Evaluation de la fiabilité des éléments de charpente de grue à tour

Reliability assessment of tower crane structural members

• Auteur / Autrice : Simon Bucas
• Direction : Alaa Chateauneuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 09/01/2015
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alaa Chateauneuf, Nicolas Gayton, André Bignonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Bès, Franck Schoefs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudures -- Fatigue

Fiabilité

Grues (appareils)

Mots clés libres

Grues à tour

Fatigue des joints soudés

Analyse de fiabilité

Modélisation du chargement en fatigue

Analyse de sensibilités stochastiques

Tower cranes

Fatigue of welded joints

Reliability analysis

Fatigue load modeling

Stochastic sensitivity analysis

Résumé

Les grues à tour sont des engins de levage utilisés de manière cyclique sur les chantiers de construction. De ce fait, la prise en compte du phénomène de fatigue dans le dimensionnement des charpentes de grue est primordiale. La fatigue est usuellement considérée dans les normes au moyen de règles déterministes ayant pour but de garantir l’intégrité de la structure sous diverses conditions d’utilisation. Bien que cette approche fournisse des résultats satisfaisants dans la plupart des cas, celle-ci ne permet pas d’évaluer le niveau de fiabilité des éléments de charpente en fonction de leur durée d’exploitation. De ce point de vue, les approches probabilistes permettent de pallier cette difficulté en proposant des outils pertinents servant à caractériser et à propager les incertitudes liées à la fatigue au travers d’un modèle mécanique. Une approche probabiliste originale permettant la prise en compte des incertitudes liées à la fatigue dans le dimensionnement des charpentes de grues à tour est proposée dans ce manuscrit. La méthode proposée est basée sur la définition de deux densités de probabilité représentant respectivement les variabilités liées à la résistance des joints soudés d’une part, et les nombreuses dispersions associées à la sollicitation des éléments de charpente d’autre part. La définition de la densité de probabilité de résistance repose sur la capitalisation d’un grand nombre de résultats d’essais d’endurance sur structures soudées, tandis que la définition de la distribution de sollicitation est basée sur une modélisation à deux niveaux tenant compte de divers jeux de données collectés sur chantier. Les résultats de l’analyse de fiabilité présentée dans ce manuscrit démontrent la pertinence des approches probabilistes dans le cadre du dimensionnement en fatigue des éléments de charpente de grue à tour.

Tower cranes are lifting appliances which are cyclically used on construction sites. Thus, the consideration of the fatigue phenomenon in the design of crane structural members is essential. This phenomenon is usually taken into account in standards by means of deterministic rules enabling to ensure structural safety under various operating conditions. Although it provides satisfactory results in most cases, the deterministic approach do not enable to evaluate the reliability of crane structural members according to their operating time. From this point of view, probabilistic approaches allow to overcome this difficulty by proposing relevant tools enabling to characterize and propagate uncertainties related to fatigue through a mechanical model. An original probabilistic approach enabling the consideration of the uncertainties related to crane members fatigue design is proposed in this manuscript. It relies on the definition of two probability density functions related respectively to the strength variability of crane welded joints on one hand, and the dispersion of operating conditions (stress) on this other hand. The definition of the strength distribution stems from the capitalization of various welded joint fatigue test results, while the characterization of the stress distribution relies on the analysis of various data sets coming from crane monitoring performed on different construction sites. The results coming from the reliability analysis presented in this manuscript show the relevance of probabilistic approaches in the frame of tower crane structural members fatigue design.