Brevet FR2428123A1 — publié le 19800104

La présente invention concerne le domaine du matériel de manutention et de transport et a notamment pour objet une structure portante précontrainte. Il est plus avantageux d'appliquer la présente invention dans des grues à tour de grande puissance et de grande hauteur atteignant 100 m et plus, et placées sur une aire libre. Les structures portantes précontraintes sont bien connues dans le monde entier et favorisent le progrès technique. Les études théoriques et constructives ainsi que les recherches dans le domaine des structures portantes précontraintes offrent de grandes possibilités d'améliroation de l'efficacité de la forme de construction des grues, de réduction de leur masse Jusqu'à 25 - 40% et d'augmentation de la capacité portante de 30 - 50%. En plus, l'emploi de la précontrainte dans les éléments tendus élargit l'utilisation efficace de l'acier à haute résistance. Les structures portantes précontraintes sont utilisées dans les grues roulantes, à portique et dans les grues de construction, ainsi que dans les ouvrages installés sur des aires libres, par exemple dans les tours de télévision, dans des lignes de transport d'énergie électrique, etc. La pratique de l'utilisation des structures portantes précontraintes a fait apparaitre que, pour obtenir leur utilisation- efficace, il faut conserver une valeur déterminée de la contrainte dans les éléments des structures pendant toute la durée de la grue et assurer la valeur et la direction de la déformation dans des limites admissibles. L'utilisation des structures portantes précontraintes dans les grues à tour qui sont largement répandues et sont démontées, transportées et remontées très fréquemment, est limitée par leur entretien compliqué pour conserver la valeur garantie de la précontrainte et des déformations dans des limites admissibles. Ainsi, si lton assure la conservation des valeurs prescrites de précontrainte et de déformation, on peut utiliser les avantages de ia précontrainte des éléments de la structure portante dans les grues à tour et créer des grues de grande hauteur et de grande puissance, et c'est pourquoi ce problème conserve à l'heure actuelle toute son importance, tant pour les constructeurs de grues que pour ceux qui sont chargés de leur utilisation. On connait des structures de grue roulante monorail et de grue à tour comportant une flèche pourvue d'un chariot porte-charges. La précontrainte dans les éléments porteurs de ces structures de grue est créée par l'action du poids de la charge. Cela est obtenu en fixant des supports sur les extrémités du pont ou de la flèche. Sur l'un des supports on place un levier à deux bras, dont un bras est relié par une tringle à l'autre support, tandis que l'autre bras est relié au brin du cable monte-charges. Lors du relevage de la charge, un effort est engendré dans la tringle. Cet effort crée dans le pont, ou dans la flèche un moment de flexion orienté dans le sens opposée à celui du moment de flexion agissant sur la structure. Toutefois, cette réalisation constructive de la précontrainte des éléments ne permet pas d'obtenir un déchargement optimal de la structure, car l'épure du moment de flexion créé par la tringle ne correspond pas au caractère de l'épure du moment de flexion agissant sur la structure. Cela empêche d'appliquer cette solution aux grues puissantes et de grande hauteur. On connaît une autre structure portante précontrainte de grue dans laquelle la précontrainte est créée dans les éléments de la structure portante par l'action du poids de la charge. Cette solution technique permet de créer un moment de flexion de valeur requise à n'importe quel endroit de la structure, orienté dans le sens opposé à celui du moment de flexion engendré dans la structure. On obtient ceci en faisant appel à un palan dont les éléments sont disposés le long du pont ou de la flèche de manière que les efforts dans les différents brins du palan créent des moments dont l'épure résultante a un caractère voisin de l'épure du moment de