Norme GB/T 22437.1-2008 pour charges et combinaisons de grues
La norme GB/T 22437.1-2008 « Appareils de levage à charge suspendue — Charges et combinaisons de charges — Partie 1 : Principes généraux » est une norme méthodologique pour le calcul des charges de conception des grues. Elle spécifie la classification des charges, les méthodes de détermination des valeurs et les règles de combinaison pour tous les types de grues. Utilisée conjointement avec la norme GB/T 3811 relative à la spécification de conception des grues, elle constitue le préalable à la vérification de résistance de la structure métallique et des mécanismes.
La norme GB/T 22437.1-2008, qui reprend de manière équivalente l'ISO 8686-1:1989, est une norme méthodologique dédiée au calcul des charges des grues. Lors de la phase de conception, il convient de déterminer l'ensemble des charges susceptibles d'être supportées par la grue durant sa durée de vie, puis de procéder à la vérification de la résistance structurelle et de la stabilité selon les combinaisons de charges les plus défavorables. Applicable à tous les types de grues, la norme spécifie les méthodes de détermination des valeurs et les coefficients de combinaison pour les charges permanentes, les charges de levage, les charges d'inertie, les charges de vent, les charges de température et les charges spéciales.
Système de classification des charges
La norme répartit l'ensemble des charges supportées par la grue en trois catégories. Les charges conventionnelles (catégorie I) — charges apparaissant fréquemment lors des opérations normales de la grue, incluant les charges permanentes (poids propre de la structure et des équipements), la charge de levage nominale (capacité de levage maximale incluant le poids du spreader), les charges d'inertie de démarrage et de freinage (charges d'accélération générées au démarrage du mécanisme de levage et forces d'inertie horizontales produites par les accélérations et décélérations du mécanisme de translation), la charge de vent en état de travail (calculée selon les zones de pression de vent locales et les coefficients de hauteur) et les forces latérales de déport (forces de guidage horizontales générées par le déport de la translation du pont). Les charges non conventionnelles (catégorie II) — charges pouvant apparaître dans des conditions anormales d'exploitation, incluant la charge de vent en condition hors travail (calculée sur la base de la vitesse maximale de vent centennale), les charges d'arrêt accidentel, les charges d'essai et les charges de température. Les charges spéciales (catégorie III) — charges rares mais aux conséquences graves, incluant les charges sismiques, les charges de collision et les charges spéciales liées au procédé.
Chaque catégorie de charges est affectée d'un coefficient partiel de charge différent, reflétant l'influence de la probabilité d'apparition et de la durée d'application sur la sécurité structurelle. Les coefficients partiels pour la catégorie I sont compris entre 1,0 et 1,3 (1,0 pour le calcul de fatigue), entre 1,0 et 1,1 pour la catégorie II, et égaux à 1,0 pour la catégorie III. Plus le coefficient partiel est élevé, plus l'imprévisibilité de la charge est grande et plus l'exigence de redondance de sécurité est forte. La norme insiste particulièrement sur le fait que le personnel de conception doit sélectionner correctement la catégorie de charges lors des calculs : il ne doit pas classer une charge de catégorie II en catégorie I pour réduire les exigences de sécurité, ni classer une charge de catégorie I en catégorie II, ce qui conduirait à un dimensionnement conservateur et inutilement coûteux.
Règles de combinaison des charges
La combinaison des charges constitue le contenu essentiel de la norme. Celle-ci définit trois types de combinaisons correspondant à trois conditions de service : la combinaison A — condition de travail sans vent (utilisée pour le calcul de résistance à la fatigue et la vérification de la puissance du moteur), comprenant les charges permanentes + la charge de levage + les charges d'inertie + les forces latérales de déport, avec un coefficient de sécurité de 1,50 (fatigue) / 1,25 (fatigue locale). La combinaison B — condition de travail avec vent (utilisée pour le calcul de résistance statique), qui ajoute à la combinaison A la charge de vent en état de travail, avec un coefficient de sécurité de 1,34. La combinaison C — condition hors travail (utilisée pour la vérification de la stabilité au renversement et de la sécurité au vent), comprenant les charges permanentes + la charge de vent en condition hors travail ou d'autres charges spéciales, avec un coefficient de sécurité de 1,15.
