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Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGÉNIERIE
PROGRAMME : GENIE CIVIL
PROJET DE CONCEPTION EN ENGENIERIE(GEN333)
Rapport final
# Projet : 2011 - 288
Augmentation de la capacité d’une grue de port
Préparé par
Alexis Nimubona
Ismail Bonouali
Pour
Dahi Ouaras
06 Déc. 2011
CONSEILLER : Dahi Ouaras, ing
COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing.
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Approbation du rapport d’étape pour diffusion
Nom du conseiller
Date
Signature
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Augmentation de la capacité d’une grue de port.
Projet : 2011-288
1. Problématique et objectif
Le Port Alfred doit composer de plus en plus avec un achalandage des navires
de grande envergure, une augmentation de capacité opérationnelle dans ses
installations est devenue une nécessité afin de réduire le temps de déchargement
des navires tenant comptes des frais élevés d’amarrage pouvant atteindre 55000$
par jour et plus.
L’objectif de ce projet est de mener une étude de faisabilité pour en arriver à
une solution plus économique et technique visant à augmenter la capacité
opérationnelle de la grue UT1 de 20000 lb jusqu’à 25000 lb.
2. Travail réalisé
Ce projet est basé sur deux aspects,
L’aspect théorique
Une modélisation et analyse a été réalisé à l’aide d’un outil informatique
appelé « Advanced Design America » spécialisé en structure et qui se base sur la
méthode des éléments finis. L’analyse est faite à base des codes et normes intégrés
déjà dans le logiciel. Les résultats obtenus ont subi une série de vérifications pour
valider leur fiabilité.
L’aspect technique
La réalisation de ce projet a été enrichie par des visites techniques effectuées
sur le site de la grue où des inspections visuelles étaient faites dans le but de
déceler des imperfections qui pourrait nuire à la résistance des membrures, des
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mesures étaient prises aussi dans le but de valider l’information qui était
disponible dans les plans. Un test de charge exigé par le ministère des transports
du Canada a été réalisé, ce qui a permis la validation des analyses théoriques
jusque-là effectué, une inspection à l’aide de la méthode d’ultrason a été effectué
aussi pour vérifier la présence des fissure sur les membrures Ensuite c’était la
modélisation et l’analyse de la grue avec la nouvelle capacité de 25000 lb.
3. Conclusion
Ce projet a atteint ses objectifs fixés au début, la solution retenue à la fin de
l’étude est de renforcer la grue UT1 pour augmenter sa capacité à 25000 lb. Pour
ce, les membrures aux sollicitations critiques étaient répertorier et les moyens pour
les renforcer vont se basés sur l’augmentation de l’aire de la section des
membrures en cas de traction et compression, et le renforcement des fibres
extrême en cas flexion.
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Table des matières
1. Introduction…………………………………………………………7
1.1. Contexte……………………………………………………………..7
1.2. Problématique………………………………………………………7
1.3. Objectifs du projet………………………………………………….7
2. Présentation du projet……………………………………………..8
2.1. Description de l’entreprise………………………………………..8
2.2. Description de l’équipe de travail ………………………………..8
2.3. Problématique et état de l’art reliés au projet…………………..8
2.4. Objectifs généraux et spécifiques du projet……………………..9
3. Aspects techniques et éléments de conception relatifs au proje..9
3.1. Analyse préliminaire………………………………………………9
3.2. Méthodologie…………………………………………………….…10
3.3. Éléments de conception……………………………………………13
4. Bilan des activités………………………………………………….17
4.1. Arrimage formation pratique/universitaire………………..……17
4.2. Travail d’équipe……………………………………………..…….17
4.3. Respect de l’échéancier……………………………………..…….19
4.4. Analyse et discussion………………………………………………21
4.5. Exemple de calcul …………………………………………………24
5. Conclusion et recommandation…………………………………..25
6. Bibliographie ……………………………………………………...26
7. ANNEXES…………………………………………………………27
