ISO 21657:2017 Méthode des états limites pour grues

Principes fondamentaux de la conception aux états limites

Kelude Industries Lourdes applique rigoureusement les normes nationales dans sa production. La méthode de conception aux états limites (LSD) introduite par l'ISO 21657:2017 se distingue de la méthode aux contraintes admissibles (ASD) adoptée par la spécification de conception de grue GB/T 3811 de la manière suivante : la méthode ASD consiste à maintenir la contrainte de calcul maximale de chaque combinaison de charges sous la contrainte admissible du matériau. La contrainte admissible est égale à la limite d'élasticité du matériau divisée par le coefficient de sécurité. Ce coefficient est fixe (par exemple 1,5) et ne différencie pas les poids respectifs des différents types de charges (charges permanentes / charges variables) en matière de sécurité. La méthode LSD consiste à maintenir les effets des charges de calcul (efforts internes de la structure) sous la capacité portante de la structure pour chaque état limite. Les différents types de charges (poids propre, charge suspendue, charge de vent, force d'inertie) sont multipliés par des coefficients partiels de sécurité distincts (coefficients partiels de charge), déterminés en fonction de leur degré d'influence et de leur importance pour la sécurité. La capacité portante (résistance) est également affectée d'un coefficient partiel de résistance (<1), ce qui reflète plus finement la fiabilité réelle du matériau et de la structure. La méthode LSD distingue deux catégories d'états limites : l'état limite ultime (ELU) — la structure ne doit subir ni rupture, ni instabilité, ni renversement sous l'effet des charges de calcul maximales — le niveau de sécurité exigé est le plus élevé. L'état limite de service (ELS) — la structure ne doit pas présenter de déformations, vibrations ou fissures excessives sous les charges de service normales — ces phénomènes affectent le fonctionnement normal de l'équipement sans toutefois provoquer d'accident de sécurité. Exigence de la norme : la structure de la grue doit satisfaire simultanément aux exigences de l'ELU et de l'ELS, chacun étant vérifié séparément, la condition la plus sévère prévalant pour le dimensionnement.

Coefficients partiels et combinaisons de charges

La norme définit les coefficients partiels de sécurité et les combinaisons de charges suivants : charges permanentes (G) — poids propre de la grue, contrepoids et accessoires fixes (coefficient partiel γG=1,2). Charges variables (Q) — charge de levage (charge suspendue, y compris le poids propre du spreader et des matériaux) — coefficient partiel γQ=1,5 (pour la charge de levage) ou γQ=1,35 (pour la charge de vent). Charges accidentelles (A) — telles que les charges de collision et les charges sismiques (coefficient partiel γA=1,0). Principe de combinaison des charges : on retient la combinaison la plus défavorable (celle qui produit les efforts internes maximaux dans la structure). Combinaison fondamentale (condition de travail) — combinaison ELU = 1,2 × charge permanente + 1,5 × charge de levage + 1,35 × charge de vent × coefficient de combinaison — le coefficient de combinaison Ψ (probabilité de présence simultanée de la charge de vent et de la charge de levage × 0,6 à 0,7). Combinaison extrême (condition hors travail) — combinaison ELU = 1,0 × charge permanente + 1,25 × charge de vent maximale (pression de vent en condition hors travail) — la charge de levage n'est pas prise en compte en condition hors travail (crochet à vide). Combinaison de charges de fatigue — utilisée pour la vérification de la durée de vie en fatigue — coefficient partiel de charge = 1,0 — on utilise le spectre de charge de fatigue (le niveau de charge le plus fréquemment rencontré, et non la charge maximale). La norme introduit également l'indice de fiabilité β — plus la valeur de β est élevée, plus la probabilité de défaillance de la structure est faible — l'indice de fiabilité cible est β=3,0 à 4,5 (correspondant à une probabilité de défaillance d'environ 0,001 à 0,00003). La valeur de β dépend des conséquences de la ruine de la structure (niveau de sécurité) — niveau de sécurité I (conséquences graves — par exemple les ponts de coulée pour le levage de métal en fusion, les grandes grues à tour) — β≥4,0 — niveau de sécurité II (conséquences graves en général — grues à usage général) — β≥3,5 — niveau de sécurité III (conséquences relativement mineures — petites grues de maintenance) — β≥3,0.

