Interprétation de la norme ISO 24035:2020 « Méthodes d'évaluation de la fatigue des structures métalliques des grues »
📌La norme ISO 24035:2020 « Grues — Structures en acier — Méthodes d'évaluation de la fatigue » est une norme spécifique relative à l'évaluation de la durée de vie en fatigue des structures en acier des grues. Cette norme définit une méthode d’évaluation de la fatigue des structures en acier fondée sur la méthode de la durée de vie en fonction de la contrainte, comprenant notamment le choix des courbes S-N, le comptage des cycles de contrainte, le calcul de l’accumulation des dommages dus à la fatigue et le processus d’évaluation de la durée de vie de sécurité.
Processus de base de l'évaluation de la fatigue
Le processus d’évaluation de la fatigue défini par la norme ISO 24035:2020 comprend les étapes suivantes : collecte des spectres de charge (obtention des données de l’évolution charge-temps et des statistiques des cycles de charge de la grue tout au long de son cycle de vie), l'analyse des contraintes structurelles (réalisation d'une analyse par éléments finis ou de mesures à l'aide de jauges de contrainte sur les zones soumises à la fatigue, afin d'obtenir les spectres de contraintes pour chaque condition d'exploitation), la sélection de la courbe S-N (choix de la courbe S-N appropriée en fonction du type d'acier, des détails d'assemblage et du rapport de contrainte), le calcul de l’accumulation des dommages par fatigue (en utilisant la loi de Miner sur l’accumulation linéaire des dommages pour calculer le dommage total D = ∑ni/Ni) et l’évaluation de la durée de vie de sécurité (évaluation de la durée de vie en fatigue en fonction du dommage cumulé D ; la structure est considérée comme sûre lorsque D ≤ 1,0).
Choix des zones à évaluer — L'évaluation de la fatigue doit couvrir toutes les zones de concentration des contraintes dans la structure métallique (soudures d'assemblage, changements brusques de section, percées, rebords de soudure, etc.) ainsi que les zones soumises à des contraintes alternées importantes (milieu de la portée des poutres principales, raccords des poutres d'extrémité, base des pieds de support, etc.). Pour chaque grue, il convient de sélectionner au moins 3 à 5 zones sensibles à la fatigue afin de les évaluer. Les résultats de cette évaluation servent à établir le programme d’inspection périodique de la grue et la stratégie de gestion de sa durée de vie en fatigue.
Choix de la courbe S-N
La norme classe les courbes S-N en plusieurs catégories en fonction des détails d'assemblage des structures métalliques : le matériau de base (sans soudure) suit la courbe FAT160 (160 MPa à 2 × 10⁶ cycles), les soudures bout à bout meulées suivent la courbe FAT125, les soudures bout à bout (conservées à l’état soudé) suivent la courbe FAT112, les soudures d’angle et les assemblages en T suivent la courbe FAT100, tandis que les assemblages en croix et les soudures de plaques de renfort suivent la courbe FAT80. Le nombre de cycles de contrainte correspondant à la limite de fatigue est de 2 × 10⁶ (dans les structures en acier, on considère généralement que 5 × 10⁶ cycles correspondent à la limite de fatigue).
La pente de la courbe S-N — c'est-à-dire la relation entre la plage de contrainte Δσ et la durée de vie en fatigue N — est, dans un système de coordonnées log-log, une droite de pente m, où m est généralement égal à 3 (à l'état soudé) ou à 5 (pour le matériau de base et les soudures meulées). La courbe S-N dans la zone de contraintes élevées présente une limite de fatigue au-delà de 2 × 10⁶ cycles (aucune rupture par fatigue ne se produit en dessous de ce niveau de contrainte). Sous des conditions de charge à amplitude variable, il convient d’utiliser l’intervalle de contrainte équivalente Δσeq = (∑ni × Δσi³/Ntotal)^(1/3) pour calculer la contrainte de fatigue équivalente.