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Liste des tableaux et figures
Figure 1……………………………………………………….11
Figure 2……………………………………………………….12
Figure 3……………………………………………………….13
Figure 4……………………………………………………….22
Figure 5……………………………………………………….25
Figure 6……………………………………………………….27
Figure 7……………………………………………………….28
Figure 8……………………………………………………….29
Figure 9……………………………………………………….30
Figure 10……………………………………………………...31
Figure 11……………………………………………………...32
Figure 12……………………………………………………...35
Figure 13……………………………………………………...36
Figure 14……………………………………………………...37
Figure 15……………………………………………………...38
Figure 16……………………………………………………...39
Tableau1……………………………………………………...15
Tableau 2……………………………………………………..23
Tableau 3……………………………………………………..33
Tableau 4……………………………………………………..34
7
1. Introduction
1.1. Contexte
L’entreprise Rio Tinto Alcan se voit continuellement à améliorer la qualité des
services dans l’ensemble de ses installations portuaires situées au Port Alfred afin
de faire face à une clientèle de plus en plus grandissante tout en restant compétitif
sur le marché. C’est dans cette optique qu’on a eu l’opportunité, d’étudier les
possibilités d’augmenter la capacité opérationnelle de la grue UT1 dans le cadre de
ce projet de conception en ingénierie de l’Université du Québec à Chicoutimi, on
s’est vu attribuer la tache de chercher en tant qu’étudiants dans le domaine, les
solutions les mieux adaptées à la problématique évoquée par l’entreprise.
1.2. Problématique
Le Port Alfred accueille de plus en plus de navires de grande envergure
chargés de matières premières indispensable pour le fonctionnement des
différentes usines de l’entreprise Rio Tinto Alcan implantées dans la région, c’est
devenu évident que la capacité opérationnelle actuelle des grues est à augmenter
pour permettre un déchargement rapide des navires tenant compte des frais élevés
d’amarrage pouvant atteindre 55000$ par jour et plus.
1.3. Objectifs du projet
Le but de ce projet est en quelque sorte une étude de faisabilité visant
l’augmentation de la capacité opérationnelle de la grue UT1en utilisant la méthode
la plus économique parmi les éventualités résultant de l’étude.
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2. Présentation du projet
2.1. Description de l’entreprise
L’entreprise Rio Tinto Alcan est une multinationale spécialisée dans
l’industrie de l’aluminium. La grue UT1 se situe sur le quai Duncan au Port
Alfred localisé dans l’arrondissement de La Baie dans la ville Saguenay. Le Port
Alfred a été fondé le 22 avril 1812 par l’industriel Julien-Edouard-Alfred Dubuc
d’où son nom.
2.2. Description de l’équipe de travail
L’équipe de travail de ce projet est composée par Jacques Paradis, le
coordonnateur des projets à l’Université du Québec à Chicoutimi, Dahi Ouaras, le
promoteur et conseiller, Danny Ouellette chargé des laboratoires à l’Université de
Québec à Chicoutimi, Alexis Nimubona et Ismail Bonouali tous deux étudiants à
l’Université du Québec à Chicoutimi.
2.3. Problématique et état de l’art reliés au projet
Le problème majeur rencontré durant la réalisation de notre projet est avant
tout une contrainte dans le temps causée par un retard dans l’octroi du projet soit 2
semaines en retard en temps normale. Ensuite, l’acquisition du logiciel de
conception utilisé (ADA) a été tardive ce qui a eu un effet sur l’échéancier fixé au
début dans notre plan de travail. Pour une bonne réalisation de ce projet, des
visites multiples étaient nécessaires sur le site de la grue, néanmoins les consignes
de sécurité et d’accès au site sont rigoureuses.
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2.4. Objectifs généraux et spécifiques du projet
Le but de ce projet est d’augmenter la capacité opérationnelle de la grue
UT1 de 20000 lb jusqu’à 25000 lb, par la méthode la plus économique des
éventualités résultant de l’étude de faisabilité.
Apres modélisation et analyse de la grue, on a opté pour le renforcement de
la grue existante ce qui se présente comme solution économique par rapport à
l’achat d’une nouvelle grue en remplacement.
3. Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet
3.1. Analyse préliminaire Pour commencer, on a effectué une inspection minutieuse sur la grue
cherchant de moindres imperfections sur les membrures pouvant affecte leurs
résistances aux sollicitations, dans le but de vérifier et de valider la capacité
actuelle de la grue, même si on a relevé certaines anomalies notamment à la base
de la grue où il y a des déformations anormales causées par des contacts de ces
membrure et les engins qui passent sous la grue, il y avait pas de problème majeur
à signaler qui puisse nuire à la stabilité de la grue. Une modélisation complète de
la grue a eu lieu à l’aide du logiciel ADA suivi par une simulation de chargement,
on a constaté que le comportement de la grue était normal en considérant aussi les
états limites ultimes que les états limites d’utilisation. Un test de charge
commandé par le ministère des transports est venu confirmer nos résultats.
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3.2. Méthodologie.
Premièrement, on a misé sur l’inspection visuelle de la grue existante pour
voir s’il n’y a pas de signes de dégradation des matériaux vu l’âge de la structure,
deuxièmement on a passé à la modélisation de la structure et enfin une simulation
s’en est suivie avec une surcharge de 20000 lb en se basant sur sa capacité
opérationnelle actuelle. A base des résultats obtenus, les membrures les plus
sollicitées étaient isolées pour fin de calculs analytiques et un lien avec les
résultats de la simulation devait être établi pour tirer les conclusions qui
s’imposent. En ce qui concerne le calcul sur les connections, le mandat a été
confié au réalisateur tandis que la capacité du sol et de la fondation (pieux) est
jugé suffisante par un bureau spécialisé.
La deuxième partie de ce projet visant l’augmentation de la capacité
opérationnelle de la grue commence par une simulation avec la nouvelle charge de
25000 lb, l’analyse du comportement de la grue, et ensuite isoler les éléments les
plus sollicités susceptibles de lâcher pour en faire une vérification à base
d’équations théoriques. Une vérification visant la stabilité dans l’ensemble de la
structure doit se faire en partant par les points critiques selon des combinaisons de
charges imposées. La résistance à la fatigue doit être prise en compte car la grue
est ballotée par le vent et elle est soumise à l’effet dynamique du chargement créé
par des sollicitations de type cycliques sur la structure. Si plusieurs conditions sont
réunies, une fissure peut se développer et continuer de se propager entrainant une
rupture de la membrure.
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Résultats de la simulation (25000 lb)
Sollicitations
Figure 1 : État des sollicitations
12
Position de la charge vive (25000 lb)
Figure 2 : Position de la charge vive
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Déformations
Figure 3 : Déformations
3.3. Éléments de conception. La modélisation et la simulation sont exécutées à l’aide du logiciel ADA et
tous les calculs effectués sont fait à base des formules et notions trouvées dans la
norme sur les charpentes d’acier de construction CAN/CSA-S16 01 et la norme
sur les antennes et les tours CSA S37-01. La réalisation de ce projet s’est basée sur
la documentation technique qui nous était fourni par le promoteur ainsi que des
différents relevés prises directement sur le site de la grue.
Lors de notre première visite, c’était on a mis l’accent sur l’inspection
visuelle de la grue, on a relevé des mesurer sur quelques membrures pour valider
l’information donnée par les plans à notre possession. En ce qui concerne la
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deuxième visite, elle était consacrée au test de charge commandé par transport
Canada afin de valider la capacité actuelle de la grue. Le test de charge s’est
déroulé sous la surveillance d’un inspecteur de transport Canada, inspecteur de
bureau de conseil et quelques employés de la compagnie.
Lors du test de charge, il y a majoration de la charge de 20000 lb jusqu’à
25000 lb pour tenir compte du facteur de sécurité. Le principe de ce test est de
positionner la charge de 25000 lb sur quatre positions le long du bras de la grue et
de vérifier les états critiques de la grue identifiés à l’aide des notions de mécanique
statique. Selon les règles de bonne pratique, on était en mesures d’identifier les
éléments qui peuvent être une source d’instabilité de la structure. Pour commencer
le test, la charge est placée à la moitié de la portée du bras où le moment est
maximal et une déformation de 3 mm de flèche, et puis la charge a été déplacé au
¾ de la portée de la grue ce qui a augmenté davantage la flèche a 16 mm Par la
suite, la charge a été placée à 7/8 et à la portée maximale successivement, ce sont
les positions où la flèche est critique. Autrement dit, c’est à ces positions que la
structure rentre dans la phase critique, les parties les plus sollicitées sont les
tirants, les appuis et en plus le moment de renversement y est maximal. Les
membrures jugées critiques étaient sculptées à l’aide de magnétoscope, et la
technique d’ultrason pour détecter la présence des fissures.
