Grue à tour : pourquoi ne bascule-t-elle pas ?

Ce que montre le modèle

Levez les yeux sur un chantier et la grue à tour semble enfreindre une règle simple. Un bras d’acier long de cinquante mètres dépasse d’un côté d’une fine tour en treillis, un faisceau d’acier pend à son extrémité éloignée, et rien ne bascule. Ce n’est pas parce que la grue est lourde, même si elle l’est. C’est parce qu’elle surveille un nombre toute la journée et refuse de le laisser dépasser une limite.

Le modèle est une grue à tour sans tirants d’une catégorie de dimensions courante : un mât de 40 m composé de dix éléments en treillis sur un massif en béton, une flèche de 50 m avec un chariot et une contre-flèche de 15 m portant le treuil de levage et six blocs de contrepoids en béton. Aucun de ces éléments ne reproduit la fiche technique d’un fabricant particulier. Chaque dimension et chaque masse est une valeur du modèle, choisie dans un ordre de grandeur approprié et pour rendre les calculs faciles à suivre. Vous pouvez déplacer le chariot, changer la charge, retirer des blocs du contrepoids, faire tourner la grue, augmenter le vent et lancer la séquence de télescopage. Le panneau dans le coin de la scène recalcule tout à chaque changement.

Ce que ressent la grue, c’est le poids multiplié par la distance

Tenez un sac de courses plein contre votre poitrine et il paraît léger. Tenez le même sac à bout de bras et votre épaule commence à protester en quelques secondes. Le poids du même sac n’a pas changé. Ce qui a changé, c’est la distance entre le poids et l’articulation qui doit le soutenir.

Une grue fonctionne de la même manière. Ce qui compte au niveau du mât est le moment de charge : la charge multipliée par sa distance horizontale à l’axe du mât, que les grutiers appellent la portée. Dans le modèle, 2 t à 40 m donnent 2 × 40 = 80 tonnes-mètres (t·m), exactement comme 8 t à 10 m. Dans les deux cas, la tendance à fléchir le mât et à faire basculer la grue est la même. Voilà pourquoi la position du chariot compte autant que le poids au crochet, et pourquoi l’étiquette rouge de la scène indique toujours le produit plutôt que le poids seul.

Lire un tableau de charges

Chaque grue à tour possède un tableau de charges, que le grutier est censé connaître. La grue du modèle a deux limites. Le mécanisme de levage, son câble et la moufle peuvent lever au maximum 8 t à n’importe quelle position. La structure peut supporter un moment de charge maximal de 160 t·m. Près du mât, la première limite s’applique ; plus loin, c’est la seconde. Les deux se rejoignent à 160 ÷ 8 = 20 m.

La courbe dans le coin de la scène représente ce tableau sous forme de graphique, avec la zone interdite ombrée. Le point indique votre position actuelle. Déplacez le chariot vers l’extérieur avec une charge au crochet et le point glisse sous la courbe jusqu’à la toucher. Les tableaux réels ne sont pas des hyperboles parfaites. Ils descendent généralement un peu plus vite aux grandes portées, parce que le poids de la flèche elle-même augmente avec sa longueur, et chaque longueur de flèche possède son propre tableau. La forme reste toutefois la même : plate près du mât, puis descendante.

Le contrepoids répond à la flèche

Avant même de suspendre quoi que ce soit au crochet, la flèche exerce déjà une traction sur le mât. Dans le modèle, elle pèse 9 t et son centre de masse se trouve à 22 m, ce qui donne 9 × 22 = 198 t·m. La contre-flèche située de l’autre côté, 5 t à 8 m, tire dans l’autre sens avec 40 t·m. Six blocs de 3 t suspendus à 13 m derrière l’axe tirent dans l’autre sens avec 6 × 3 × 13 = 234 t·m.

Additionnez-les avec la moufle (0,6 t avec le chariot) et une grue vide dont le chariot est ramené à 3 m penche vers l’arrière avec 74,2 t·m. Avec la charge nominale de 3,2 t en bout de flèche, elle penche vers l’avant avec 114 t·m. Le mât doit supporter toutes les valeurs comprises entre ces deux nombres. Sans les blocs, le même levage lui imposerait 348 t·m, entièrement dans un seul sens.

Le contrepoids ne doit donc pas nécessairement annuler la charge. Il déplace le milieu de la plage de fonctionnement. C’est aussi pourquoi en ajouter davantage ne vaut pas mieux. Avec huit blocs au lieu de six, la grue vide penche vers l’arrière avec 152 t·m, et la stabilité vers l’arrière devient le problème. La réglementation américaine sur les grues à tour cite la stabilité vers l’arrière parmi les risques que la personne dirigeant le montage doit prendre en compte, et exige que la quantité et la position du contrepoids correspondent exactement aux spécifications du fabricant ou d’un ingénieur agréé. Essayez avec le curseur Blocs de contrepoids et observez le moment à l’axe du mât changer de signe.

