La base de chaque ascenseur : pourquoi le support au sol est important

La troisième loi du mouvement de Newton stipule que pour toute action, il existe une réaction égale et opposée. Pour maintenir l'équilibre, lorsqu'un objet exerce une force sur un autre (une grue au sol ou votre pied au sol), le second objet exerce sur le premier une force de même intensité mais de direction opposée. Si le second objet manque de stabilité ou de capacité, il se rompt.

Pour assurer un support de fondation (sol) adéquat pour les opérations de levage de charges lourdes, trois éléments de base doivent être clairement et parfaitement compris par le planificateur de levage : la stabilité du sol, la capacité du sol et la connaissance de l'ascenseur lui-même.

Depuis l'invention des grues de construction vers 600 avant J.-C. par les Grecs, et jusqu'à aujourd'hui, il existe une compréhension fondamentale selon laquelle une stabilité et une capacité de sol adéquates sont toutes deux essentielles pour garantir des opérations de levage sûres et efficaces.

Ainsi, qu'il s'agisse de soulever une charge de 10 000 tonnes ou de soulever son dos depuis son canapé, tout déplacement de charge sûr et réussi dépend de conditions de support stables et d'une capacité adéquate. Par conséquent, tout levage commence « sous terre », avec la nécessité universelle d'un support de fondation adéquat.

Malgré sa reconnaissance séculaire, le soutènement au sol a récemment gagné en visibilité au sein de la communauté du transport lourd. Des exemples de cette attention accrue sont illustrés par le nouveau Guide sur les matériaux, la sélection et l'utilisation des patins de calage, publié par le SC&RA, ainsi que par l'annexe non obligatoire à la norme ASME P30, Annexe D – Planification des fondations et du soutènement des stabilisateurs, qui paraîtra prochainement.

Mise en garde : cet article se concentre sur les recommandations relatives aux ascenseurs de grande capacité, complexes et critiques. Il est entendu que les contraintes économiques liées à l'exploitation de grues « taxi » limitent ou empêchent la mise en œuvre de nombre de ces recommandations. Cependant, elles peuvent contribuer à mettre en lumière la nécessité de ce type d'information, quelle que soit la taille ou la complexité de l'ascenseur.

Assurer le soutien au sol

Pour garantir un support de fondation (sol) adéquat pour les opérations de levage de charges lourdes, trois éléments de base doivent être clairement et parfaitement compris par le planificateur de levage :

Stabilité du sol – connaissance de l’intégrité de la surface du sol et de ses conditions souterraines, y compris la connaissance des installations souterraines (fondations, réservoirs, services publics, etc.), de l’état de ces installations et de leur emplacement tridimensionnel (position des coordonnées et profondeur de couverture), des zones de sols potentiellement non consolidés et des vides souterrains.

Capacité du sol – capacité mécanique des sols, des chaussées ou des structures surélevées à résister à la déformation et à supporter les charges imposées.

Connaissance de l'ascenseur lui-même - identification de l'équipement de manutention d'ascenseur spécifique (LHE) à déployer, de tout équipement d'assistance à déployer et des forces de réaction au sol associées (pressions d'appui au sol, également appelées GBP) à imposer au sol.

Les méthodes géophysiques collectent des données sur de larges bandes et offrent une représentation globale des conditions du sous-sol sur le site. L'analyse de ces données permet d'identifier les vides souterrains et les zones de sols meubles, et d'estimer leur position et leur étendue.

Stabilité du sol

La connaissance de l'état du site, tant en surface qu'en sous-sol, constitue une première étape essentielle du processus de planification d'une remontée mécanique. La collecte des documents historiques et relatifs au projet constitue également une étape cruciale. Photographies aériennes (actuelles et historiques), levés topographiques, rapports géotechniques, cartes et atlas des réseaux, plans de génie civil et plans logistiques du site sont autant d'éléments qui aideront le planificateur à identifier les installations et les éléments souterrains potentiellement présents. Une fois ces informations en main, l'étape suivante consiste à réaliser une étude physique du site. Ces études permettent de valider et de documenter l'état actuel des lieux.

Lors de la planification de l'étude du site, il est important de ne pas ignorer les emplacements d'exploitation des équipements d'assistance ou les voies de déplacement des équipements de charge et de levage sortant ou traversant le site.

Le processus d'enquête commence par une reconnaissance du site afin d'observer l'état du sol et les éléments en surface. Cette visite permet également d'identifier d'autres dangers potentiels liés à l'ascenseur, tels que les structures utilitaires, les sous-sols adjacents, les fondations et les structures surélevées.

Bien que des mesures manuelles de ces caractéristiques puissent être utilisées pour les documenter, les technologies actuelles permettent la capture de données 3D. Le balayage laser terrestre, le LiDAR, le SLAM (localisation et cartographie simultanées) et/ou la photogrammétrie, y compris les drones (systèmes aériens sans pilote), sont autant de technologies de collecte de données viables. Bien que chacune ait ses propres applications, elles permettent de capturer l'état d'un site de manière complète et précise.

La combinaison d'essais géophysiques et géotechniques est fortement recommandée pour les évaluations souterraines. Ensemble, ils offrent une vue d'ensemble des conditions du sous-sol. Diverses normes ASTM régissent les méthodes d'essais géophysiques et géotechniques.

