Étude de stabilité au vent des grues à tour : logiciel de simulation OptiFluides

Pourquoi étudier la sécurité des grues exposées au vent ?

En France, les grues à tour jouent un rôle-clé sur les chantiers, notamment pour la construction de bâtiments de grande hauteur. Ces engins supportent des charges allant jusqu’à plusieurs tonnes (souvent entre 20 et 80 tonnes selon les modèles) et permettent de déplacer ces charges à des hauteurs pouvant atteindre plus de 80 m, voire bien davantage selon les besoins du chantier.

Cependant, leur utilisation nécessite une vigilance extrême : les incidents les plus fréquents résultent de chutes de charges, collisions entre grues, accidents lors des interventions en altitude ou encore renversements liés au vent. C’est ce dernier risque que nous étudions ici.

Les effets de site : générateur d’incidents

Sur les chantiers urbains, la stabilité des grues à tour est cruciale, même à l’arrêt.

Quand la grue est hors service, elle est mise en girouette. De manière générale, pour un vent donné, la grue se positionne de manière à minimiser l’effort exercé par le vent, c’est-à-dire que la grue s’oriente dans la direction du vent (elle se positionne en vent arrière). Il s’agit de la position de girouette normale. Cependant, sur un chantier, le profil de vent dans la région considérée peut être modifié localement par la présence des bâtiments : c’est ce qu’on appelle les effets de site. Le comportement aérodynamique de la partie rotative de la grue, constituée de la flèche et de la contre-flèche, en est sensiblement modifié.

La position de la grue peut être différente du cas de girouette normale et les efforts aérodynamiques exercés par le vent sur la grue peuvent également être augmentés. Les effets du vent, modifiés localement par les bâtiments, peuvent provoquer :

• Des désalignements de la grue par rapport à la direction du vent en champ plat : sortie de la position de girouette ;
• Une mise en auto-rotation de la flèche de la grue ;
• Des surcharges mécaniques imprévues, voire des dommages matériels ;
• Des risques accrus pour la sécurité, jusqu’au renversement de la grue.

Nous avons développé une méthode pour analyser les effets du vent sur la stabilité des grues à partir de la simulation numérique du vent et de la modélisation dynamique de la grue.

Notre solution logicielle CFD par Optifluides

• Simulation numérique de l’aéraulique à l’échelle du site en s’appuyant sur le code OpenFOAM® ;
• Modélisation de la dynamique de la flèche de grue grâce à un outil développé en interne ;
• Analyse multi-scénarios : 36 directions de vent × 36 orientations initiales de la flèche de grue ;
• Calculs automatisés des coefficients de stabilité ;

Simulation CFD de la résistance des grues au vent en 4 étapes

• 1ère étape : Reconstruction automatisée du modèle 3D du site dans un rayon de 400 à 900 m autour de la grue

• 2ème étape : Simulation du vent pour 36 directions (de 0° à 360° par pas de 10°)

• 3ème étape : Intégration de la grue dans le champ de vent pour calculer le mouvement de la flèche de la grue et en déduire les efforts qu’elle subit

• 4ème étape : Évaluation des risques : auto-rotation, désalignement, effort maximal latéral…

Comment le calcul de stabilité des grues au vent est-il réalisé ?

Cas d’application

Cas n°1 : Une grue

• Analyse avec et sans voile pare-vent
• Aucun cas d’auto-rotation détecté
• Ajustement de la hauteur de flèche / position de la grue selon le phasage du projet

Cas n°2 : Deux grues

• Analyse simultanée de deux grues à des hauteurs différentes
• Identification de zones à fort gradient de vitesse de vent
• Recommandations différenciées selon la position des grues

Résultats transmis

• Réduction des risques d’orientation critique ou instable de la flèche ;
• Conception plus sûre des installations de chantier.

Bénéfices de la méthode

• Détection fine des positions critiques ou dangereuses ;
• Outil interne adaptable à tout type de grue ;
• Appui à la prise de décision pour l’implantation et la sécurité chantier.
• Outil adaptable à tout site urbain avec complexité géométrique.

Données d’entrée nécessaires

• Plan d’installation de la grue sur le chantier ;
• Forme et hauteur des bâtiments dans un périmètre de rayon 1km autour de la grue ;
• Caractéristiques de la grue (coefficients de trainée*, moment d’inertie, frottement, frein, …) ;

*si les coefficients de traînée sont inconnus, ils peuvent être déterminés par des simulations CFD supplémentaires. Pour cela, les plans ou le modèle 3D des différents composants constituant la flèche et contre-flèche de grue sont nécessaires.