Là où tout le poids rejoint le sol

Une grue à tour ne repose pas sur son mât. Elle repose sur sa fondation. Le modèle utilise un massif en béton armé de 8 m de côté et de 1,5 m d’épaisseur qui, à 2,4 t par mètre cube, pèse 230,4 t. Ajoutez le mât, la partie supérieure, le contrepoids et une charge de 3,2 t, et le total atteint 298,2 t.

Tout ce poids agit comme une seule et même force, appelée la résultante, et la question est de savoir à quel endroit elle traverse le massif. Avec la charge nominale en bout de flèche, le moment net de 114 t·m décale la résultante de 114 ÷ 298,2 = 0,38 m depuis le centre, vers la flèche. Le petit plan dans le coin de la scène montre ce point, et un point rouge le marque sur le dessus du massif.

Deux lignes comptent. La première est le tiers central du massif, le losange en pointillés, qui s’étend à 8 ÷ 6 = 1,33 m du centre le long de chaque axe. Tant que la résultante reste à l’intérieur, toute la face inférieure du massif continue d’appuyer sur le sol. À 0,38 m, la pression est de 5,99 t/m² sous le bord avant et de 3,32 t/m² sous le bord arrière. La seconde ligne est le bord du massif, à 4 m. C’est seulement là que la grue commencerait à basculer, et amener la résultante jusque-là avec 3,2 t au crochet demanderait 4 × 298,2 = 1193 t·m, soit presque sept fois et demie le moment nominal. Dans le modèle, l’acier de la flèche et du mât dépasserait largement sa charge de calcul bien avant que le massif puisse pivoter. La limite dans la cabine protège à la fois l’acier et la fondation.

Ce que fait le limiteur à 90 et 100 pour cent

Personne ne demande au grutier de multiplier de tête. Une grue à tour possède un limiteur de moment : il pèse la charge au crochet, connaît la position du chariot et compare le produit avec le tableau. La réglementation américaine exige que les grues à tour disposent d’un dispositif empêchant la surcharge en moment, d’un limiteur de course du chariot aux deux extrémités de la flèche et d’un affichage de la charge au crochet. La réglementation coréenne exige que les dispositifs de protection contre les surcharges des grues soient réglés pour fonctionner et interdit de charger une grue au-delà de sa charge nominale.

Le limiteur du modèle avertit à 90 % de la valeur nominale et allume en rouge le voyant de la cabine au-dessus de 100 %. Un véritable limiteur arrêterait alors les deux mouvements qui aggravent la situation : la montée de la charge et la sortie du chariot. La descente et le retour du chariot vers l’intérieur restent possibles, parce qu’ils réduisent le moment. Le modèle vous laisse dépasser la limite pour voir les nombres. Réglez 5 t à 40 m et vous obtenez 200 t·m, soit 125 % de la valeur nominale. Appuyez sur Lecture et le chariot sort jusqu’au point où le limiteur l’arrêterait, puis revient.

Le mât n’est pas non plus parfaitement rigide. Avec la charge nominale en bout de flèche, son sommet se déplace d’environ 14 cm et s’incline de 0,40°, puis la déformation disparaît lorsque la charge est retirée. C’est beaucoup trop petit pour être visible à l’échelle réelle, donc l’interrupteur Déformation ×10 l’affiche dix fois plus grande. Rien d’autre dans le modèle n’est exagéré.

Vent : pourquoi la grue s’arrête à 15 m/s, puis se libère

Le vent charge une grue de trois façons. Il pousse sur le mât, pousse sur le côté de la flèche et fait osciller la charge. La pression du vent augmente avec le carré de la vitesse, q = ½ρv². À 10 m/s, elle est de 62,5 Pa, à 15 m/s de 141 Pa, et à 30 m/s de 563 Pa, soit neuf fois plus qu’à 10 m/s.

Les règles de sécurité coréennes fixent deux limites de vitesse des rafales. Au-dessus de 10 m/s, le montage, la réparation, l’inspection et le démontage d’une grue à tour doivent s’arrêter. Au-dessus de 15 m/s, son exploitation doit s’arrêter. Après une rafale dépassant 30 m/s, chaque partie d’une grue extérieure doit être vérifiée avant la reprise du travail. La réglementation américaine laisse au fabricant le choix du nombre pour le montage et le télescopage. L’anémomètre au sommet de la grue est là parce que le vent à 40 m est généralement plus fort qu’à l’entrée du chantier.

