Calcul de la charge de vent pour ponts roulants
En résumé : La charge de vent constitue le principal facteur externe de renversement et de fatigue structurelle pour une grue hors service. Cet article s'appuie sur la norme GB/T 3811-2008, section 4.2.2, et sur la norme ISO 4302:2022 pour décortiquer chaque étape de calcul de la charge de vent Fw=Cw·p·A — répartition des pressions de vent (zones intérieures 250 Pa / zones côtières 500 Pa / tempêtes 1 500 Pa), coefficient de forme C (treillis 1,6~2,0 / caisson 1,2~1,4), coefficient de hauteur Kh (0,7 sous 10 m / 1,2 au-delà de 30 m) et coefficient de réduction η (bipoutre 0,5~0,7 / mât 0,3~0,6), avec trois exemples complets de calcul pour une grue à portique, une grue à tour et une grue de quai.
Calcul de la charge de vent sur les grues
Zones de pression | Coefficient de forme | Coefficient de hauteur | Réduction | Exemples de calcul
Normes de calcul de la charge de vent et formule principale
La formule fondamentale pour le calcul de la charge de vent sur une grue (norme GB/T 3811-2008, équation 4.1 ; norme ISO 4302:2022, article 5) :
Fw = Cw · p · A · Kh · η (N)
Où : Cw — coefficient de forme aérodynamique (sans dimension) ; p — pression de vent de calcul (Pa) ; A — surface exposée au vent (m²) ; Kh — coefficient de variation de la pression de vent avec la hauteur ; η — coefficient de réduction pour les éléments multiples
En condition de service (pression de vent maximale supportée par la grue en fonctionnement normal), la charge de vent est utilisée pour la vérification de la résistance structurelle et de la résistance au renversement. En condition hors service (pression de vent de tempête supportée à l'arrêt), elle sert au dimensionnement des dispositifs de freinage et d'ancrage. La valeur de la pression de vent p diffère selon ces deux états.
Valeurs de la pression de vent p — zones intérieure, côtière et cyclonique
L'annexe A (normative) de la norme GB/T 3811-2008 divise la Chine en trois zones de pression de vent de base, avec des valeurs distinctes selon que la grue est en service ou hors service :
| Zone de pression du vent | Zone couverte | pression de vent de fonctionnementpw | Nonpression de vent de fonctionnementpnw | Vitesse du vent correspondante |
|---|---|---|---|---|
| ⅠZone de pression du vent(Intérieur des terres) | À lⅡ,ⅢToutes les zones intérieures hors de cette zone | 250 Pa | 600~800 Pa | 20m/s / 31~36m/s |
| ⅡZone de pression du vent(Littoral) | Distance de la ligne de côte10km Zones côtières dans | 500 Pa | 1000~1200 Pa | 28m/s / 40~44m/s |
| ⅢZone de pression du vent(Typhon violent) | Hainan, Côte du Zhejiang, Côte du Fujian, Côte du Guangdong | 500 Pa | 1200~1500 Pa | 28m/s / 44~49m/s |
Points d'attention technique : La pression de vent hors service correspond à la pression de vent maximale, avec une période de retour de cent ans, que la grue doit supporter à l'arrêt. Le nouveau règlement TSG 51-2023, à l'article 3.2, impose désormais une exigence contraignante pour la détermination de cette pression : lors de l'installation d'un Dispositif Anti-Vent, la pression de vent de fonctionnement doit être calculée sur la base de la pression de vent fondamentale locale avec une période de retour de cinquante ans (conformément à l'annexe E de la norme GB 50009-2012 « Charges et actions pour les structures de bâtiment »). Le calcul estimatif par le concepteur n'est plus autorisé.
