GB/T 22437.1-2008 Norme relative aux paramètres de calcul pour la conception des charges et des combinaisons de charges des grues
📌La norme GB/T 22437.1-2008 « Grues — Charges et combinaisons de charges — Partie 1 : Principes généraux » est une norme méthodologique relative au calcul des charges de conception des grues.Cette norme définit la classification des différents types de charges des grues, les méthodes de détermination de leurs valeurs et les règles de combinaison. Elle s'utilise conjointement avec la norme GB/T 3811 relative à la conception des grues et constitue une condition préalable à la vérification de la résistance des structures métalliques et des mécanismes.
La norme GB/T 22437.1-2008, qui reprend à titre équivalent la norme ISO 8686-1:1989, est une norme spécifique relative aux méthodes de calcul des charges des grues. Au stade de la conception, il est nécessaire de déterminer les différentes charges auxquelles une grue est susceptible d’être soumise au cours de sa durée de vie, et de vérifier la résistance et la stabilité de sa structure en fonction de la combinaison de charges la plus défavorable. Cette norme s'applique au calcul des charges de tous les types de grues ; elle définit les méthodes de détermination des valeurs et les coefficients de combinaison pour les charges propres, les charges de levage, les charges d'inertie, les charges dues au vent, les charges thermiques et les charges spéciales.
Système de classification des charges
La norme classe l'ensemble des charges supportées par une grue en trois grandes catégories. Charges courantes (catégorie I) : charges fréquemment rencontrées par la grue au cours de son fonctionnement normal, comprenant les charges propres (poids propre de la structure et des équipements), la charge nominale de levage (capacité de levage maximale, poids des accessoires de levage compris), les charges d’inertie liées au démarrage et à l’arrêt (charges d’accélération générées lors du démarrage du mécanisme de levage et forces d’inertie horizontales résultant de l’accélération et de la décélération du mécanisme de déplacement), les charges de vent en condition de service (calculées en fonction des zones de pression de vent locales et des coefficients de hauteur) et les forces latérales dues à un déplacement dévié (forces de guidage horizontales générées lorsque le chariot se déplace de manière déviée). Charges non conventionnelles (catégorie II) — Charges susceptibles de se produire lorsque la grue est soumise à des conditions de fonctionnement anormales, notamment les charges dues au vent en dehors des conditions de fonctionnement (calculées en fonction de la vitesse maximale du vent correspondant à un événement survenant une fois tous les 50 ans), les charges dues à un arrêt imprévu, les charges d’essai et les charges thermiques. Charges spéciales (catégorie III) — Charges très rares mais aux conséquences graves, comprenant les charges sismiques, les charges de collision et les charges spécifiques liées aux procédés industriels.
Les coefficients de division des charges utilisés pour chaque catégorie de charge varient en fonction de la probabilité d'apparition et de la durée de la charge, ce qui reflète leur incidence sur la sécurité de la structure. Les coefficients de réduction des charges de catégorie I sont compris entre 1,0 et 1,3 (1,0 pour les calculs de fatigue), ceux des charges de catégorie II entre 1,0 et 1,1, et ceux des charges de catégorie III sont égaux à 1,0. Plus le coefficient de réduction d’une charge est élevé, plus cette charge est imprévisible et plus les exigences en matière de marge de sécurité sont élevées. La norme insiste tout particulièrement sur le fait que les concepteurs doivent choisir correctement la catégorie de charge lors des calculs ; ils ne doivent pas classer les charges de catégorie II dans la catégorie I afin de réduire les exigences de sécurité, ni classer les charges de catégorie I dans la catégorie II, ce qui entraînerait une conception trop prudente et un gaspillage de ressources.
Règles relatives aux combinaisons de charges
Les combinaisons de charges constituent un élément central de la norme. Celle-ci prévoit trois types de combinaisons de charges : A, B et C : Combinaison A — état de fonctionnement sans vent (utilisée pour le calcul de la résistance à la fatigue et la vérification de la puissance du moteur) ; la combinaison comprend la charge propre + la charge de levage + la charge d’inertie + la force latérale due au fonctionnement en déport, avec un coefficient de sécurité de 1,50 (fatigue) / 1,25 (fatigue locale). Combinaison B — État de fonctionnement avec vent (utilisée pour le calcul de la résistance statique) : la charge de vent en état de fonctionnement est superposée à la combinaison A ; le coefficient de sécurité est de 1,34. Combinaison C — État de repos (utilisée pour la vérification de la stabilité anti-basculement et de la résistance au vent) : comprend la charge propre + la charge due au vent en état de repos ou toute autre charge particulière ; le coefficient de sécurité est fixé à 1,15.