flexion agissant sur la structure et est orientée dans le sens opposé. Cette conception de la grue est compliquée et encombrante et s'avère inefficace sur les grues puissantes. On connait des conceptions de grues à tour, dans la tour desquelles la -jrécontrainte est créée par un moment opposé au moment résultant du poids de la flèche et de la charge. Ceci est obtenu en montant un palan, dont les poulies sont reliées à la flèche et à la charge, sur la tour du côté opposé à la flèche. En mème temps, l'effort dans le palan influe sur le déplacement de la partie supérieure de la tour et sa valeur dépend de l'endroit où est installé le palan sur la tour. 1' inconvénient de ces grues à tour réside dans le fait que quand des charges horizontales,par par exemple provoquée par le vent, agissent sur la grue, aucun moment opposé à celui agissant sur la grue n'est engendré dans la tour. C'est pourquoi la tour n'est plus déchargée des charges horizontales. Il convient de noter que le système de palans pour les grues puissantes et de grande hauteur est compliqué, encombrant et non rentable. Toutes les structures portantes qu'on vient d'examiner fonctionnent à la flexion ou à la compression avec flexion. La masse de ces structures est notable, car le matériau dans ceux-ci est utilisé d'une manière incomplète. Dans les structures pleines en tôles, cela résulte du fait que les tensions limites ne sont engendrées que dans les fibres extrbmes des éléments soumis à la flexion. Dans les structures en treillis, il y a grand nombre d'éléments longs dont la section est utilisée d'une manière incomplète par suite du flambage. Les structures portantes dans lesquelles la majorité des éléments fonctionnant à la flexion ou à la compression avec flexion sont remplacés par des éléments précontraints tendus et comprimés, se sont avérées les plus avantageuses. On connait une grue dont la flèche est réalisée sous forme d'une structure métallique comportant- un élément précontraint comprimé, monté sur une base avec des appuis, et des tringles tendues reliées à la base et à l'élément compri mé. En plus, la structure métallique comporte des étais reliant les tringles à l'élément comprimé. La précontrainte est créée dans l'élément comprimé en tige et dans les tringles par la tension préalable à l'aide de ridoirs, de crics, etc. La valeur de la tension dans les tringles est choisie, dans ce cas, de manière à supprimer la formation de tensions à la suite de la compression dans lesdites tringles pendant l'utilisation de la flèche. Les efforts horizontaux sont encaissés par les étais. C'est pourquoi le moment de flexion est pratiquement nul dans la tige comprimée et il est donc possible de diminuer sa surface de section transversale. Cette structure permet d'utiliser les avantages des structures portantes précontraintes. L'inconvénient de cette structure réside dans le fait qu'il est nécessaire de contrôler constamment et de maintenir la contrainte de tension dans les tringles, ce qui complique et élève les frais d'utilisation. En outre, dans de telles structures, il est impossible de limiter la valeur des déplacements de leur partie supérieure dans quelque direction que ce soit. Les déplacements considérables de la partie supérieure de la structure (tour) rendent difficiles le transport des charges à un point prescrit de l'ouvrage pendant un délai minimal. On s'est donc proposé de mettre au point une structure portante précontrainte, la prétension et la précompression des éléments de laquelle seraient créées et conservées sous l'action de son poids propre et des efforts extérieurs, ce qui permettrait de construire des grues à tour de grande puissance et de grande hauteur dépassant 100 m, installées sur une aire libre et avec déplacement réduit de la partie supérieure de la tour. Ce problème est résolu du fait que dans la structure portante précontrainte comportant une embase à appuis sur laquelle est fixé un élément précomprimé et des éléments prétendus tels que des tringles pourvues d'un mécanisme de tension et reliées