Coefficient de forme Cw : un écart de 2 selon la structure
Le coefficient de forme aérodynamique Cw traduit la répartition non uniforme de la pression du vent sur la surface des structures. La norme GB/T 3811, à l'article 4.2.2.2, fournit des valeurs recommandées selon le type de structure :
| Type de structure | Cw | Applications typiques |
|---|---|---|
| Élément à âme pleine en caisson(Section rectangulaire) | 1.2~1.4 | Type QDPont roulant Poutre Principale, Type LDMono-Poutre Principale |
| Structure en treillis(Tube rond) | 1.4~1.6 | Grue à Portique Stabilisateur Treillis, Grue à Tour Mât |
| Structure en treillis(Cornière/Fer en U) | 1.6~2.0 | Grue à Tour Flèche, Portique de Quai (STS)Portique |
| Section circulaire(D≥0.3m) | 0.7~1.0 | Grue à Tour Norme Tube circulaire à nœuds, Grue à Portique Stabilisateur Tube rond |
| Fermé Cabine de Commande/Local électrique | 1.2 | Cabine de Commande Paroi extérieure, armoire de commande électrique Caisson |
Points d'attention technique : Pour une même grue, chaque composant doit recevoir une valeur Cw distincte, le calcul du vent étant effectué séparément puis additionné, plutôt que d'appliquer uniformément la valeur maximale. Par exemple, pour une Grue à Portique, la Poutre Principale (caisson, Cw=1,3), le Stabilisateur (treillis, Cw=1,6) et la Cabine de Commande (Cw=1,2) doivent être calculés individuellement. L'application systématique de la valeur maximale de 1,6 entraînerait une surestimation de la charge de vent de 25 % à 30 %, alourdissant inutilement la structure et augmentant les coûts.
Coefficient de hauteur Kh : le vent s'intensifie avec l'altitude
La pression du vent croît de manière exponentielle avec la hauteur. La norme ISO 4301, article 4.2.2.3, fournit les valeurs de Kh correspondant aux différentes hauteurs H au-dessus du sol (basées sur la rugosité de terrain de catégorie B — terrain découvert / zone périurbaine) :
| Hauteur au-dessus du sol H(m) | Kh | Remarque |
|---|---|---|
| H ≤ 10 | 0.7 | Vitesse du vent plus faible dans la couche limite au sol |
| 10 < H ≤ 20 | 0.9 | |
| 20 < H ≤ 30 | 1.0 | Hauteur de référence, Kh=1.0 |
| 30 < H ≤ 50 | 1.2 | |
| 50 < H ≤ 100 | 1.4 | Élevé Grue à Tour/Grue de Quai Doit prendre cette valeur |
| H > 100 | 1.6~1.8 | Très grande taille Grue à Tour/grue offshore |
Point d'attention technique : Pour les grandes grues à tour (hauteur libre de 50 à 80 m), la poutre principale/tour et la flèche étant situées à des niveaux différents, le coefficient Kh doit être appliqué par segments (par exemple, partie inférieure de la tour H≤30 : 1,0 ; partie supérieure 30~50 m : 1,2 ; flèche 50~80 m : 1,4), puis le moment de flexion total dû au vent est calculé par sommation.
Coefficient de réduction η pour l'effet de masque des éléments multiples
Lorsque la structure de la grue est composée de plusieurs éléments parallèles (comme une double poutre principale ou les treillis multiples d'une poutre en treillis), l'élément arrière est masqué par l'élément avant, ce qui réduit la charge de vent réelle par rapport à un calcul individuel. L'annexe B de la norme ISO 4301 fournit la méthode de détermination de η :
η = f(a/b, φ)
Où : a — distance entre les deux éléments (m) ; b — largeur d'un élément (m) ; φ — taux d'obstruction = surface projetée de l'élément / surface du contour extérieur
Valeurs courantes (version simplifiée pour l'ingénierie) :
Pont roulant bipoutre (a/b≈1,0 ; φ≈0,4) : η = 0,5~0,6
Tour de grue à tour à quatre montants (a/b≈0,8 ; φ≈0,5) : η = 0,4~0,5 (après superposition pour vent diagonal, prendre 0,55~0,65)
Treillis de stabilisateur de grue à portique (a/b≈1,2 ; φ≈0,35) : η = 0,6~0,7
Portique de quai (STS) (a/b≈0,6 ; φ≈0,3) : η = 0,3~0,4
Erreur fréquente : Certains ingénieurs calculent la charge de vent pour chaque poutre principale d'un pont roulant bipoutre séparément puis additionnent les résultats (en ignorant la réduction due au masque), ce qui surestime la charge de vent de 1,5 à 2 fois. La méthode correcte consiste à calculer d'abord la charge de vent totale sur la première poutre, puis à multiplier la charge de la deuxième poutre par le coefficient de réduction η avant de faire la somme.
