Grue 101 — Comprendre la stabilité grâce à la mécanique de la flèche et au moment de basculement

Quand on pense aux performances d'une grue, la question de la charge maximale qu'elle peut soulever vient immédiatement à l'esprit. Pourtant, même sur une même machine, plus la flèche est déployée pour soulever une charge éloignée (ou plus elle est abaissée), plus la charge admissible diminue. La charge nominale d'une grue ne dépend pas uniquement de la puissance du moteur ou de la résistance des câbles ; elle est aussi déterminée par la contrainte géométrique de la zone de stabilité, c'est-à-dire la plage dans laquelle la machine ne risque pas de basculer. La conception et la surveillance de cette zone de stabilité sont au cœur de l'ingénierie des grues.

Une grue à tour en service

Image : Potain K5 50C (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Il ne s'agit pas d'un modèle Kobelco, Tadano ou Liebherr spécifique mentionné dans le texte ; c'est une grue à tour représentative pour l'interprétation de la configuration de la flèche et du contrepoids.

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Figure 1 — Le rayon de travail R s'étend du centre de rotation à la charge, tandis que le bras de levier du moment de basculement s'étend de la ligne de basculement côté charge à la charge. La charge nominale, à lire dans le tableau pour la configuration actuelle de la flèche, des stabilisateurs et du contrepoids, correspond à la plus faible des limites structurelles et de stabilité.

0. Résumé en 30 secondes

• Les grues se répartissent en trois grandes catégories : les grues mobiles, qui peuvent se déplacer par leurs propres moyens sur route (grues tout-terrain, grues sur camion). Les grues mobiles (grues sur chenilles, grues automotrices sur rails) et les grues à tour (grues fixes au sol) sont réglementées séparément. La loi distingue également les grues sur chenilles des grues à tour.

• Le produit de la charge suspendue W et du rayon d'action R génère le moment de basculement M_{tip}=WR. Une charge ne peut être levée que dans la plage où le moment de stabilisation M_{stab}, dû au poids du véhicule et au contrepoids, dépasse ce moment. La réglementation japonaise exige que la charge limite de stabilité soit au moins 1,27 fois supérieure à la charge nominale.

• Un abaque de charge nominale (abaque de charge) est un tableau répertoriant, pour chaque combinaison de longueur de flèche, d'angle et de rayon d'action, la plus petite des valeurs suivantes : celle déterminée par le moment de basculement ou celle déterminée par la résistance structurelle de la flèche elle-même ou du mécanisme de levage.

• Le dispositif de prévention des surcharges (moment Le limiteur de basculement est un dispositif de sécurité qui calcule en temps réel le moment de basculement à partir d'un capteur de charge et des paramètres de l'angle et de la longueur de la flèche. Il déclenche une alarme ou arrête automatiquement la machine dans une zone dangereuse ; son installation est obligatoire.

• Les grues sur chenilles Kobelco, les grues tout-terrain Tadano et les grues mobiles et à tour Liebherr permettent de vérifier ces caractéristiques techniques dans leurs spécifications publiées.

1. Classification des grues en trois types

Le mécanisme d'une grue et le type de chantier concerné varient considérablement selon son support.

1. Grues mobiles : Elles circulent sur la voie publique grâce à leurs pneus et travaillent directement sur le chantier. Il s'agit notamment des grues tout-terrain, robustes sur les terrains accidentés et non aménagés ; des grues tout-terrain, qui peuvent se déplacer de manière autonome même sur les autoroutes ; et des grues sur camion, montées sur un châssis de camion. Pendant le travail, les stabilisateurs sont déployés pour augmenter la surface de contact au sol et limiter le moment de basculement.

2. Grues sur chenilles : Automotrices sur chenilles. Leur faible pression au sol les rend adaptées aux terrains meubles et à la pose d'éléments lourds tels que les fondations d'usines et d'éoliennes. Cependant, ne pouvant circuler sur la voie publique, leur transport nécessite un démontage et un transport par remorque. De nombreux modèles utilisent une flèche treillis (structure en treillis), et les plus grandes machines atteignent une charge utile totale nominale de plusieurs centaines à plusieurs milliers de tonnes.