Ce que fait ensuite la grue paraît étrange au premier abord. Le grutier pose la charge, gare le chariot à l’emplacement indiqué par le fabricant et libère le frein d’orientation. La grue peut alors tourner librement, et le vent la fait tourner comme une girouette jusqu’à ce que la flèche pointe sous le vent. La raison tient à la surface latérale. La flèche est longue et prend le vent loin de l’axe ; elle finit donc toujours du côté sous le vent. Dans le modèle à 30 m/s, une flèche maintenue en travers du vent subit un moment de renversement de 184 t·m et un couple de rotation de 470 kN·m sur la couronne d’orientation. Pointée sous le vent, elle subit 55 t·m et aucun couple de rotation. Le Health and Safety Executive d’Irlande du Nord a publié une alerte en 2014 après l’effondrement de trois grues à flèche relevable par vents violents. Il rappelait aux utilisateurs qu’une grue sans surveillance doit être laissée en orientation libre, à la portée hors service correcte.

Comment le mât grandit un élément à la fois

Une grue qui construit une tour doit grandir avec elle. Elle n’a pas besoin de l’aide d’une seconde grue pour effectuer cette opération. Une cage de télescopage coulisse autour du mât juste sous le mécanisme d’orientation, et un vérin hydraulique placé sur un côté pousse sur des appuis fixés au mât.

La séquence du modèle suit l’ordre habituel. D’abord, la grue lève un nouvel élément de 4 m et le pose sur le monorail de la cage de télescopage. Ensuite, elle s’équilibre. Avec un second élément de 2,5 t au crochet, le moment à l’axe est nul lorsque le chariot se trouve à 76 ÷ 3,1 = 24,5 m, de sorte que le vérin pousse verticalement sans rien fléchir. Les boulons entre le mécanisme d’orientation et le mât sont retirés, et le vérin soulève toute la partie supérieure de 4 m. Le nouvel élément roule dans l’espace ainsi créé et est boulonné aux deux extrémités. Enfin, le vérin se rétracte et reprend appui sur le mât, un élément plus haut. Le mât mesure maintenant 44 m. Pendant toute cette opération, la grue ne doit pas s’orienter, et le curseur de télescopage indique la portée d’équilibre. La réglementation coréenne exige aussi qu’une grue à tour dépassant sa hauteur autoportante soit ancrée aux murs du bâtiment, ce qui explique les colliers espacés des grues hautes.

Un exemple de levage : un panneau préfabriqué de 4,5 t

Supposons que le chantier demande de poser un panneau mural de 4,5 t au troisième étage, à 30 m du mât. Il s’agit ici d’un travail supposé, et non de données provenant d’un chantier réel. La question est celle que le grutier et le responsable du levage posent avant chaque prise lourde : le tableau l’autorise-t-il, et à quelle distance de la limite se trouve-t-on ?

La limite du levage n’est pas en cause, puisque 4,5 t sont inférieures à 8 t. C’est le moment qui compte : 4,5 × 30 = 135 t·m. Le tableau autorise 160, donc le panneau utilise 135 ÷ 160 = 84 % de la valeur nominale. À 30 m, la charge nominale est de 5,33 t, ce qui laisse 0,83 t de marge. Le limiteur reste silencieux parce qu’il n’avertit qu’à partir de 90 %.

Inversons maintenant la question et demandons jusqu’où le panneau peut aller. La limite est de 160 ÷ 4,5 = 35,6 m. L’avertissement commence plus tôt, à 0,9 × 160 ÷ 4,5 = 32,0 m. Si le panneau doit être posé à 40 m, alors 4,5 × 40 = 180 t·m, soit 112,5 % de la valeur nominale, et le limiteur ne laissera pas le chariot aller aussi loin. Le responsable a alors trois possibilités : rapprocher la base de la grue, diviser la charge pour que chaque pièce pèse 4 t ou moins à 40 m, ou faire venir une grue plus grande. Relever la limite n’en fait pas partie.

Le mât ressent davantage que la charge seule. Les mêmes 4,5 t à 30 m, avec la flèche, la contre-flèche, les six blocs et la moufle de 0,6 t, laissent un moment net vers l’avant de 77 t·m à l’axe du mât. Cela déplace la résultante sur la fondation de 77 ÷ 299,5 = 0,26 m depuis le centre. La valeur nominale concerne la structure, et la fondation ressent la somme entière.

Encore un détail : la charge nominale du tableau ne comprend pas la moufle, mais le moment sur le mât la comprend. Placez-vous à 30 m et observez la charge de 4,5 t dans le modèle : l’étiquette rouge indique 135 t·m, tandis que le moment net à l’axe indique 77 t·m après le contrepoids. Ce sont deux nombres différents qui répondent à deux questions différentes.

