Grue à mât : paramètres de conception et normes d'installation

La norme GB/T 26558-2011, publiée et mise en application en 2011, est la norme de produit dédiée aux grues à mât (également désignées sous les termes « grue à mât » ou « flèche auxiliaire »). Ce type de grue se compose d'un mât (colonne principale), d'une flèche (bras de levage), de haubans (câbles de retenue) et d'un mécanisme de levage. Le mât est ancré au sol par l'intermédiaire des haubans, et les opérations de levage sont réalisées grâce à la rotation et à la variation de portée de la flèche. Les grues à mât se distinguent par leur structure simple, leur capacité portante élevée et leur coût modéré, ce qui les rend particulièrement adaptées aux travaux de levage lourds : installation d'équipements de grande taille, construction de centrales électriques, montage d'unités pétrochimiques, etc. Kelude Industries Lourdes conçoit et fabrique des grues à mât non standard en fonction des besoins spécifiques des projets.

Classification et structure des grues à mât

La norme classe les grues à mât en trois catégories selon le type de structure du mât. La grue à mât simple (mât indépendant) — un mât principal et des haubans forment le système de suspension ; la flèche est articulée à la base du mât et son angle est modifié par le câble de relevage. Cette configuration est la plus simple et sa capacité de levage maximale ne dépasse généralement pas 100 t. La grue à mât en chèvre — deux mâts disposés en forme de « V » offrent une meilleure stabilité que la configuration à mât simple, permettant de réduire le nombre de haubans ; elle convient aux capacités de levage comprises entre 100 et 500 t. La grue à flèche orientable — le mât et la flèche peuvent varier indépendamment leur portée, offrant ainsi la plus grande flexibilité d'utilisation. Les principaux paramètres structurels des grues à mât comprennent la hauteur du mât (généralement de 10 à 50 m), la longueur de la flèche (de 10 à 40 m), la capacité de levage maximale (de 50 à 500 t) et la portée maximale de travail (de 10 à 30 m). Le mât et la flèche sont généralement fabriqués en acier de construction à haute résistance faiblement allié Q345B ou Q420B ; les membrures principales peuvent être réalisées en tubes d'acier sans soudure ou en sections assemblées de cornières.

Le système de haubans constitue un élément de sécurité critique propre aux grues à mât. La norme spécifie le nombre, le diamètre et les exigences d'ancrage des haubans. Le sommet du mât doit être équipé d'au moins 6 haubans (répartis uniformément sur la circonférence), et l'angle entre les haubans et le sol doit être compris entre 30° et 60°. Les haubans doivent être en câble métallique, avec un coefficient de sécurité d'au moins 3,5 ; la fixation d'extrémité de câble est réalisée par serre-câbles ou manchons sertis en alliage. La précharge des haubans doit maintenir le mât vertical à vide, sa valeur étant déterminée par le calcul de conception. Chaque hauban doit être équipé d'un tendeur à vis ou d'un ridoir indépendant pour le réglage de la tension. Les ancrages au sol des haubans doivent être réalisés en blocs de béton ou sur pieux tubulaires en acier, avec une résistance à l'arrachement au moins 2 fois supérieure à la force de traction maximale du hauban. La norme exige également que la fondation supportant la base du mât présente une capacité portante et une résistance au glissement suffisantes ; sa conception doit être validée par un ingénieur en génie civil.

Exigences de calcul de conception

Le calcul de conception des grues à mât est plus complexe que celui des grues conventionnelles, car leur caractère isostatique rend les efforts internes de chaque élément très sensibles à la tension des haubans et à la position de la charge suspendue. La norme exige que le calcul de conception inclue une analyse des charges : charge permanente, charge de levage, charge de vent (calculée séparément en condition de travail et hors travail), charge d'inertie et précharge des haubans. Les combinaisons de charges sont établies conformément aux principes de l'ISO 4301 / FEM 1.001 et de l'ISO 4306, mais la particularité des grues à mât réside dans le fait que la déformation élastique des haubans influence la répartition des efforts dans l'ensemble de la structure ; une analyse géométriquement non linéaire est donc requise. Le calcul de stabilité du mât comprend la stabilité générale (en tenant compte de la flexion-compression) et la stabilité locale (le coefficient de stabilité de chaque élément ne doit pas être inférieur aux valeurs prescrites).