Les dispositions spécifiques concernant la détermination des valeurs des charges dans les combinaisons sont les suivantes : les charges permanentes sont calculées selon le poids réel de la structure ; la charge de levage inclut la capacité nominale et le poids du spreader, multipliés par le coefficient de charge dynamique φ2 (1,0 à 1,2) ; le coefficient de choc au décollage φ1 est compris entre 1,1 et 1,3. Les charges d'inertie sont calculées selon les accélérations et décélérations de chaque mécanisme et les masses en mouvement : la force d'inertie du mécanisme de levage est égale à φ5 × charge de levage (φ5 étant le coefficient de charge dynamique pour les entraînements à vitesse variable), tandis que la force d'inertie du mécanisme de translation est égale à la masse en translation × l'accélération de translation. La charge de vent est calculée conformément à l'annexe A de la norme GB/T 3811, qui fournit les zones de pression de vent et les coefficients de hauteur. Les forces latérales de déport sont calculées selon la formule empirique F = λ × ΣP (λ étant le coefficient de force latérale et ΣP la charge totale par galet). Le personnel de conception doit sélectionner la combinaison de charges la plus défavorable en fonction des conditions de service réelles de la grue.
Valeurs des coefficients de choc et conditions d'application
Les coefficients de choc (coefficients φ) définis par la norme constituent des paramètres essentiels du calcul de charge. Leur compréhension et leur sélection correctes sont déterminantes pour la précision du calcul de conception. φ1 — coefficient de choc au décollage de la charge (1,1 à 1,3) : lors d'un levage rapide depuis le sol, l'élasticité du câble de levage amplifie la charge au moment où la charge quitte le sol. La valeur de ce coefficient dépend de la vitesse de levage et de la rigidité du câble métallique. φ2 — coefficient d'impact en translation (1,0 à 1,2) : il tient compte des à-coups générés lors du démarrage et de l'arrêt du mécanisme de levage. φ3 — coefficient de déchargement brusque (1,5 à 2,0) : il reflète les situations extrêmes de chute accidentelle de la charge, notamment en cas de rupture partielle du câble métallique ou de décrochage de la charge. φ4 — coefficient d'impact en déplacement : il dépend de l'état des joints de rail et de la vitesse de translation ; pour des joints de rail normaux, il est compris entre 1,1 et 1,3. φ5 — coefficient de choc pour les mécanismes à vitesse variable : utilisé pour le calcul de la force d'inertie lors des phases de freinage et de démarrage du mécanisme de levage. φ6 — coefficient de choc pour charge d'essai (1,0 à 1,1) : appliqué au calcul de charge lors de l'essai de charge dynamique.
La sélection des coefficients de choc doit être déterminée en fonction des conditions d'utilisation de la grue, de sa classe de fonctionnement et de la nature des charges. Par exemple, le risque de déchargement brusque est plus élevé pour un Pont de Coulée que pour une grue standard ; la valeur de φ3 doit donc être choisie dans la partie supérieure de la plage. Pour une grue portuaire, caractérisée par des cycles de translation fréquents et de nombreux joints de rail, φ4 doit être pris à sa valeur maximale. Pour les grues de classe de fonctionnement A7 à A8, les valeurs des coefficients de choc doivent être environ 10 % à 15 % plus sévères que pour les classes A1 à A3. La norme précise également qu'il ne faut pas cumuler simultanément les valeurs maximales de plusieurs coefficients de choc ; une combinaison de charges cohérente avec les conditions de service réelles doit être retenue. Kelude Industries Lourdes sélectionne rigoureusement les coefficients de choc selon la norme dans ses calculs de conception et les vérifie point par point en fonction des conditions de service réelles de l'utilisateur.
Combinaisons de charges et tableau comparatif des coefficients
Le tableau comparatif ci-dessous récapitule, pour les trois combinaisons de charges, les charges incluses, les coefficients de sécurité et les types de calcul applicables. Le personnel de conception doit sélectionner la combinaison appropriée en fonction de la classe de fonctionnement réelle de la grue et de son environnement d'exploitation.