Déplacer la plage du contrepoids

Le contrepoids ne change pas l’amplitude de variation du moment du mât entre une grue vide et une grue pleine. Il change la position de cette variation. Dans le modèle, le moment du mât va de la grue vide avec le chariot à 3 m jusqu’à la charge de 3,2 t à 50 m, et cette plage vaut 188,2 t·m pour chaque nombre de blocs. Chaque bloc de 3 t tire vers l’arrière de 39 t·m et déplace toute la plage de cette quantité. Les valeurs ci-dessous proviennent directement du modèle et sont positives lorsque la grue penche vers la flèche.

Avec quatre blocs, la grue vide est presque parfaitement équilibrée, et la grue chargée supporte 192 t·m vers l’avant. Avec six, les deux extrêmes sont −74 et +114. La valeur maximale en amplitude est la plus faible avec sept blocs (113,2), mais d’un cheveu seulement par rapport à six (114), donc le modèle ne recommande pas sept blocs. Les raisons sortent en partie de ce modèle : une véritable flèche et sa contre-flèche sont conçues pour un contrepoids précis, l’inclinaison vers l’arrière a sa propre limite, et le fabricant fixe le contrepoids pour chaque longueur de flèche. Le tableau montre la forme de la décision, pas un nombre à reproduire.

Vérifiez la fondation dans le cas extrême. Avec huit blocs et la grue vide à 3 m, le moment net vers l’arrière est de 152,2 t·m pour un poids total de 301 t. La résultante se trouve à 152,2 ÷ 301 = 0,51 m derrière le centre, toujours à l’intérieur du tiers central de 1,33 m. Ce n’est pas le massif qui cède en premier. Le mât et la couronne d’orientation sont chargés dans un sens pour lequel ils n’ont pas été dimensionnés.

Les types de grues à tour

La grue du modèle est une grue à tour sans tirants : une flèche horizontale avec un chariot, une contre-flèche derrière elle et toute la partie supérieure tournant au sommet du mât. Liebherr, le fabricant qui décrit sa première grue à tour mobile dans la partie historique ci-dessus, classe sa gamme en grues à montage rapide et grues à rotation supérieure, et cite les versions sans tirants, à tirants, pour charges lourdes, à flèche relevable et derrick parmi celles à rotation supérieure.

La règle du moment de charge est la même pour toutes. Ce qui change est la manière d’obtenir la portée. Sur une grue à flèche relevable, la portée est la longueur de flèche multipliée par le cosinus de son angle au-dessus de l’horizontale. Avec une flèche supposée de 50 m, un angle de 37° donne environ 40 m, et un angle de 60° donne 25 m. Relever la flèche rapproche la charge et permet à la grue de lever davantage, comme le fait le retour du chariot vers l’intérieur dans le modèle.

La configuration à flèche relevable a ses propres risques. En janvier 2007, une grue à tour à flèche relevable à Liverpool levait une charge légère près de sa portée minimale, avec un vent proche de la limite en service. Selon l’étude de Tim Watson, le vent de face maintenait la flèche en hauteur et détendait le câble de relevage, puis la flèche est retombée vers l’arrière sur le chantier, tuant un ouvrier. Le Health and Safety Executive d’Irlande du Nord, évoquant en 2014 trois effondrements de grues à flèche relevable par vents violents, soulignait que ces grues doivent être garées à la bonne portée hors service, frein d’orientation libéré. Garée à une portée trop faible, une grue peut ne pas pouvoir tourner librement, et l’alerte demande aussi aux utilisateurs de vérifier que des bâtiments ou d’autres grues proches ne bloquent pas son orientation.

Lire un véritable tableau de charges : la Liebherr 172 EC-B 8

Le tableau de la grue du modèle a une forme simple, 8 t jusqu’à 20 m, puis 160 t·m divisées par la portée. Le tableau d’un fabricant, lui, est un relevé de valeurs, et celui de la scène est recopié ligne par ligne depuis la fiche technique publiée par Liebherr pour la 172 EC-B 8 Litronic, une grue sans tirants. La fiche présente une ligne par longueur de flèche, de 24,4 m à 62,5 m, et donne la charge nominale à des portées fixes le long de cette ligne. Elle précise aussi que les valeurs s’appliquent jusqu’à 50 m de hauteur de levage, parce qu’un câble de levage plus long pèse davantage et que ce poids vient en déduction de la charge.

Avec la flèche la plus longue, de 62,5 m, la grue peut lever ses 8 t complètes jusqu’à 16,5 m. À 30 m, la fiche donne 4,11 t, à 40 m 2,90 t, à 50 m 2,18 t et en bout de flèche 1,60 t. Entre deux portées imprimées, la scène trace une droite et signale la valeur comme interpolée. Cette droite est une aide à la lecture sur cette page, pas une méthode issue de la fiche.