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Tableau 1
Tests de charge statique sur UT-1 23-nov-11
Kevin Fortin
# Point Z Référence Z à 1/2 portée
Z à 3/4 portée
Z à 7/8 portée
Z à portée MAX
Z Backsight
(Position initiale) (Vérification)
5100 99.874
5101 99.874
5102 118.445
5103 118.445
5104 118.432
5105 118.432
5106 99.873
5107 118.448
5108 118.448
5109 99.873
5110 118.421
5111 118.421
5112 99.873
5113 118.413
5114 118.414
5115 99.873
Moyenne 118.448 118.445 118.432 118.421 118.414
Delta Z 0 -0.003 -0.016 -0.027 -0.034
Tableau 1 : Résultats du test de charge
Le logiciel ADA utilisé pour ce projet est spécialisé en analyse de structure,
basé sur la méthode d’éléments finis. Les principaux paramètres qui rentre en
ligne de compte lors d’une analyse avec ADA sont notamment
Le poids propre de la structure (D) ; il comprend entre autre le poids des
membrures composant la structure.
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Le poids permanent lié aux installations mécaniques ; il comprend le poids
des installations pérennantes nécessaire au fonctionnement de la grue
comme la dépoussiéreuse, le poste de commande, le mécanisme des
poulies, ct.
La surcharge d’exploitation sur les planchers des étages ; c’est la surcharge
spécifiée dans le code national du bâtiment (CNB 2005) qui est de 4.8Kpa.
La surcharge due à la neige ; elle est calculée conformément au CNB 2005
La surcharge due au vent ; elle est calculé a base des formules du CNB
2005 pour être combiné à d’autres charges, on peut aussi calculer la
pression due aux vents à l’aide de la norme CSA/S37- 01 qui stipule l’arrêt
des opérations quand la vitesse du vent dépasse 25 km/h, pour ce projet on
privilégie la norme CSA/S37-01 pour calculer la pression du vent.
La surcharge due à la neige ; elle calculer à l’aide des formules du CNB
2005
La surcharge à la glace ; elle est calculé à l’aide des formules de la norme
CSA/S37-01.
Formules de calcul
Charge de vent
17
1,52
0.92 kpa
Charge de neige
1.0
Charge de la glace
Selon la norme CSA/S37-01 le site du projet est situé dans la région III qui
correspond à une épaisseur de glace de 40 mm
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4. Bilan des activités
4.1. Arrimage formation pratique/universitaire
Ce projet a été pour nous une grande occasion pour mettre en pratique
différentes notions apprises lors de notre formation académique entre autre les
connaissances acquises notamment dans les cours d’analyse des structures et de
conception des charpentes en acier étaient d’une grande utilité pour la réalisation
de ce projet. Durant la période de réalisation de ce dernier, on a pu assister à deux
reprises à des tests de charge quadriennale commandé par le ministère des
transport du Canada et ce fut un grand plaisir de pouvoir vivre ces moments de
laboratoire à ciel ouvert où nous avons pu faire un lien entre les résultats des
simulations, des calculs analytiques et le comportement authentique des structures
testés, en bref c’était une expérience très enrichissant. Par contre, un membre de
l’équipe n’était pas habitué avec le logiciel de modélisation utilisé (ADA) car ce
dernier manque dans les enseignements dispensés à l’Université du Québec à
Chicoutimi ce qui fait que les étudiants n’ont pas l’occasion de l’apprendre, pour
ce, la plus grande suggestion serait d’intégrer les logiciels utilisés en milieu de
travail dans l’élaboration des programmes afin de donner une chance aux étudiants
de se pratiquer avant d’affronter le milieu du travail.