Règles spécifiques relatives aux valeurs des différentes charges dans la combinaison de charges : la charge propre est calculée en fonction du poids réel de la structure ; la charge de levage comprend la capacité de levage nominale et le poids de l'ensemble des accessoires de levage, multipliés par le coefficient de charge dynamique φ2 (1,0 à 1,2) ; le coefficient d'impact au décollage φ1 est compris entre 1,1 et 1,3. Les charges d’inertie sont calculées en fonction des accélérations et décélérations de chaque mécanisme ainsi que de la masse en mouvement : la force d’inertie du mécanisme de levage est égale à φ₅ × la charge de levage (φ₅ étant le coefficient de charge dynamique pour les entraînements à variation de vitesse), tandis que la force d’inertie du mécanisme de translation est égale à la masse en mouvement multipliée par l’accélération de translation. Les charges dues au vent sont calculées à partir de la carte de zonage de la pression du vent et des coefficients de hauteur figurant à l’annexe A de la norme GB/T 3811. La force latérale due au déport est calculée à l’aide de la formule empirique F = λ × ΣP (où λ est le coefficient de force latérale et ΣP la pression totale des roues). Le concepteur doit choisir la combinaison de charges la plus défavorable en fonction des conditions réelles d'utilisation de la grue.
Valeurs du coefficient de charge dynamique et conditions d'application
Le coefficient de charge dynamique (coefficient φ) défini dans la norme est un paramètre essentiel pour le calcul des charges ; une bonne compréhension et une sélection appropriée de ces coefficients sont essentielles pour garantir la précision de la conception. φ1 — Coefficient de charge dynamique lors du levage au-dessus du sol (1,1 à 1,3) : lorsque la charge est soulevée rapidement du sol, l'effet élastique du câble de levage produit un effet d'amplification de la charge dynamique au moment où la charge quitte le sol ; la valeur du coefficient dépend de la vitesse de levage et de la rigidité du câble. φ2 — Coefficient de choc au levage (1,0 à 1,2) : prend en compte les chocs survenant au démarrage et à l’arrêt du mécanisme de levage. φ3 — Coefficient de décharge soudaine (1,5 à 2,0) : reflète les situations extrêmes en cas de chute accidentelle de la charge ; s’applique en cas de rupture partielle du câble métallique ou de décrochage de l’élingue. φ4 — Coefficient de choc en marche, qui dépend de l’état des joints de rail et de la vitesse de déplacement ; pour les rails à joints plats, il est compris entre 1,1 et 1,3. φ5 — Coefficient de charge dynamique pour les entraînements à variation de vitesse, utilisé pour le calcul des forces d’inertie lors du démarrage et de l’arrêt du mécanisme de levage. φ6 — Coefficient de charge dynamique d’essai (1,0 à 1,1), utilisé pour le calcul de la charge lors des essais de charge dynamique.
Le choix des coefficients de charge dynamique doit être déterminé de manière globale en tenant compte des conditions d'utilisation de la grue, de sa classe de service et de la nature de la charge. Par exemple, les grues de fonderie présentant un risque de déchargement soudain plus élevé que les grues ordinaires, la valeur de φ3 doit être choisie à la hausse ; les grues portuaires, qui fonctionnent fréquemment et comportent de nombreux joints de rail, doivent voir la valeur de φ4 fixée à la limite supérieure. Pour les grues des classes de service A7 à A8, les valeurs des différents coefficients de charge dynamique doivent être environ 10% à 15% plus strictes que celles des classes A1 à A3. La norme précise également que les coefficients de charge dynamique ne doivent pas tous être fixés simultanément à leur valeur maximale pour être combinés ; il convient de choisir une combinaison raisonnable en fonction des conditions d’exploitation réelles. Dans ses calculs de conception, Krude Heavy Industry sélectionne rigoureusement les coefficients de charge dynamique conformément à la norme et procède à une vérification point par point en fonction des conditions d’utilisation réelles de l’utilisateur.
Tableau de correspondance des combinaisons de charges et des coefficients
Le tableau comparatif ci-dessous récapitule les charges, les coefficients de sécurité et les types de calcul applicables pour trois combinaisons de charges. Les concepteurs doivent effectuer le choix approprié en fonction du niveau de service réel de la grue et de son environnement d'exploitation.