La même fiche montre pourquoi le contrepoids dépend de la flèche. La flèche de 62,5 m nécessite 17,5 t de blocs de contrepoids, celle de 50 m 13,75 t, celle de 40 m 12,15 t et celle de 30 m 9,65 t. Une flèche plus courte pèse moins et tire moins sur l’avant de la grue ; moins de béton est donc nécessaire à l’arrière. C’est la version réelle du curseur de contrepoids de la scène, et la raison pour laquelle les règles demandent exactement la quantité donnée par le fabricant plutôt que la plus grande possible.

Pourquoi le moment nominal n’est pas un nombre unique

Dans le modèle, le produit de la charge et de la portée reste à la même valeur de 160 t·m partout au-delà de 20 m. Sur la 172 EC-B 8, ce n’est pas le cas. Avec la flèche de 62,5 m, 8 t à 16,5 m font 132 t·m, 4,11 t à 30 m font 123 t·m, 2,90 t à 40 m font 116 t·m, et 1,60 t à 62,5 m ne font que 100 t·m. La ligne bleue du panneau du tableau de charges montre cette baisse.

La flèche elle-même explique probablement une partie de cette différence. Plus le chariot va loin, plus une partie de la flèche dépasse le point où agit la charge, et l’acier doit porter son propre poids sur un bras plus long en même temps que la charge. Le chariot et la moufle comptent aussi, et le fabricant a vérifié la structure, le mât et la couronne d’orientation à chaque portée, pas seulement l’équilibre au renversement. La fiche ne dit pas quelle vérification est déterminante à chaque portée, donc la scène ne l’affirme pas. Le résultat reste clair : une courbe à moment constant tracée à partir du coude d’un tableau réel promettrait davantage en bout de flèche que la capacité nominale de la grue.

Les flèches plus courtes de la même fiche se comportent de manière similaire. Avec celle de 50 m, les 8 t complètes sont autorisées jusqu’à 21,5 m et, juste après le coude, à 22 m, la fiche donne 7,82 t, ce qui vaut exactement 8 t × 21,5 ÷ 22. Plus loin, les valeurs s’écartent à nouveau de ce moment constant, jusqu’à 3,05 t à 50 m.

Pour les grues du catalogue ne publiant que la charge maximale et la charge à la portée maximale, la scène trace une estimation : la valeur en bout de flèche multipliée par la portée maximale, divisée par la portée, plafonnée à la charge maximale. Comme les tableaux réels descendent plus vite que cela vers l’extrémité et plus lentement près du mât, l’estimation est signalée comme telle et sert seulement à montrer l’ordre de grandeur des nombres.

Sans tirants, à tirants et à flèche relevable côte à côte

Les boutons de type reconstruisent de trois façons le sommet de la même grue. Une grue sans tirants, comme le modèle, n’a aucune structure au-dessus de la flèche : la flèche et la contre-flèche sont des treillis assez rigides pour se porter eux-mêmes. Plusieurs grues sans tirants peuvent travailler sur un même chantier avec leurs flèches passant près les unes des autres, au-dessus et en dessous.

Une grue à tirants possède une courte tour, le poinçon, au-dessus du mécanisme d’orientation. Des tirants relient son sommet à des points le long de la flèche et à l’extrémité de la contre-flèche, de sorte que la flèche travaille plutôt comme une poutre suspendue par le haut. La grande série à tirants de Liebherr est l’EC-H, qu’il appelle high-top. Sur sa page produit, la 1000 EC-H 50 Litronic lève 50 t et encore 11 t à sa portée de 80 m, et la 1188 EC-H 40 Fibre atteint 90 m.

Une grue à flèche relevable n’a pas de chariot. La flèche est articulée à son pied et le crochet pend à son extrémité ; la portée est réglée en relevant ou en abaissant la flèche. Dans le modèle, l’articulation est à 3 m devant l’axe du mât et la flèche mesure 59 m, donc 15° au-dessus de l’horizontale donnent 60 m de portée et 75° environ 18,3 m. La fiche Liebherr de la 357 HC-L 12/24 avec une flèche de 60 m donne 24 t jusqu’à 18 m lorsque le crochet est mouflé à deux brins, 9,07 t à 40 m et 3,20 t à 60 m, et la scène utilise ce tableau chaque fois que le type à flèche relevable est choisi.