La norme fixe également le coefficient de stabilité au renversement des grues à mât : au moins 1,5 en condition de travail (selon la combinaison de charges la plus défavorable) et au moins 1,8 hors travail (en tenant compte de la charge de vent maximale). Le coefficient de stabilité au glissement horizontal de la base du mât doit être d'au moins 1,5. Le coefficient de sécurité à l'arrachement des ancrages de haubans doit être d'au moins 2,0. Étant donné que les grues à mât sont souvent assemblées sur site pour une utilisation unique ou pour des montages et démontages répétés, la norme autorise, dans des conditions spécifiques, l'utilisation de la méthode des contraintes admissibles pour la conception ; les coefficients de sécurité peuvent alors être réduits, mais sans descendre en dessous de 90 % des valeurs prescrites par l'ISO 4301. Après fabrication, un essai de fonctionnement à vide et un essai de charge nominale (100 % SWL) doivent être effectués pour valider la justesse des calculs de conception. Le dossier de conception doit comprendre le rapport de calcul de structure du mât et de la flèche, le schéma d'implantation du système de haubans, les paramètres de charge de la fondation et une note descriptive du plan d'installation.

Exigences de montage et essais

Le montage et le démontage d'une grue à mât constituent des opérations à haut risque, strictement encadrées par la norme. Avant le montage, un plan détaillé doit être établi et approuvé par le responsable technique. La zone d'installation doit être nivelée et compactée ; le montage ne peut débuter qu'après que la résistance du béton de fondation a atteint 100 % de sa valeur de calcul. Le mât peut être dressé par levage intégral ou par méthode de glissement ; des retenues et des supports auxiliaires doivent être mis en place pendant l'opération pour prévenir tout basculement. Les haubans se posent dans un ordre précis : d'abord les haubans côté sous le vent, puis ceux côté au vent. La tension initiale de chaque hauban est réglée individuellement conformément aux exigences de conception. La flèche n'est installée qu'après le dressage et la fixation du mât. Une inspection complète doit être effectuée après le montage pour vérifier la solidité de toutes les connexions et le bon fonctionnement de chaque mécanisme.

L'essai de charge constitue le moyen ultime de validation des performances de sécurité de la grue à mât. Les essais se déclinent comme suit : Essai à vide — chaque mécanisme fonctionne à la vitesse nominale pendant au moins 30 minutes. Essai de charge nominale (100 % SWL) — la charge nominale est levée à chaque portée de travail typique pour tester les freins et la fonction de variation de portée de chaque mécanisme. Essai de charge dynamique — levage, descente et opérations de relevage avec 1,1 fois la charge nominale, au moins 5 cycles chacun. Essai de charge statique — la charge de 1,25 fois la charge nominale est maintenue immobile pendant 10 minutes afin de mesurer les variations de perpendicularité du mât et de tension des haubans. Le déplacement horizontal maximal du sommet du mât ne doit pas excéder 1/100 de la hauteur du mât. Un rapport d'essai consignant toutes les données mesurées est établi à l'issue des essais. Le manuel d'utilisation de la grue à mât doit préciser la capacité de levage maximale, la courbe charge-portée correspondante, la méthode et la périodicité de réglage de la tension des haubans, ainsi que les points et critères d'évaluation de l'inspection périodique.

Exigences d'utilisation sûre

La norme impose des exigences claires pour une exploitation sûre de la grue à mât. Avant la mise en service, un plan de levage détaillé et des procédures d'exploitation doivent être établis. Le plan de levage est soumis à l'approbation du responsable technique et fait l'objet d'une réunion technique préalable avec l'ensemble du personnel participant aux opérations. Une zone de sécurité doit être délimitée sur le site ; toute personne non autorisée en est exclue. L'opérateur et le chef de manœuvre / signaleur maintiennent une communication permanente et utilisent des gestes de commandement uniformes et sans ambiguïté. La norme spécifie que les mécanismes de levage et de variation de portée ne doivent jamais être actionnés simultanément. L'opération de relevage s'effectue à vide ou en charge légère ; en cas de relevage sous charge, la charge ne doit pas dépasser 70 % de la capacité nominale. Pendant le levage, la vitesse doit être constante et régulière ; tout arrêt d'urgence ou redémarrage brusque est interdit. Une fois la charge décollée du sol, la grue doit être immobilisée pour vérifier la fiabilité du frein et l'équilibrage de la charge avant de poursuivre le hissage. Les opérations de levage sont interdites par vent de force 6 ou plus, en cas de pluie forte, de brouillard dense ou d'éclairage nocturne insuffisant. Pendant l'exploitation, une personne dédiée surveille en permanence les variations de tension des haubans et la stabilité des ancrages au sol ; toute anomalie impose l'arrêt immédiat des opérations.

Tableau comparatif des paramètres de conception

Le tableau ci-dessous présente les paramètres clés de configuration de la grue à mât, pour référence par le personnel de sélection et d'utilisation.

Questions fréquentes