4.2. Travail d’équipe.
Le projet entre les mains a été une expérience pour notre équipe dans
laquelle on était à la mesure de voir de plus près la vie professionnelle et de ce qui
emporte comme responsabilité.
Pour la bonne conduite de ce projet, notre équipe est basée au niveau
de la réalisation sur le principe de distribution des taches et l’utilisation de la
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technologie récente. Afin de rendre les taches plus harmonieuses, on a mis en
œuvre un planning des délais donne à chaque un des membres une idée sur le
déroulement des travaux et le pourcentage d’exécution des taches.
Les taches sont aussi distribuées selon la capacité et le niveau de
l’information chez chaque membre afin de lui rendre plus rentable ce qui aussi
permet de respecter l’échéancier. On peut noter aussi les oppositions des idées
entre le groupe qui a obligé, parfois, les membres de faire des recherches et des
consultations, la chose qui nous a permis de mieux comprendre le concept et
d’enrichir davantage nos connaissances techniques.
Aussi, notre travail a été réalisé à l’aide d’un outil informatique récent et
sophistique, malgré une petite difficulté technique qui a envisagé notre équipe de
l’avoir rapidement ce qui a comme effet sur notre échéancier.
4.3. Respect de l’échéancier
L’échéancier fixé au début de ce projet dans le plan de travail a été
légèrement modifié suite à un retard dans l’acquisition du projet, ensuite par un
retard lié à la livraison du logiciel utilisé dans la modélisation. En plus des
problèmes au niveau de la modélisation sont survenu ce qui a été vite résolu par
l’aide du conseiller ou du technicien de Graitec.
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Diagramme de Gantt.
4.4. Analyse et discussion
La méthodologie utilisé dans la première partie de ce projet s’est avérée
efficace, en effet les résultats obtenus par la simulation ont été vérifié par des
équations analytiques et il y avait pas un grand écart quand bien même les résultats
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données par le logiciel soit des approximations. Un test de charge est venu
confirmer la fiabilité des résultats observés. Pour la deuxième partie du projet qui
est lié à l’augmentation de la charge a 25000 lb, l’occasion de teste de charge
n’aura pas lieu, mais à base des résultats de la première partie avec une charge de
20000 lb, c’était clair que la démarche utilisée est fiable.
La vérification était faite par ADA qui se base sur une analyse élastique
laquelle est utilisée par la plupart des logiciels de conception. Les résultats sont,
généralement, très bons pour le calcul du comportement sous les charges
d’utilisation car la structure doit normalement avoir un comportement linéaire et
élastique.
Apres l’analyse de la structure sous la charge de 25000 lb, on peut et à
l’aide d’ADA identifier l’ensemble des membrures qui représentent un état de
sollicitation critique. Afin de remédier à ça, on a eu recourt à des renforcements
des sections. Le type de renforcement est différent d’une membrure à l’autre et
selon la nature des sollicitations dans cette dernière.
Le renforcement a été basé sur l’augmentation de l’aire de la section droite
pour les membrures sollicitées en compression ou en traction. Concernant les
membrures qui sont sollicitées en flexion, on renforce les fibres extrêmes par
l’augmentation de la valeur du rayon de giration.
La méthode de renforce est basée sur l’ajout des plaques ou des profilés au
moyen des soudures. Afin de rendre l’opération de renforcement plus économique,
on a choisi des éléments dont la mise en place est moins chère, car c’est au niveau
de la main d’œuvre qu’on doit penser au moment de ce genre d’opération.
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Figure 4 : État de sollicitations des membrures
Les résultats d’analyse des membrues qui exigent le renforcement ont été
sélectionnés et regroupés dans un tableau. Ce tableau donne aussi les différentes
caractéristiques mécaniques de chaque membrure. Ces caractéristiques ont été
utilisées dans le choix des éléments de renforcement.
Tableau : Membrures dont la résistance est insuffisante.