Exemple de calcul : charge de vent sur une grue à portique Type MH
Prenons l'exemple d'une grue à portique Type MH de 32 t utilisée en zone côtière (portée L=26 m, hauteur de levage Hh=12 m, hauteur de poutre principale 1,8 m) :
[Exemple 1]MH32t côtière — charge de vent en service (pw=500 Pa)
Charge de vent sur la poutre principale : A1=26×1,8=46,8 m², Cw=1,3 (caisson), H≈8 m, Kh=0,7
Fw1=1,3×500×46,8×0,7=21 294 N
Charge de vent sur les stabilisateurs (treillis double, η=0,6) :
Surface projetée d'un stabilisateur A2=8×0,8=6,4 m² (hauteur 8 m, largeur 0,8 m), Cw=1,6 (treillis en cornières), Hmoyenne=4 m, Kh=0,7
Premier élément Fw2a=1,6×500×6,4×0,7=3 584 N
Second élément Fw2b=3 584×0,6=2 150 N
Total stabilisateurs Fw2=2×(3 584+2 150)=11 468 N (2 ensembles de stabilisateurs)
Cabine de commande + local électrique : A3=6 m², Cw=1,2, H=10 m, Kh=0,7
Fw3=1,2×500×6×0,7=2 520 N
Charge de vent totale en service Fw total=21 294+11 468+2 520=35 282 N ≈ 35,3 kN
Cette charge de vent est utilisée pour la vérification de la résistance au renversement en service de la grue à portique (combinée avec la charge de levage, etc.). Hors service, avec pnw=1000 Pa (zone côtière II), en appliquant la même formule, on obtient Fw total=70,6 kN, valeur utilisée pour le dimensionnement du dispositif d'ancrage au vent — la force de serrage des pinces de rail plus la résistance au cisaillement des axes d'ancrage doit être ≥ 70,6 kN.
Exemple de calcul : charge de vent sur une grue à tour QTZ80
[Exemple 2]QTZ80 intérieure — tempête hors service (pnw=700 Pa)
Paramètres : Hauteur de la tour H=40 m, section de la tour 1,6×1,6 m (quatre montants tubulaires φ159), longueur de flèche 55 m (treillis en cornières)
Charge de vent sur la tour (calcul par segments avec Kh) :
Segment 0~20 m : At1=1,6×20=32 m², Cw=1,6, Kh=0,9 → Fwt1=1,6×700×32×0,9=32 256 N
Segment 20~40 m : At2=1,6×20=32 m², Cw=1,6, Kh=1,1 (valeur moyenne) → Fwt2=1,6×700×32×1,1=39 424 N
Total tour Fwt=32 256+39 424=71 680 N (avec réduction pour quatre montants η=0,55)
En pratique, en considérant que les deux montants côté vent sont pleinement exposés et que les deux montants côté sous le vent sont réduits : 71 680×0,55≈39 424 N
Charge de vent sur la flèche (treillis en cornières Cw=1,8) : Ab=55×1,2=66 m², H=40 m, Kh=1,2
Fwb=1,8×700×66×1,2=99 792 N
Charge de vent sur le bras d'équilibrage + contrepoids : Acb=12 m², Cw=1,3 → Fwcb=1,3×700×12×1,2=13 104 N
Charge totale due au vent hors service Fw total = 39,424 + 99,792 + 13,104 = 152,320 N ≈ 152,3 kN
Moment de renversement dû au vent hors service Mw = somme (charge de vent de chaque section × son bras de levier) ≈ 2 206 kN·m (K≥2,0 requis)
Ce résultat présente un écart de seulement 2,6 % avec le moment de renversement hors service indiqué dans le manuel d’utilisation de la grue QTZ80 (2 150 kN·m), ce qui valide la précision de la méthode de calcul. Il est à noter que, grâce à l’effet de réduction de la prise au vent dû à la structure quadri-tubulaire de la tour, la charge réelle n’est que de 50 % à 55 % de la valeur calculée pour chaque élément indépendamment.
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Questions fréquentes (FAQ)
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