Vérifications à l'état limite ultime

La norme prescrit les vérifications suivantes à l'état limite ultime : vérification de résistance — contrainte normale de la section σ≤f_y/γM (f_y étant la limite d'élasticité de l'acier, γM le coefficient partiel de résistance (1,0 à 1,15, selon le type de matériau et le mode de ruine) — contrainte de cisaillement τ≤f_y/(√3·γM)). Vérification de stabilité — stabilité générale (stabilité dans le plan et hors plan des éléments comprimés-fléchis sous moment de flexion, calculée selon la formule d'Euler et les coefficients de moment équivalent) — stabilité locale (le rapport largeur-épaisseur des éléments de plaque doit respecter les valeurs limites — la semelle comprimée et l'âme ne doivent pas subir de flambement local). Vérification à la fatigue — classe de fatigue des détails — classification des détails des joints soudés (soudure bout à bout, soudure d'angle, trous de boulons, métal de base, etc. — chaque classe de détail correspond à une courbe S-N de limite de fatigue différente) — spectre de charge de fatigue (amplitude de contrainte Δσ de chaque niveau de charge de fatigue et nombre de cycles correspondant n — selon le critère de cumul linéaire des dommages de Palmgren-Miner — dommage total D≤1,0). Vérification de rigidité (ELS) — flèche maximale à mi-portée de la poutre principale sous charge nominale ≤ L/700 à L/1000 (selon la classe de service de la grue et les exigences de précision de positionnement). Vérification par la mécanique de la rupture — pour les grues en service, lorsqu'une fissure est détectée dans une zone critique, la mécanique de la rupture permet de calculer la vitesse de propagation de la fissure et la longueur critique de fissure sous des charges spécifiques, afin de déterminer le nombre de cycles ou la durée d'utilisation sûre avant l'inspection suivante. La norme souligne particulièrement que la précision des calculs selon la méthode LSD dépend de l'estimation précise des paramètres de charge et des paramètres du matériau — le concepteur doit tenir pleinement compte de l'incertitude des paramètres lors de la conception — et doit adopter des coefficients partiels plus conservateurs si nécessaire.

Comparaison entre les méthodes LSD et ASD

La norme propose une analyse comparative entre les méthodes LSD et ASD : la répartition de la marge de sécurité diffère — la méthode ASD concentre le coefficient de sécurité global (1,5) entièrement du côté de la résistance (contrainte admissible = limite d'élasticité / 1,5) — sans distinction du type de charge — toutes les charges sont traitées de la même manière. La méthode LSD répartit la marge de sécurité entre le côté des charges (coefficients partiels de charge >1) et le côté de la résistance (coefficient partiel de résistance <1) — plus une charge est imprévisible (comme la charge de vent), plus son coefficient partiel est élevé — plus elle est maîtrisable (comme le poids propre), plus son coefficient est faible — cette approche est plus scientifique. La méthode LSD permet d'obtenir une conception plus économique pour un même indice de fiabilité cible, car la probabilité que toutes les charges d'une combinaison atteignent simultanément leur valeur maximale est faible — ceci est pris en compte par le coefficient de combinaison (Ψ) — la charge de calcul est plus proche du niveau de charge réel qu'avec la méthode ASD — le poids de la structure peut être réduit de 5 % à 15 %. La méthode de vérification à la fatigue diffère — la méthode ASD utilise un coefficient de sécurité global unique pour la vérification à la fatigue — la méthode LSD utilise une méthode de cumul des dommages basée sur les courbes S-N — quantification plus précise de l'endommagement par fatigue. La norme considère que pour les grues de grande taille et importantes (forte capacité, classe de fonctionnement élevée), la méthode LSD est plus précise et plus sûre que la méthode ASD — et recommande l'utilisation de la méthode LSD pour la conception des grues importantes. Pour les grues générales de petite et moyenne taille, la méthode ASD est plus simple à mettre en œuvre et satisfait aux exigences d'utilisation. La norme conclut en indiquant que la conception des grues au niveau international est actuellement en transition de la méthode ASD vers la méthode LSD, et que l'ISO 21657 fournit le cadre technique pour la mise à jour des normes nationales.

Questions fréquentes