3. Grues à tour : Elles sont équipées d'une flèche montée sur une structure en forme de tour, elle-même fixée au sol ou à la charpente du bâtiment, et s'élève au fur et à mesure de la construction. N'étant pas automotrices, elles ne sont pas classées comme « grues mobiles » au sens de la réglementation. Leur conception repose non seulement sur la capacité de levage, mais aussi sur la capacité de levage à chaque rayon d'action, la précision horizontale de la flèche et la procédure de démontage et de repositionnement (montée).

Ces trois catégories ne sont pas exclusives. Les grues sur roues, par exemple, se situent entre les grues mobiles et les grues sur chenilles. Il est plus pertinent de s'intéresser à leur mode de fonctionnement. Le point de pivot et sa résistance au moment de basculement sont plus importants que la catégorie à laquelle il appartient.

2. Comment lire le diagramme de flèche et de charge nominale

La charge nominale d'une grue est définie pour chaque combinaison de longueur de flèche l_b, d'angle de flèche \theta (l'angle de relevage par rapport à l'horizontale) et de rayon d'action R (la distance horizontale entre le centre de rotation et la charge suspendue). Une fois l'angle et la longueur de flèche connus, le rayon d'action et la hauteur de l'extrémité de flèche peuvent être approximés comme suit :

(où r_0,h_0 représente le décalage entre le centre de rotation et la base de la flèche). À longueur de flèche égale, plus l'angle est faible, plus R augmente ; la distance horizontale r_{tip} entre la ligne de basculement côté charge et la charge augmente également, ce qui diminue la charge nominale.

En observant un Sur le diagramme de charge nominale, dans la zone de faible rayon d'action, la charge est approximativement constante (limitée par la résistance de la structure ou du câble), tandis qu'à mesure que le rayon d'action augmente, elle diminue approximativement selon la courbe 1/R. La première limite est appelée « limite de résistance » et la seconde « limite de moment (limite de stabilité) ». La charge nominale change à chaque modification du rayon d'action par l'opérateur car la plus petite de ces deux limites est toujours appliquée. Les modifications de configuration (ajout d'une rallonge de flèche, déploiement d'une flèche auxiliaire, réduction de l'écartement des stabilisateurs) affectent les deux limites. C'est pourquoi le diagramme de charge nominale est établi sous forme de tableau distinct pour chaque combinaison de configuration de flèche, d'écartement des stabilisateurs et d'angle de flèche.

3. Moment de basculement et moment de stabilisation

Une grue bascule lorsque, autour de l'axe formé par la ligne reliant les points de contact au sol des stabilisateurs (la ligne de basculement), le moment du côté de la charge dépasse le moment du côté du véhicule. Rayon d'action La distance R est mesurée à partir du centre de rotation, mais le bras de levier de basculement, r_{tip}, correspond à la distance horizontale entre la ligne de basculement côté charge et la charge elle-même. En statique simplifiée, la charge suspendue W produit donc :

En contrepartie, le moment stabilisateur créé par le poids propre du véhicule W_{body} et le contrepoids W_{cw}, compte tenu de leurs distances d_{body}, d_{cw} au point d'appui de basculement, est :

La condition minimale pour éviter le basculement est M_{stab} \ge M_{tip}, mais en pratique, une marge de sécurité est prévue. Lors du test de stabilité basé sur les normes structurelles japonaises pour les grues mobiles, la machine ne doit pas basculer, même en soulevant une charge équivalente à 1,27 fois la charge nominale dans les conditions les plus défavorables. Une règle fixe le rapport minimal entre la charge limite de stabilité et la charge nominale à 1,27. Ce coefficient de sécurité tient compte des facteurs dynamiques tels que l'allongement des câbles, le vent, les irrégularités du terrain et le balancement de la charge.

La grue tout-terrain GR-1000EX-4 de Tadano est équipée d'un mécanisme de « contrepoids intelligent » permettant de repositionner le contrepoids. Selon le constructeur, cela améliore la stabilité d'environ 22 % par rapport au modèle précédent. Concrètement, cette conception optimise la valeur de M_{stab} en augmentant d_{cw} (la distance entre le contrepoids et le point d'appui de basculement). Ainsi, la courbe de charge nominale peut être relevée, même avec une masse de contrepoids identique.