La différence compte surtout lorsque la grue reste seule. Une grue sans tirants ou à tirants hors service a son frein d’orientation libéré et tourne avec le vent, toute sa flèche balayant un cercle. Une grue à flèche relevable relève d’abord sa flèche à un angle hors service. La même fiche de la 357 HC-L donne 75° et une portée minimale de 18,5 m pour la flèche de 60 m, et la brochure Liebherr des grues à flèche relevable donne des portées hors service allant de 9,6 m pour la 195 HC-LH à 15,5 m pour la 710 HC-L. Sur un chantier urbain entouré de bâtiments, ou avec plusieurs grues proches, ce petit cercle est souvent la raison de choisir une grue à flèche relevable.

Le vent sur la charge, pas seulement sur la grue

La règle coréenne de la scène arrête l’exploitation au-dessus de rafales de 15 m/s. D’autres réglementations placent la limite ailleurs. La Construction Plant-hire Association au Royaume-Uni explique que les grues à tour construites selon EN 14439 sont conçues pour un vent en service de 20 m/s, et que le secteur britannique met les grues à tour hors service à 16,5 m/s, soit 38 mph, afin de garder le temps de placer la grue en position hors service avant que le vent se renforce. À titre de règle pratique, les mêmes recommandations indiquent que le vent peut passer de 13 m/s à 20 m/s en environ 20 minutes. Le panneau du vent passe d’une de ces trois limites à l’autre.

La limite de la grue comprend déjà une certaine action du vent sur la charge. La marge décrite par la CPA est d’environ 1 m² de surface par tonne de charge. Une charge grande et légère reçoit sa propre limite, plus basse, et la CPA donne un exemple calculé repris par la scène : un panneau de coffrage de 3,6 m sur 2,4 m pesant 1,3 t. Sa surface de 8,64 m² multipliée par un coefficient de traînée de 1,2 donne 10,4 m² de surface au vent, huit fois la marge prévue. La vitesse admissible est la limite de la grue multipliée par la racine carrée de 1,2 × 1,3 ÷ 10,4, qui vaut 0,39. Avec une limite de grue de 17 m/s, cela donne 6,6 m/s, que la CPA arrondit à 6,5 m/s. Avec les 15 m/s coréens, cela donne 5,8 m/s. Au-dessus de cette vitesse, la scène pose le panneau, alors que la grue elle-même pourrait continuer à travailler avec une charge compacte. Un palonnier à ventouses peut abaisser davantage la limite, et la CPA mentionne 8 m/s pour l’un d’eux.

Hors service, une grue à tour garée doit quand même résister aux tempêtes. La note de la CPA sur les vitesses de vent hors service explique que les grues selon EN 14439 sont conçues pour des vitesses de référence de tempête issues d’une carte européenne, 24 m/s dans les régions A et B, 28 m/s en région C, 32 m/s en D et 36 m/s en E, et que la plupart sont fournies pour la région C. Après une tempête, la règle coréenne de la scène demande l’inspection de chaque partie dès que les rafales ont dépassé 30 m/s, et les recommandations de la CPA demandent qu’une grue reste hors service jusqu’à ce que le vent soit resté sous la limite pendant au moins 10 minutes.

La charge est un pendule

La charge pend au chariot par un câble ; elle se comporte donc comme un pendule. Pour une petite oscillation, sa période vaut 2π fois la racine carrée de la longueur du câble divisée par g. Avec les 23 m de câble du modèle, cela donne 9,6 s, et avec 3 m de câble en moins, 9,0 s. La période ne dépend pas de la masse de la charge.

Lorsque le chariot accélère, la charge reste en arrière ; lorsque le chariot s’arrête, elle continue d’osciller. Dans la scène, le chariot accélère doucement, comme un véritable chariot, mais l’oscillation atteint malgré tout un mètre ou plus après un démarrage et un arrêt ordinaires. Le panneau d’oscillation vous permet de conduire le chariot manuellement. L’astuce qui fonctionne consiste à choisir le moment de l’arrêt : si le chariot commence à freiner exactement une période d’oscillation après le début de son accélération, l’oscillation du freinage annule celle du démarrage et la charge arrive presque immobile. Le calcul pour ce cas donne une oscillation résiduelle inférieure à 0,1 m, contre plus de 2 m lorsque le bouton est maintenu 5 s à la place.

Les fabricants de grues intègrent ce type de synchronisation dans la commande. Liebherr cite un système de contrôle du moment des forces du vent et d’amortissement des oscillations parmi les aides de ses grues Litronic, à côté d’un mode de positionnement précis et d’une fonction appelée Load Plus qui augmente la charge nominale jusqu’à 20 % pour des levages individuels.