Les tests géophysiques utilisent des techniques non invasives, comme le géoradar (GPR), pour développer une compréhension et une caractérisation qualitatives des conditions du sous-sol. Ces méthodes collectent des données sur de larges bandes et offrent une représentation globale des conditions du sous-sol sur l'ensemble du site. L'analyse de ces données permet d'identifier les vides souterrains et les zones de sols meubles, et d'estimer leur position et leur étendue.

Un autre avantage d'une étude géoradar réside dans sa capacité à détecter et à valider la présence de diverses installations souterraines, notamment de matériaux métalliques et non métalliques. Le géoradar permet d'analyser la profondeur et la position des réseaux souterrains, des fondations en béton, etc. Des localisateurs portables de canalisations et de câbles peuvent également être utilisés lors de ces études pour faciliter la localisation des réseaux souterrains conducteurs.

Il est important de noter qu'aucune donnée géophysique ne contient d'éléments intrinsèques permettant d'identifier ou de différencier spécifiquement une cible souterraine (appelée « anomalie ») d'une autre. Autrement dit, rien dans les données géophysiques ne permet d'identifier automatiquement une cible linéaire particulière comme un égout, ni de différencier automatiquement un égout d'une conduite de gaz, d'un ensemble de gaines ou d'une racine d'arbre. Une évaluation adéquate de ces données nécessite une analyse experte et des informations complémentaires (documents historiques et relatifs au projet) pour les contextualiser et les rendre véritablement utiles.

La collecte de données géotechniques est un processus physiquement invasif qui fournit des données quantitatives sur le sol lui-même. Une étude géotechnique complète comprend un échantillonnage physique des sols à des endroits précis (forages). L'analyse commence dès la collecte par l'enregistrement du nombre de coups nécessaires pour enfoncer un échantillonneur à cuillère fendue de quinze centimètres dans le sol (« comptage des coups ») et une évaluation visuelle des matériaux échantillonnés ; l'analyse se termine par un essai en laboratoire.

La pénétrométrie dynamique au cône (DCP) est une méthode géotechnique alternative, rapide et économique pour évaluer la résistance des sols. Elle consiste à enfoncer dans le sol un cône métallique fixé sur une tige graduée à l'aide d'un poids standard lâché d'une hauteur fixe et à mesurer la pénétration par impact afin d'évaluer la résistance du sol. Les taux de pénétration sont corrélés au coefficient de portance californien (CBR), à partir duquel la rigidité du sol est calculée.

Une dernière condition préalable à la collecte de données sur le site est l'établissement d'un « contrôle topographique » et/ou d'un « géoréférencement ». Les alignements et emplacements connus des éléments de surface et des points de collecte de données sont essentiels à l'évaluation du projet de remontée mécanique et à la bonne disposition des améliorations et des équipements de remontée mécanique.

Capacité au sol

Une fois les conditions du site documentées et caractérisées, la capacité portante mécanique du sol doit être déterminée.

En s'appuyant sur des données d'essais géotechniques, une personne compétente peut calculer la capacité portante ultime du sol pour un emplacement donné. La capacité portante ultime d'un sol est généralement définie comme la charge maximale par unité de surface que le sol peut supporter avant de s'effondrer. C'est un facteur essentiel pour déterminer la capacité portante admissible du sol pour le soulèvement proposé.

Le travail de Dearborn Companies comprend les déploiements de grues sur des structures surélevées, des rues urbaines denses, des centrales électriques et industrielles et des parcs éoliens, ainsi que des applications techniques d'échafaudages complexes, d'étayage et de systèmes de rétention de terre.

Quelle que soit la méthode d'essai géotechnique utilisée, les données représentent un instantané des conditions du sol à cet endroit précis. Plusieurs points d'essai sont nécessaires sur toute la zone de déploiement du LHE, car les conditions entre les points sont déduites ou interpolées.

En utilisant la capacité portante ultime et en appliquant un « facteur de conception » (aussi appelé « facteur de sécurité »), la personne compétente calcule ensuite la capacité portante admissible du sol pour l'ascenseur proposé. Un facteur de conception est un multiplicateur appliqué, dans ce cas, à la capacité portante ultime afin de tenir compte des incertitudes liées aux propriétés des matériaux et aux effets environnementaux inconnus, et de fournir une marge de sécurité contre une défaillance catastrophique.

Comprendre l'ascenseur

Une fois les conditions existantes documentées et les capacités du terrain connues, la planification finale du levage peut être entreprise. L'équilibrage des forces de réaction calculées sur le terrain de la LHE avec la capacité portante admissible du terrain éclairera et guidera les décisions concernant l'utilisation et le positionnement des plateformes et tapis de grue, la nécessité et l'ampleur potentielles d'améliorations du terrain, voire un éventuel changement dans le choix de la LHE ou l'emplacement du levage.

Peu importe la minutie du plan de levage ou l'élégance du gréement, rien ne survit à un mauvais appui : chaque levage commence et se termine par ce qui se trouve en dessous.

L'AUTEUR

Mike Walsh, membre de l'ASME P30, est président de Dearborn Companies, une entreprise familiale de troisième génération qui fournit des services de conseil en ingénierie et en construction depuis plus de 70 ans. Les activités de Dearborn Companies couvrent le déploiement de grues sur des structures surélevées, des rues urbaines denses, des centrales électriques et industrielles et des parcs éoliens, ainsi que la mise en œuvre d'échafaudages complexes, d'étaiements et de systèmes de rétention de terre.