| Combinaison | Inclusion Charge | Coefficient de sécurité | Calcul applicable |
|---|---|---|---|
| A | Poids Mort+Levage / Hissage+Inertie+Force latérale | 1.50(Fatigue1.25) | Limite de Fatigue/puissance du moteur |
| B | ACombinaison+charge de vent en état de travail | 1.34 | résistance statique |
| C | Poids Mort+condition hors travail Vent/charges spéciales | 1.15 | résistance au renversement/Sécurité anti-vent |
Méthode de calcul de la charge de vent
La charge de vent constitue une charge environnementale majeure dans le calcul de conception d'une grue. La norme spécifie que la charge de vent est calculée conformément à l'annexe A de l'ISO 4301 : la pression de vent en condition de travail est comprise entre 150 et 250 Pa (selon la zone de pression de vent de la région), tandis qu'en condition hors travail, elle est déterminée à partir de la vitesse maximale de vent centennale locale. La formule de calcul de la charge de vent est Fw = Cw × p × A, où Cw est le coefficient de force du vent (dépendant de la forme de la structure et de la réduction due à l'effet de masque), p est la pression du vent et A est la surface projetée de la structure. Pour les structures en treillis, la surface projetée doit être calculée en tenant compte du coefficient de réduction par effet de masque. La norme exige également de prendre en compte l'effet du vent turbulent en condition hors travail, en appliquant un coefficient de réponse dynamique β = 1,6 à 2,0 pour intégrer l'amplification structurelle due aux fluctuations du vent. Les structures élancées, telles que les grues à tour, présentent des effets de réponse dynamique plus prononcés et nécessitent des valeurs plus élevées. La pression de vent dans les zones côtières et découvertes est supérieure de 15 % à 25 % à celle des zones urbaines intérieures ; la conception doit donc se baser sur la zone de pression de vent correspondant à la position d'installation réelle de la grue.
La norme met également l'accent sur le traitement de cas particuliers dans le calcul de la charge de vent : en condition hors travail, la surface projetée de la grue doit être calculée dans la direction la plus défavorable, y compris les surfaces projetées des parties rotatives à différents angles de rotation. Pour les grues orientables, le crochet et le chariot doivent être positionnés de manière spécifique en condition hors travail afin de réduire la charge de vent — le chariot est généralement déplacé au plus près du mât de tour et le crochet est relevé en position haute. La force de serrage des dispositifs de sécurité antivent (pince de rail, dispositif d'ancrage, câble anti-vent, etc.) doit être calculée à 1,25 fois la charge de vent en condition hors travail, afin de garantir qu'aucun glissement ou renversement de la grue ne se produise en cas de vents extrêmes.
Questions fréquentes sur le calcul de charge
Q : Quelle est la relation entre l'ISO 4306 et l'ISO 4301 ?
A : L'ISO 4301 est la norme cadre pour la conception des grues, couvrant l'ensemble des aspects tels que le calcul de charge, la vérification de résistance et le choix des mécanismes. L'ISO 4306 est une norme dédiée aux méthodes de calcul de charge, offrant des spécifications plus détaillées sur la classification des charges et les combinaisons de charges que l'ISO 4301. Les deux normes sont utilisées conjointement.
Q : Pourquoi le coefficient de sécurité de la combinaison C (1,15) est-il inférieur à celui de la combinaison A (1,50) ?
A : La combinaison C correspond aux charges extrêmes en condition hors travail, telles que les vents centennaux. Les valeurs de charge intègrent déjà une marge de sécurité importante, ce qui permet de réduire le coefficient de sécurité structurel. La combinaison A correspond aux charges régulières fréquemment rencontrées, nécessitant une marge de sécurité plus élevée pour tenir compte des effets cumulés de la fatigue.
Q : Pourquoi le coefficient de charge dynamique φ3 est-il le plus élevé (1,5 à 2,0) ?
A : φ3 est le coefficient de déchargement soudain, correspondant au scénario de chute accidentelle de la charge suspendue. L'énergie potentielle élastique stockée dans le câble métallique est alors libérée brusquement, générant une charge de choc inverse sur la structure. Bien que ce scénario soit extrêmement rare, ses conséquences sont graves, d'où l'application d'un coefficient élevé.
Q : Combien de conditions de service doivent être considérées simultanément dans le calcul des combinaisons de charges ?
A : La norme exige de retenir, pour chaque type de grue, la combinaison la plus défavorable parmi les combinaisons A, B et C comme base de conception. Pour les grues de classe de fonctionnement supérieure ou égale à A6, la combinaison A doit faire l'objet d'une vérification de la résistance à la fatigue distincte, qui ne peut être omise.