| Détails de la connexion | Niveau FAT | valeur m | Limite de fatigue | Parties typiques |
|---|---|---|---|---|
| matériau de base | 160 | 5 | 73 MPa | âme de la poutre principale |
| Alignement (meulage) | 125 | 3 | 57 MPa | Assemblage bout à bout des ailes |
| Assemblage (état soudé) | 112 | 3 | 51 MPa | Assemblage bout à bout des âmes |
| soudure d'angle | 100 | 3 | 45 MPa | Assemblage des renforts |
| raccord en croix | 80 | 3 | 36 MPa | Raccordement entre la poutre principale et la poutre d'extrémité |
| Plaque renforcée | 80 | 3 | 36 MPa | Extrémité de la nervure de renfort |
Nombre de cycles de contrainte et accumulation des dommages
Établissement du spectre de contraintes — Utilisation de la méthode de comptage Rainflow pour compter les cycles de charge-temps, afin d'extraire la plage de contraintes et la contrainte moyenne de chaque cycle de contrainte. La méthode Rainflow est actuellement reconnue comme la méthode standard de comptage des cycles de fatigue. À partir des résultats du comptage, on trace un histogramme des plages de contrainte (distribution Δσi-ni), loi de Miner sur l’accumulation linéaire des dommages — D = ∑(ni / Ni), où ni correspond au nombre de cycles mesurés dans la plage de contraintes de niveau i, et Ni au nombre de cycles admissibles correspondant à cette plage de contraintes, tel qu’il est déterminé sur la courbe S-N.
Lorsque D Lorsque D est inférieur à 1,0, la structure est sûre ; lorsque D = 1,0, la durée de vie en fatigue atteint la valeur de conception. Coefficient de sécurité en fatigue requis par la norme : si l'évaluation est effectuée à partir d'un spectre de charges calculé (et non d'un spectre de charges mesurées), le coefficient de sécurité doit être ≥ 1,25. Pour les soudures non inspectables visuellement (soudures internes de sections fermées), le coefficient de sécurité est ≥ 1,5. Pour les grues transportant des personnes (par exemple, celles utilisées pour le levage de personnel), le coefficient de sécurité est ≥ 2,0.
Rapports d'évaluation et gestion de la durée de vie
Le rapport d'évaluation de la fatigue doit inclure : les normes sur lesquelles repose l'évaluation, les paramètres techniques et l'historique d'utilisation de la grue évaluée, le spectre de charges (sources et méthodes statistiques), les résultats de l'analyse des contraintes (modèle par éléments finis et résultats d'analyse ou données de mesure réelles obtenues à l'aide de jauges de contrainte), les critères de sélection de la courbe S-N et le niveau FAT, les résultats du calcul de l’accumulation des dommages, les conclusions relatives à la durée de vie résiduelle et les recommandations en matière d’inspection et de maintenance (zones à inspecter en priorité et fréquence des inspections). Krud Heavy Industry propose des services d’évaluation de la fatigue des structures métalliques des grues.
| Coefficient de sécurité | valeur du coefficient | Conditions d'application |
|---|---|---|
| Généralités | 1.25 | Calcul du spectre de charges |
| Ne pas regarder directement | 1.5 | Soudure fermée |
| avec équipage | 2.0 | Transport de personnes par grue |
| Haute température / Corrosion | 2.0 | Environnements particuliers |
Foire aux questions
Question : Quel est le processus d'évaluation de la fatigue prévu par la norme ISO 24035:2020 ?
Réponse : Collecte du spectre de charges → Analyse des contraintes structurelles → Sélection de la courbe S-N → Calcul de l'accumulation des dommages (loi de Miner) → Évaluation de la durée de vie de sécurité. L'évaluation doit porter sur au moins 3 à 5 zones sensibles à la fatigue (zones de concentration des soudures et zones de concentration des contraintes). La sécurité est assurée lorsque D ≤ 1,0.
Question : Comment choisir le niveau FAT de la courbe S-N ?
Réponse : FAT160 pour le matériau de base, FAT125 pour les soudures bout à bout meulées, FAT112 pour les soudures à l'état brut, FAT100 pour les soudures d'angle, FAT80 pour les assemblages en croix et les goussets. La valeur m est de 3 pour l'état soudé et de 5 pour le matériau de base. La limite de fatigue correspond à 2 × 10⁶ cycles.
Question : Quelle méthode est utilisée pour compter les cycles de contrainte ?
Réponse : La méthode de comptage Rainflow (Rainflow Counting) est actuellement la méthode recommandée par les normes d'évaluation de la fatigue. On extrait l'intervalle de contrainte Δσi et la contrainte moyenne, puis on établit un histogramme du spectre de contraintes. Selon la méthode de Miner, le dommage cumulé linéaire D = ∑(ni/Ni) ; si D ≤ 1,0, la pièce est considérée comme sûre.
Question : Quelle valeur attribuer au coefficient de sécurité contre la fatigue ?
Réponse : Pour le calcul du spectre de charges, on retient un coefficient de 1,25 ; pour les soudures ne pouvant pas faire l'objet d'un contrôle visuel, un coefficient de 1,5 ; et pour les grues transportant des personnes, un coefficient de 2,0. L'augmentation du coefficient de sécurité entraîne un ajustement correspondant du niveau FAT. Krud Heavy Industry propose des services d'évaluation de la fatigue et de gestion de la durée de vie des structures métalliques.