| Combinaison | Charge incluse | Coefficient de sécurité | Calcul applicable |
|---|---|---|---|
| A | Poids propre + force de levage + inertie + force latérale | 1,50 (fatigue 1,25) | Résistance à la fatigue / Puissance du moteur |
| B | Combinaison A + charge due au vent en condition de service | 1.34 | Résistance statique |
| C | Poids propre + charge due au vent en état de repos / charges exceptionnelles | 1.15 | Sécurité anti-basculement / résistance au vent |
Méthodes de calcul des charges dues au vent
Les charges dues au vent constituent une charge environnementale importante dans le calcul de conception des grues. Les normes stipulent que les charges dues au vent doivent être calculées selon la méthode décrite à l’annexe A de la norme GB/T 3811 : la pression du vent en état de fonctionnement est comprise entre 150 et 250 Pa (valeurs déterminées en fonction des zones de pression du vent), tandis que la pression du vent hors état de fonctionnement est calculée sur la base de la vitesse maximale du vent observée localement une fois tous les 50 ans. La formule de calcul des charges dues au vent est la suivante : Fw = Cw × p × A, où Cw est le coefficient de résistance au vent (qui dépend de la forme de la structure et de la réduction due à la protection contre le vent), p est la pression du vent et A est la surface exposée au vent de la structure. Pour les structures en treillis, la surface exposée au vent doit être calculée en tenant compte du coefficient de réduction dû à la protection contre le vent. La norme stipule également que le calcul en état de repos doit tenir compte de l’effet du vent pulsatoire — en retenant un coefficient de vibration éolienne β compris entre 1,6 et 2,0, afin de prendre en compte l’effet d’amplification exercé par les caractéristiques pulsatoires du vent sur la structure. Les effets de la vibration éolienne sont plus marqués pour les structures de grande hauteur (telles que les grues à tour) ; il convient donc de retenir une valeur plus élevée. La pression du vent est environ 15% à 25% plus élevée en bord de mer et dans les zones dégagées qu’en milieu urbain et à l’intérieur des terres ; lors de la conception, il convient de se baser sur la zone de pression du vent correspondant à l’emplacement réel d’installation de la grue.
La norme met également l'accent sur le traitement de plusieurs cas particuliers concernant le calcul des charges dues au vent : lorsque la grue n'est pas en service, sa surface exposée au vent doit être calculée selon la direction la plus défavorable (y compris la surface projetée de la partie rotative à différents angles de rotation). Pour les grues pivotantes, lorsque celles-ci ne sont pas en service, le crochet et le chariot doivent être placés dans des positions spécifiques afin de réduire les charges dues au vent — en général, le chariot est déplacé près de la tour et le crochet est hissé à sa position la plus haute. La force de serrage ou d’ancrage des dispositifs de sécurité anti-vent (serre-rails, dispositifs d’ancrage, haubans anti-vent, etc.) doit être calculée sur la base de 1,25 fois la charge due au vent à l’arrêt, afin de garantir que la grue ne glisse pas et ne se renverse pas en cas de vents extrêmes.
Foire aux questions
Question : Quel est le lien entre les normes GB/T 22437 et GB/T 3811 ?
Réponse : La norme GB/T 3811 est la norme-cadre régissant la conception des grues ; elle couvre l'ensemble des aspects, notamment le calcul des charges, la vérification de la structure et le choix des mécanismes. La norme GB/T 22437.1 est une norme spécifique aux méthodes de calcul des charges ; ses dispositions relatives à la classification et à la combinaison des charges sont plus détaillées que celles de la norme 3811. Ces deux normes s'utilisent conjointement.
Question : Pourquoi le coefficient de sécurité de la combinaison C (1,15) est-il inférieur à celui de la combinaison A (1,50) ?
Réponse : Étant donné que la combinaison C correspond à des charges extrêmes en état de repos (telles que des vents violents survenant une fois tous les 50 ans) et que les valeurs de ces charges tiennent déjà compte d’une marge de sécurité importante, le coefficient de sécurité de la structure peut être légèrement réduit. La combinaison A, quant à elle, correspond à des charges courantes et fréquentes ; elle nécessite donc une marge de sécurité plus élevée pour faire face aux effets cumulés de la fatigue.
Question : Pourquoi la valeur du coefficient de charge dynamique φ3 est-elle la plus élevée (1,5 à 2,0) ?
Réponse : φ3 est le coefficient de déchargement soudain, qui correspond à un cas de chute accidentelle de la charge. Dans ce cas, l'énergie potentielle élastique emmagasinée par le câble métallique est libérée brusquement, ce qui génère une charge d'impact inverse vers le bas sur la structure. Bien que ce type de situation soit extrêmement rare, ses conséquences sont graves ; c'est pourquoi on retient un coefficient élevé.
Question : Combien de conditions de service faut-il prendre en compte lors du calcul des combinaisons de charges ?
Réponse : La norme exige que, pour chaque type de grue, on retienne comme base de conception le résultat le plus défavorable parmi les trois combinaisons A, B et C. Pour les grues de classe de service A6 et supérieure, la combinaison A doit faire l'objet d'une vérification distincte de la résistance à la fatigue ; celle-ci ne peut être omise.