4. Force de réaction des stabilisateurs et pression au sol

Les réactions individuelles des quatre stabilisateurs ne peuvent être déterminées uniquement par l'équilibre : la rigidité du châssis, des vérins et du sol, ainsi que les conditions de contact, sont des facteurs déterminants. Considérons un modèle idéal à deux lignes d'appui dans une direction. L'espacement L entre les lignes d'appui et une charge verticale combinée W située à x de l'appui gauche, l'équilibre des forces et des moments statiques donnent :

Les hypothèses sont les suivantes : 0 ≤ x ≤ L, charge verticale, corps rigide et les deux lignes d'appui en contact. Il s'agit des réactions totales sur les lignes d'appui, et non des charges individuelles des vérins. Déplacer la charge vers le côté du basculement décharge l'appui opposé jusqu'à zéro. La marge de moment stabilisateur ne correspond pas à la réaction maximale du vérin chargé. La configuration réelle utilise les données de réaction et les abaques de charge du fabricant, ainsi que les conditions du tapis et du sol. Données de réaction Tadano.

5. Dispositif de prévention des surcharges (limiteur de moment)

Le limiteur de moment est un dispositif qui, à l'aide d'un capteur de force mesurant la tension du câble de levage et de capteurs d'angle et de longueur de flèche, calcule la marge entre le moment de basculement en temps réel et la charge nominale. À l'approche de la zone dangereuse, il émet une alarme intermittente et, si la charge nominale risque d'être dépassée, il L'appareil arrête automatiquement les opérations dangereuses telles que le relevage, l'extension ou le levage de la flèche. Au Japon, la révision des normes structurelles des grues mobiles a rendu obligatoire l'installation d'un dispositif de protection contre les surcharges, en plus d'un indicateur de charge.

Simplifiant la loi de commande, elle compare le moment de charge réel M_{load}=W_{sensed}R(\theta,l_b) au moment nominal M_{rated} pour la configuration de flèche actuelle, définissant ainsi un seuil à deux niveaux :

Ce principe est similaire à celui utilisé pour la commande d'une pelle hydraulique, qui limite les commandes des vannes afin de ne pas dépasser la surface de conception — une conception qui relie directement le résultat d'un calcul basé sur un modèle mécanique à une limite de fonctionnement de sécurité.

6. Gamme de grues présentes dans les produits actuels

Lors de la comparaison des tableaux, il est important de noter que la « capacité de levage maximale » correspond généralement à une valeur unique proche du rayon d'action minimal, tandis que la charge nominale en conditions réelles (rayon d'action requis, configuration de la flèche, écartement des stabilisateurs) est presque toujours inférieure. Le choix du modèle doit se baser sur la cellule correspondante du tableau des charges nominales au rayon d'action et à la hauteur de levage réellement nécessaires sur le chantier, et non pas uniquement sur la valeur maximale.

7. Résumé : Une grue est à la fois une « machine de force » et une « machine de géométrie »

La capacité d'une grue ne se résume pas à la seule résistance de son système hydraulique ou de ses câbles. Le principe fondamental du levage repose sur le fait que le moment de basculement créé par l'angle de la flèche et le rayon d'action doit être constamment compensé par le moment de stabilisation créé par le poids du véhicule, le contrepoids et l'écartement des stabilisateurs. Le tableau des charges nominales, le dispositif anti-surcharge et… Les plaques de stabilisation sont autant d'outils qui rendent concrète une inégalité unique — M_{stab}\ge M_{tip} (multipliée par un coefficient de sécurité) — pour chaque condition de chantier. Prendre l'habitude de lire non seulement la capacité de levage maximale du catalogue, mais aussi le rayon d'action et la configuration de flèche pour lesquels cette valeur est valable, est la première étape pour choisir et utiliser une grue en toute sécurité.

Références

• Kobelco Construction Machinery — Crawler Crane SL16000J Main Specifications

• [Kobelco Construction Machinery — Crawler Crane 7200G Main Spécifications

• Tadano — Annonce d'une nouvelle grue tout-terrain pour les marchés d'exportation (GR-1000EX-4)

• Liebherr — Grue mobile LTM 1120-4.1

• Liebherr — Grues à tour à flèche horizontale EC-B

• Ministère de la Santé, du Travail et des Affaires sociales — Normes structurelles pour les dispositifs de protection contre les surcharges sur les grues et les grues mobiles

• Ministère de la Santé, du Travail et des Affaires sociales — Révision des normes structurelles pour les grues mobiles (installation obligatoire de dispositifs de protection contre les surcharges)