chacune par une extrémité à l'élément précomprimé et par son autre extrémité au mécanisme de ten sion, suivant l'invention le mécanisme de tension comporte un élement menant monté sur l'appui et relié cinématiquement à l'appui et à l'embase, et un élément mené qui est monté mobile sur l'embase du c8té opposé à l'élément menant et relié cinématiquement par l'une de ses extrémités à la tringle, et par son autre extrémité à l'élément menant. La grue réalisée de cette façon se distingue par le fait que la précontrainte dans les tringles et l'élément comprimé est créée par l'action du poids de la grue et des charges. De la sorte, une valeur prescrite garantie de la contrainte conservéepaidant l'Ùtilisatonoens aucune action extérieure est créée dans les éléments, ce qui élève la fiabilité de la grue. En plus, la valeur de la contrainte dans les tringles de cette structure qui sont reliées aux appuis opposés dépend du rapport entre les dimensions des éléments. En choisissant les dimensions des éléments, il est possible d'influer sur la valeur de la tension dans les tringles de manière à limiter la valeur du déplacement de la partie supérieure de la structure portante. En conséquence, on a diminué le déplacement horizontal de la charge pendant le relevage et on a réduit ainsi la durée de son transport à un point prescrit, Selon la variante de réalisation la plus simple, les éléments menant et mené du mécanisme de tension peuvent être réalisés sous forme de leviers à deux bras articulés entre eux à l'aide d'une tige. Selon une variante de réalisation efficace, le mécanisme de tension est exécuté sous forme de vérins hydrauliques. Dans ce cas, la tige du vérin hydraulique de l'élé- ment menant est relié à l'appui, tandis que son enceinte sans tige est mise en communication par une conduite avec l'enceinte côté tige du vérin hydraulique de l'élément mené, dont la tige est reliée à la tringle. On obtient ainsi un système fermé dans lequel il est possible d'utiliser un li quide ou des pâtes. L'emploi de la structure portante conforme à l'invention permet de créer des grues de grande puissance et de grande hauteur (100 m et plus), dont la masse est de 25 à 30% inférieure à celle des grues classiques. Grâce au fait, que la tension dans les éléments est créée par le poids de la grue et des charges, il n'est plus nécessaire de contrôler et de maintenir les tensions pendant l'utilisation, ce qui contribue à l'élévation de la fiabilité de la structure. Cette structure assure la limitation de la valeur du déplacement de la partie supérieure de la tour dans n'importe quelle direction, ce qui améliore les conditions d'utilisation, donc le transport des charges au point voulu de l'ou- vrage pendant un délai minimal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation concrets mais non limitatifs illus trés par les dessins annexés qui représentent - La figure 1, une vue schématique d'une grue à tour installée sur une aire libre, dont la structure portante est exécutée conformément à l'invention - La figure 2, une vue schématique de la partie inféieure de la grue à tour sur quatre appuis à éléments menants et menés réalisés sous forme de leviers, conformément à l'invention (vue en coupe diagonale, les chariots de roulement coincidant avec le plan du dessin) - La figure 3, une vue schématique.de la tour d'une grue monte-charge de construction très simple - Les figures 4 à 7, les épures de M, T et P - La figure 8, une vue schématique de la partie inférieure de la grue à tour, avec les éléments menants et menés exécutés sous forme de vérins hydrauliques, conformément à l'invention - La figure 9, un mode de réalisation de la structure portante précontrainte de la flèche (vue en perspective). La grue monte-charges est constituée par une partie rotative 1 (figure 1) et unetour fixe 2 montée sur l'embase 3 à appuis 4. Les appuis 4 sont exécutés sous forme de chariot de roulement (figure 2) destinés à être placée sur des rails. La partie rotative 1 (figure 1) comporte une flèche 5 dont une extrémité