Les signaleurs et les gestes de commandement

Le grutier dans la cabine ne voit souvent pas où la charge va être posée. Un signaleur au sol ou sur le bâtiment surveille la charge et indique au grutier ce qu’il doit faire, par radio ou par gestes. Les gestes de commandement sont normalisés pour que personne n’ait à deviner. En Europe, ils proviennent de la directive sur la signalisation de sécurité, et la réglementation britannique de 1996 les reproduit intégralement : début, arrêt et fin de l’opération, montée et descente, déplacement vers l’avant et l’arrière, droite et gauche, distance horizontale et verticale, et arrêt d’urgence.

La formulation de ces gestes est précise. Monter correspond au bras droit dirigé vers le haut, paume vers l’avant, décrivant lentement un cercle. Descendre correspond au bras droit dirigé vers le bas, paume vers l’intérieur, décrivant lentement un cercle. Arrêter correspond au bras droit dirigé vers le haut, paume vers l’avant, et danger, l’arrêt d’urgence, aux deux bras dirigés vers le haut, paumes vers l’avant. Le même texte précise que le signaleur ne doit rien faire d’autre lorsqu’il dirige la grue et doit porter quelque chose qui le rend facile à reconnaître. Le panneau des gestes utilise ces descriptions sous forme de cartes ; la scène déplace la grue lorsque le sens choisi est correct.

D’où viennent les nombres du catalogue

Les 44 entrées du catalogue proviennent de pages et documents des fabricants, vérifiés le 27 octobre 2026. Les pages produit de Liebherr donnent la charge maximale, la charge à la portée maximale, la portée maximale et la hauteur maximale sous crochet autoportante de ses grues sans tirants EC-B et à tirants EC-H, et de trois grues à flèche relevable. Sa brochure des grues à flèche relevable ajoute la portée hors service, et sa brochure générale des grues à tour présente les grues pour charges lourdes HC, les grues à montage rapide K et la 357 HC-L. Les pages Potain de Manitowoc donnent les quatre mêmes nombres pour les grues sans tirants MDT et MCT, les grues à flèche relevable MR et les grues MD, même si toutes les entrées Potain n’indiquent pas la hauteur sous crochet.

Les nombres, recopiés tels que publiés, ne sont pas comparables à tous égards. La charge maximale n’est généralement atteinte qu’à faible portée avec un crochet mouflé pour les charges lourdes ; la charge à la portée maximale correspond à la flèche la plus longue ; la hauteur sous crochet est une valeur autoportante sur un système de tour donné. Le moment en bout de flèche de chaque entrée est le simple produit de deux nombres publiés et est signalé comme calculé.

Ce que montrent les relevés d’accidents

Les accidents de grues à tour ont de lourdes conséquences lorsqu’ils se produisent, et des personnes les ont donc comptés. Les comptes dépendent de qui compte, et aucun ne constitue un recensement complet.

Tim Watson Consulting a recensé 130 accidents majeurs de grues à tour dans le monde entre 1989 et 2012 (effondrements et graves dommages structurels sur des grues à rotation supérieure et certaines grues à montage automatique, trouvés dans la presse professionnelle et auprès du Health and Safety Executive britannique). Selon l’étape de la vie de la grue, environ 35 % ont eu lieu en service, 11 % hors service et 41 % pendant son montage (10 %), son démontage (14 %) ou son télescopage (17 %). La cause n’a pu être identifiée que dans 46 % des cas, et l’auteur indique qu’aucune source unique ne détient des données exactes. Ce sont de petits échantillons issus de rapports publics, et ils indiquent où regarder, pas un taux.

Une étude coréenne portant sur 260 rapports d’accidents de grues à tour déposés auprès de la Korea Occupational Safety and Health Agency entre juillet 2012 et juillet 2020 a constaté que les travaux de levage représentaient 45,3 % des cas, que les chutes étaient le type d’accident le plus courant à 35,8 %, et que la cause la plus fréquente était une méthode de travail défectueuse, à 38,8 %. Un communiqué du gouvernement coréen du 28 juillet 2022 donne un cas concret de l’étape de télescopage : le 14 juillet, un ouvrier est mort en tombant avec la cage de télescopage pendant la rehausse d’une grue à tour.

Ces relevés concordent avec le modèle. Les levages calmes en service, protégés par le tableau de charges et le limiteur, ne sont qu’une partie de l’ensemble. Le télescopage, le montage et le démontage exigent que la grue soit équilibrée à une portée précise, avec certains boulons en place et sans aucun mouvement d’orientation, et c’est là que les procédures comptent le plus. C’est aussi pourquoi le curseur de télescopage du modèle indique la portée d’équilibre au lieu de laisser le visiteur la déterminer.

Les idées fausses courantes

« Un contrepoids plus lourd rend la grue plus sûre. » Seulement jusqu’à la quantité donnée par le fabricant. La grue vide penche ensuite vers l’arrière, comme le montre le tableau ci-dessus, et les règles exigent exactement la quantité spécifiée.

