l'axe longitudinal, égal au poids de l'aileron/bulbe multiplié
par la distance horizontale entre le centre de gravité de l'ensemble aileron/bulbe et le centre de gravité
de la racine de l'aileron ou groupe de boulons. Dans de tels cas, il sera nécessaire de combiner les
contraintes directes dues à la flexion avec les contraintes de cisaillement dues au couple de torsion.
La contrainte équivalente résultante de Von Mises ne doit pas dépasser la contrainte de conception
donnée dans l'Équation (1). Voir aussi le paragraphe 7.8.1.
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ISO 12215-9:2012(F)
La contrainte de conception doit être évaluée pour chaque cas de chargement, à l'aide de l'Équation (1) avec
les coefficients de contrainte de conception respectivement donnés aux Tableaux 2 et 3, comme suit:
le paragraphe 7.2 définit le cas de chargement 1, quille fixe couchée à 90°, ainsi que la force
correspondante, F , et le moment de flexion de conception, M , à 90° de gîte, respectivement pour la
1 1
quille au niveau de sa racine ou de son boulonnage et pour la varangue à son axe neutre; il doit être
appliqué pour les quilles fixes (qu'elles soient verticales ou angulées comme pour les biquilles) et pour
les quilles relevables coulissantes ou pivotantes dans l'axe.
le paragraphe 7.3 définit le cas de chargement 2, quille basculante transversalement, ainsi que la force
correspondante, F , et le moment de flexion de conception, M , à un angle continu de 30° de gîte, plus
2 2
un coefficient de chargement dynamique; il doit uniquement être appliqué pour les quilles basculantes
transversalement.
le paragraphe 7.4 définit le cas de chargement 3, talonnage vertical, ainsi que la force de conception
verticale, F .
3
le paragraphe 7.5 définit le cas de chargement 4, impact longitudinal, ainsi que la force de conception
horizontale, F , considérant l'impact longitudinal avec un objet ou un animal fixe ou flottant.
4
le paragraphe 7.6 définit le cas de chargement 5, redressement d'un dériveur chaviré, ainsi que la force
de conception verticale, F , appliquée sur l'extrémité de la dérive pour le redressement d'un dériveur
5
couché à 90°.
le paragraphe 7.7 définit le cas de chargement 6, dérive pivotante ou coulissante, ainsi que la force de
conception horizontale, F , qui s'applique sur une dérive pivotante ou coulissante
...
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