est articulée à la tête 6 et dont l'autre extrémité est reliée à la partie supérieure de la tête 6 par l'intermédiaire d'un hauban 7, et une contre-flèche 8 portant un contre-poids 9. Une extrémité de la contre-flèche 8 est fixée à la partie inférieure de la tête 6, tandis que l'autre extrémité est suspendue au sommet de la tête. La partie rotative 1 est reliée à la tour non rotative 2 par l'intermédiaire d'un dispositif d'appui et de rotation 10. La tour non rotative 2 comporte un élément précomprimé 11 fixé sur embase 3, et des éléments prétendus consistant en des tringles 12 dont chacune est reliée par une extrémité à l'élément 11, et par l'autre, au mécanisme de tension 13 (figure 2). En plus, la tour 2 (figure i) comprend des étais 14 et des montants 15 reliés à l'élément 11 et aux tringles 12. Chacun des mécanismes de-tension 13 (figure 2) comporte un élément menant réalisé sous forme d'un levier à deux bras 16 articulé à l'embase 3, et un élément mené opposé exécuté sous forme d"un levier à deux bras 17, articulé à l'embase 3, et d'une tige 18 reliant cinématiquement les leviers 16 et 17 entre eux. L'articulation du levier 16 à embase 3 est réalisée à l'aide d'un axe 19. Un bras 16' du levier 16 est monté sur l'appui 4 tandis que l'autre bras 16" est relié par l'axe 20 à une extrémité de la tige 18. A l'gide de l'axe 21, l'autre extrémité de ladite tige 18 est assemblée au bras 17' du levier 17. L'articulation du levier 17 à l'embase 3 est exécutée à l'aide de l'axe 22. L'autre bras 17" du levier 17 est relié à la tringle 12. Sur la tringle 12 est placé un dispositif 23 pour le réglage de la longueur initiale de la t-ingle. Sur le levier 16 est monté un dispositif 24 de mise au repos du mécaniL'e de tension 13 pendant les périodes de réparation de la grue. Pour mieux faire comprendre l'interaction des éléments de la structure portante pré contrainte représentée sur la figure 3, la longueur du bras 16' est désignée par la lettre "a", la longueur du bras 17, par la lettre "d", l'effort de tension agissant dans les tringles 12, par les lettres S et S', les réactions d'appui, par les lettres et et e , et les charges comme suit : charge verticale P, moment M et charge horizontale T. La distance entre les appuis opposés est désignée par la lettre "1". Pour simplifier la description, la distance entre les tringles 12 est considérée comme étant égale à la distance entre les appuis 4. h - hauteur de la tour S" - effort dans l'élément 11 MA - moment au point A ; MB - moment au point B ; S, S' - efforts dans les tringles 12 résultant de la force unique T son - effort dans l'élément 11 résultant de la force unique T MA et MB - moments dans l'élément Il résultant de la force unique T. Les points A et B sont disposés en haut et en bas de l'élément 11 respectivement. Q - déplacement du point A dans le plan horizontal; E - module d'élasticité de Young # - moment d'inertie de l'élément 11 F - surface de la section transversale des tringles 12. La réaction Qsur l'appui 4 de la grue monte-charges, résultant du poids de la grue et des charges, agit sur le bras 16' du levier 16 et tend à le faire tourner. Pendant la rotation du levier 16 autour de l'axe 19, l'autre bras 16" entraine avec lui la tige 18 reliée au bras 17' du levier 17. Le levier 17 tend à son tour à pivoter autour de l'axe 22, et son bras 17" crée un effort de tension dans la-tringle 12. La tension créée de cette façon dans la tringle 12 reste inerariable pendant toute la durée de l'utilisation de la grue, ce qui supprime la nécessité de contrôleur et de maintenir la valeur requise de la tension. La méthode appliquée pour assurer la limitation de la valeur du déplacement de la partie supérieure de la structure portante est la suivante. La valeur de l'effort de tension "S" dépend du rapport entre les bras 16 et 17, qui est exprimé de la manière suivante Si l'on distingue par K le rapport appelé "coefficient de transformation", l'effort de tension dans la tringle est égal au produit S = En choisissant les longueurs des leviers 