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Tableau 2 : Membrure en état critiques
4.5. Exemple de calcul
Pour un exemple de calcul, on a choisi la membrure 203 qui a comme données :
Section : 2 EL 5x3x3/8 ;
Sollicitation : 144,76 % ;
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Cr = 302,12 Kips (résistance en compression) ;
Section de classe 4 ;
Section Ag= 7,22 po² = 4658.05 mm² ;
Fy = 350 Mpa (selon la nuance d’acier choisi).
La nouvelle section totale :
On a opté de renforcer la membrure en question avec deux plaques de
450,22mm².
Parmi les profiles disponibles dans le « handbook of steel » construction, on a
mis le choix sur la section rectangulaire PL 3/8 x 2 qui proche de la surface
cherchée.
Surface = 0.75 po²= 483.87 mm².
Exemple de membrure renforcée :
25
Figure 5 : Exemple de membrure renforcé
5. Conclusion et recommandation
Dans l’ensemble, les objectifs de notre projet sont atteint, d’une part l’étude
effectué s’est soldé par un choix économique qu’est le renforcement de la grue,
après une analyse approfondie et calculs, il était claire et nette qu’on peut
augmenter la capacité opérationnelle de la grue UT1 de 20000 lb jusqu’à 25000 lb
en renforçant les membrures critiques toute en respectant la stabilité de la structure
dans l’ensemble. Le coefficient de sécurité trouvé est aussi suffisant vue que les
membrures de la structure sont sollicitées à 60% tout au plus.
En guise de recommandations, on propose d’abord que la structure soit doté
de gauges de contraintes dans les zones critiques afin d’alerter l’operateur au cas
où les états limites ultimes seraient menacés, ensuite vue l’exposition de la
structure à l’air ambiant, une dégradation de la matière due à la corrosion est
imminente d’où une protection efficace s’avère nécessaire quand bien même la
nuance d’acier utilisée doit résister à la corrosion, et pour terminer, un système de
garde-fou est requis aux abords de la structure pour éviter des accrochages avec
26
des engins qui passent ce qui pourraient générer des problème structurale à court
ou à long terme liés à des collisions par exemple.
6. Bibliographie
BEAULIEU, PICARD, TRAMBLEY, GRONDIN, MASSICOTTE (2008) :
Calcul des Charpentes d’acier, Tome I, Icca ,794 pages
BEAULIEU, PICARD, TRAMBLEY, GRONDIN, MASSICOTTE (2008) :
Calcul des Charpentes d’acier, Tome II, Icca ,789 pages.
ANDRE PICARD (1992) : Analyse des structures, Beauchemin, 540 pages.
ANDRE BAZERGUI, THANG BUI-QUOC (2002) : Résistance des
matériaux, 3e Edition, Presse Internationales Polytechnique, Montréal, 715
pages.
MERIAM, KRAIGE (1996) : Mécanique de l’Ingénieur, Reynald Goulet,
522 pages.
INSTITUT CANADIEN DE LA CONSTRUCTION EN ACIER, (2010) :
Handbook of steel construction. (9e Edition 2007)
GRAITEC: Logiciel « Advanced design America »
Site web Environnement Canada : wwww.ec.gc.ca
La norme CSA S16-01 : Charpentes en acier.
Transport Canada : Normes d’usure relative à l’équipement de chargement –
TP9396F
Code national de bâtiment.
La norme CSA/S37-01 : Antennes et tours de communication
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7. ANNEXES
1. Les cas de chargement
Cas 1 : Glace
Figure 6
28
Cas 2 : Neige
Figure 7
Cas 3 : Vent
29
Figure 8
Cas 4 : Équipements
30
Figure 9
Cas 5 : La charge vive
31
Figure 10
2. Déformation générale
32
Figure 11
33
3. Résultats des déformations
Tableau 3 : Résultats des déformations
34
Données climatiques. (CNB 2005)
Tableau 4 : Données climatiques
35
Carte de glace. (CSA/S37-01)
Figure 12 : Carte de glace
Carte de vent. (CSA/S37-01)
36
Figure 13 : Pression des vents
Vue d’ensemble de la grue UT1.
37
Figure 14
38
Bras de la grue UT1
Figure 15
39
Système de levage de la grue UT1
Figure 16