« La limite est le point où la grue bascule. » Le massif de la grue du modèle aurait besoin de 1193 t·m pour commencer à basculer, contre un moment nominal de 160 t·m. La limite protège la structure en acier et ses assemblages, et conserve une marge de stabilité.

« Le limiteur pèse la charge. » Il lui faut deux nombres, la charge au crochet et la portée du chariot. Les mêmes 3 t conviennent à 30 m et dépassent la limite à 55 m sur une flèche plus longue.

« Une grue en orientation libre est mal fixée et dangereuse. » C’est l’état sûr lorsque personne ne la conduit. Frein libéré, la grue tourne sous le vent, et le couple du modèle sur la couronne d’orientation passe de 470 kN·m (flèche en travers d’un vent de 30 m/s) à zéro. Un frein laissé serré peut maintenir la flèche en travers du vent.

« La limite de vent concerne le vent moyen. » Les règles coréennes utilisent la vitesse des rafales, c’est-à-dire la vitesse instantanée du vent. Une rafale de 15 m/s au sommet d’un mât de 40 m peut arriver alors que le vent moyen reste nettement inférieur à cette valeur.

« La tour est fixée au bâtiment. » Seulement lorsqu’elle dépasse sa hauteur autoportante ; les règles coréennes exigent alors des ancrages à la structure. En dessous, la fondation seule porte tout.

Essayez à l’écran

1. Réglez Charge sur 4,5 et faites glisser Portée du chariot de 20 m à 40 m. Le moment de charge atteint 90 % de la valeur nominale près de 32 m, et le voyant de la cabine devient rouge au-delà de 35,6 m.
2. Réglez Portée du chariot sur 3 m et Charge sur 0. Faites passer Blocs de contrepoids de 8 à 0 et observez le moment à l’axe passer de −152 t·m à +160 t·m en traversant zéro près de 4 blocs.
3. Réglez Portée du chariot sur 50 m, Charge sur 3,2 et Vitesse des rafales sur 15. La charge oscille d’environ 2,1° sur son câble. Avec une longueur supposée de câble de 20 m, cela représente 0,7 m latéralement. À 30 m/s, elle oscille de 8,2°, soit environ 2,9 m.
4. Réglez Angle d’orientation sur 90° et 0° avec une rafale de 30 m/s et Charge sur 0. Le moment du vent sur la fondation est de 55 t·m avec la flèche sous le vent et de 184 t·m avec la flèche en travers.
5. Activez Déformation ×10 et comparez le sommet du mât avec Charge sur 0 puis sur 5 t.

Là où le modèle est plus simple qu’une véritable grue

• Le tableau de charges a la forme simple min(8 t, 160 t·m ÷ r). Les tableaux réels dépendent de la longueur de flèche et du mouflage du levage et proviennent du fabricant.
• Les masses et la fondation sont des valeurs du modèle. Une véritable fondation est conçue pour son sol par le fabricant ou un ingénieur agréé, et certaines grues reposent plutôt sur des pieux ou sur la structure d’un bâtiment.
• Le vent utilise une pression unique sur toute la hauteur et des coefficients de force fixes. Les règles de calcul augmentent la pression avec la hauteur et ajoutent des facteurs de rafale.
• Le mât fléchit comme une poutre élastique unique encastrée dans le massif. La rotation propre du massif sur le sol est omise.
• Les effets dynamiques sont omis : démarrer et arrêter un levage ou une orientation ajoute une force à la charge statique.

Une brève histoire

Les grues intégrées à des tours sont anciennes. L’Alter Krahnen sur la Moselle à Trèves, construit en 1413, est une tour de pierre contenant des roues à écureuil ; tout l’intérieur, toit et flèches compris, tournait sur un poteau central en bois. La grue à tour en acier pouvant être déplacée d’un chantier à l’autre est apparue plus tard. En 1949, Hans Liebherr a construit la TK 10, que Liebherr décrit comme la première grue à tour mobile. Les grues sans tirants actuelles conservent la même disposition du mât, du mécanisme d’orientation, de la flèche, de la contre-flèche et du contrepoids que montre le modèle.

Comment les nombres ont été vérifiés

Toutes les valeurs de la scène proviennent des mêmes formules simples et ont été recalculées à la main. La vérification couvre les lignes du tableau de charges, les moments de la flèche, de la contre-flèche et des blocs, le décalage de la résultante comparé à une somme indépendante de chaque poids multiplié par son bras de levier autour du bord du massif, les pressions sous le massif, les forces du vent et les couples de rotation, la portée d’équilibre pour le télescopage, et la déformation du mât comparée aux formules M·H²/2EI, F·H³/3EI et w·H⁴/8EI calculées par intégration numérique.