16 et 17, ou, ce qui revient au mime, en choisissant "k", on crée dans la tringle un effort de tension S, de valeur telle que les contraintes de compression ne soient pas engendrées dans les tringles au moment où les charges extérieures agissent sur la grue. Le coefficient de transformation "k" exerce une influence sur la valeur des déplacements du sommet de la tour 2. La figure représente un schéma de tour de grue de construction très simple, à structure portante précontrainte chargée par la force verticale "P", le moment "Mt' et la force horizontale "T". On détermine le déplacement horizontal du point A sous l'action de ces charges. Lors de la détermination des déplacements on ne prendra en considération que les déformations des éléments Il et 12, les autres éléments étant admis conventionnellement comme étant absolument rigides. Les déplacements sont déterminés à l'aide de l'équation de More où : M, S sont les moments de flexion et les efforts longi tudinaux dans les éléments, résultant d'une force unique T = I, M, S sont les moments de flexion et les forces longitu nales résultant des charges M, T et P. Grace à l'action des charges M, T et P, les réactions d'appui sont égales où : 1 est la distance entre les appuis opposés 4, qui pour simplifier la description, est considérée comme égale à la distance entre les tringles 12. L'effort dans les tringles est S = k,al (4) S'= k. Q (5) En substituant les valeurs Q et 'dans les formules (4) et (5) on obtient On détermine l'effort dans l'élément Il de la manière suivante (l'épure des forces longitudinales dans les éléments Il et 12 est représentée sur la figure 4). S = - (P + S + S' ) = - P (1 + k) (8) Pour déterminer les moments de flexion aux points A et B de l'élément Il (épures M, T et P sur la figure 5) on se sert de l'équation MA = M + S . 1 S1 (9) A Après avoir substitué dans la formule (9) les équations (6) et (7 on a MA = M ( 1 - k ) - kTh (10) S1 S'1 MB = M + Th S21 2 = M ( 1 - k ) + Th (1-k) (11) A partir des formules (6) à (11) on obtient les efforts et les moments d'une force unique T = I (épures des forces longitudinales dans les éléments 11 et 12, figure 6, et épures des moments dans l'élément Il résultant d'une force unique T, figure 7) A partir des formules (1) à (12) on trouve par transformations :: Le déplacement minimal est obtenu quand d# = 0 dk De la formule (14) on déduit que le déplacement minimal est obtenu quand le coefficient de transformations est égal à Pour évaluer l'influence de la valeur "k" sur le déplacement du point A de l'élément 11 pour une grue dont les paramètres sont T = 7,5 tf, M = 520 tf.m, h = 100 m, F = 13 cm2, 2 = = 3,2.106. cm4, e 12 m, on détermine la valeur du déplacement pour les valeurs k = 1 et ko déterminée d'après la formule (14). Après avoir effectué les calculs conformément à la formule (13) on obtient h = 4,63 m. En se servant de la formule (15) on détermine la valeur ko = 0,46 à laquelle le déplacement est minimal. En substituant cette valeur ko = 0,46 dans la formule (13} on trouve un déplacement minimal bOégal à 1,68 m. Ainsi le déplacement du point A de l'élément 17 diminue d'environ 3 fois. Comme il ressort de l'exemple qui vient d'être examiné, l'utilisation de la solution technique conforme à l'invention permet de réduire de plusieurs fois le déplacement de la tour. Le mécanisme de tension peut aussi être hydraulique. Chacun des mécanismes de tension 25 (figure 8) comporte un élément menant sous forme d'un vérin hydraulique 26 relié à l'embase 4 et un élément mené sous forme d'un vérin hydraulique opposé 27 relié à l'embase 4, ces deux vérins étant reliés entre eux par une conduite 28. La tige 29 du vérin hydraulique 26 est accouplé à l'appui 4, tandis que son enceinte 30 sans tige est mise en communication par la conduite 28 avec l'enceinte 31 côté tige du vérin hydraulique 27, dont la tige 32 est reliée à la tringle 12. La valve de fermeture 33 est montée sur la conduite 28 pour mettre au repos le mécanisme de tension 25 pendant les périodes de réparation de la grue. La réaction % engendrée sur l'appui 4 de la grue par le poids de la grue et les efforts extérieurs agit sur la tige 29 du vérin hydraulique 26 et crée une pression du fluide moteur dans l'enceinte 30 sans tige. La pression du fluide moteur est transmise de l'enceinte 30 sans tige dans l'enceinte 31 côté tige du vérin hydraulique 27 par l'intermédiaire de la conduite 28. En conséquence, la tige 32 reliée à la tringle 12 se déplace en créant dans celle-ci l'effort S ou S'. Dans le cas considéré, le coefficient de transport mation "k' est déterminé comme le rapport entre les surfaces actives des vérins hydrauliques 27 et 26. En choisissant ces surfaces actives on obtient la valeur du coefficient "k" qui correspond au déplacement minimal de la partie supérieure de la structure portante, qu'on détermine à l'aide de la formule (15). La structure portante de la grue, par exemple la flèche 5 (figure 9) peut entre exécutée conformément à l'invention. Cependant, le nombre de tringles peut différer du nombre d'appuis, par exemple lorsque le nombre d'appuis est égal à deux le nombre de tringles peut être égal à trois. Dans cette conception de la flèche 5, un levier'à deux bras 35 est articulé au sommet de l'élément comprimé 34. A un bras dudit levier sont articulées deux tringles 37 et une troisième tringle 39 est articulée à l'autre bras 38. Le sommet de l'élément comprimé 34 est relié à la tête 6 (figure 1) par un étai 7. L'élément comprimé 34 (figure 9) est fixé à embase 40 à appuis 41 reliés à la tette 6 (figure 1). Chacune des tringles 37 (figure 9) est reliée à un bras 42 du levier mené 43 du mécanisme de tension 44. Chaque levier mené 43 est articulé à l'aide de l'axe 45 à l'embase 40. L'autre bras 46 du levier 43 est articulé à une extrémité de la tige 47, tandis que l'autre extrémité dudit levier est articulé au bras 48 du levier menant 49 opposé au levier mené 43. L'autre bras 50 du levier 49 est reliée à l'appui 41. La tringle 39 est reliée aussi à l'embase 40. A l'apparition de la réaction sur les appuis 41, les leviers menants 49 tendent à tourner autour des axes 45 en entrainant avec eux les tiges 47; Les tiges 47 tendent à leur tour à faire tourner les leviers menés 43, qui tirent les deux tringles 37. Sous l'action de la tension dans les tringles 37, le levier 35 tend à tourner et tire par son bras 38 la tringle 39. En choisissant les longueurs des bras des leviers 43 et 49 et du levier 35, on crée dans les tringles 37 et dans la tringle 39 une tension de valeur telle que des contraintes de compression ne soient pas engendrées dans les tringles et que le déplacement du sommet de la flèche 5 soit minimal. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. - Structure portante précontrainte, comportant une embase à appuis sur laquelle est fixé un élément pré- contraint de compression et des éléments précontraints de tension tels que les tringles associées à un mécanisme de tension et reliées chacune par l'une de leurs extrémités à l'élément de compression et par leur extrémité opposée, audit mécanisme de tension, caractérisé en ce que le mécanisme de tension comporte un élément monté sur un appui et relié cinématiquement à l'appui et à l'embase, et un élément mené qui est monté mobile sur l'embase, du côté opposé à l'élément nenant, et est relié cinématiquement par l'une de ses extrémités à la tringle, et par son autre extrémité, à l'élément menant. 2. - Structure portante précontrainte conforme à la revendication 1, caractéa sée en ce que l'élément menant et l'élément mené sont exécutés sous forme de leviers à deux bras articulés entre eux à l'aide d'une tige. 3. - Structure portante précontrainte conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément menant et l'élément mené sont exécutés sous forme de vérin hydraulique, la tige du verin hydraulique de l'élément menant étant à un appui, tandis q quesanenceintesanstige est mise en communication par une conduite avec l'enceinte côté tige du vérin hydraulique de l'élément mené dont la tige est raccordée à la tringle.